УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОД В СКВАЖИНАХ Российский патент 2000 года по МПК G01V9/02 

Изобретение относится к устройствам для дистанционного измерения параметров водной среды, в частности для измерений температуры, гидростатического давления, удельной электропроводности, водородного показателя pH, окислительно-восстановительного потенциала Eh, содержания растворенного кислорода, концентраций различных ионов водной среды в скважинах.

Известно устройство для исследований термальных вод в скважинах, состоящее из погружного зонда, содержащего датчики, передающий многоканальный преобразователь и стабилизатор напряжения, наземного блока, содержащего источник тока, приемный преобразователь, устройство индикации и регистрации, одножильного каротажного кабеля, соединяющего погружной зонд с наземным блоком [Авторское свидетельство СССР N 864089, кл. G 01 N 27/00 опубликовано 15.09.81. бюллетень N 34).

Однако устройство не позволяет производить точные измерения таких параметров водной среды, как температура, гидростатическое давление, удельная электропроводность, т.к. при получении результатов измерений не учитываются нелинейные индивидуальные функции преобразования соответствующих измерительных каналов и их изменения во времени под действием дестабилизирующих факторов (изменений температуры окружающей среды, напряжения питания и т.п.). Кроме того, указанное устройство не обладает необходимым уровнем защиты от действия внешних электрических полей и электромагнитных помех.

Важно подчеркнуть, что в скважинах часто присутствуют значительные электрические помехи, вызываемые либо естественным электрическим полем, присущим конкретной геологической среде (геофизические электрические поля), либо полями искусственного происхождения (наличие утечек токонесущих кабелей, возникновение электродного потенциала между металлическими конструкциями как в самой скважине, так и между скважиной и спускаемой аппаратурой, различные потенциалы, связанные с коррозией обсадных труб, потенциалы, вызванные изменением гидравлического режима потока жидкости в скважине и т.п.). Эти поля вызывают появление токов в водной среде в скважинах, что в свою очередь приводит к различию потенциалов в различных точках водной среды.

При использовании нескольких измерительных потенциометрических электродов (pH, Eh, различных ионоселективных электродов) и одного общего электрода сравнения различие потенциалов воды в области, где расположены чувствительные элементы электродов, приводит к появлению значительных погрешностей измерений. Кроме того, необходимо учитывать, что входные цепи потенциометрических измерительных каналов имеют очень высокое входное сопротивление (10¹⁰ Ом и более). В связи с этим существенную роль могут играть помехи, создаваемые внешними электромагнитными полями (обычно промышленной частоты).

Наиболее близким к заявляемому является устройство (прототип) для исследования вод в скважинах (Патент РФ N 20840006, опубликован 10.07.97, бюллетень N 19).

Устройство состоит из погружного зонда, в корпусе которого находится передающий многоканальный преобразователь, одни входы которого подключены к выходам датчиков, другие входы - к выходам блока формирования тестов, а выход соединен со стабилизатором напряжения, наземного блока, содержащего источник тока, вход которого подключен к выходу блока питания, а выход - к входу приемного преобразователя, блок идентификации, вход которого подключен к выходу приемного преобразователя, вычислительное устройство, один вход которого соединен с выходом приемного преобразователя, другой - с выходом блока идентификации, а выход - с устройством индикации и регистрации, блок хранения параметров, соединенный с вычислительным устройством, и одножильного каротажного кабеля, соединяющего стабилизатор напряжения погружного зонда с выходом стабилизатора тока наземного блока.

В описанном устройстве обеспечивается повышение точности измерений (путем идентификации реальных индивидуальных функций преобразования всех измерительных каналов) и расширение функциональных возможностей (расширение перечня измеряемых параметров воды, возможность быстрого изменения набора измеряемых величин в конкретном эксперименте).

Однако данное устройство также не обладает необходимым уровнем защиты от действия внешних электрических полей и электромагнитных помех.

Для повышения помехозащищенности в указанное устройство (прототип) введены экранирующая бленда, прикрепляемая к корпусу зонда, внутри которой расположены датчики, причем окна в бленде для протока воды находятся вне области, в которой расположены чувствительные элементы потенциометрических датчиков, и блок подавления помех, вход которого подключен к выходу приемного преобразователя наземного блока, а выход - к дополнительному входу вычислительного устройства.

Устройство для исследования вод в скважинах изображено на чертеже.

Погружной зонд имеет герметичный корпус 3, внутри которого размещены блок формирования тестов 4, многоканальный передающий преобразователь 5 и стабилизатор напряжения 6. К корпусу 3 прикреплены экранирующая бленда 1, внутри которой на корпусе зонда установлены датчики 2. Зонд соединен с наземным блоком одножильным каротажным бронированным кабелем 7.

Наземный блок включает в себя стабилизатор тока 8, блок питания 9, приемный преобразователь 10, вычислительное устройство 11, блок идентификации 12, блок подавления помех 13, блок хранения параметров 14, устройство индикации и регистрации 15.

В изготовленном экземпляре устройства для исследования вод в скважинах погружной зонд имеет титановый корпус диаметром 54 мм. Набор используемых датчиков включает в себя датчики температуры, гидростатического давления, удельной электропроводности, растворенного кислорода, электроды pH, Eh, сравнения, различные ионоселективные электроды (NO₃, NH₄, Na, H₂S, Cu и др.). Устройство имеет 10 измерительных каналов (т.е. одновременно измеряются 10 параметров водной среды), в том числе каналы температуры, гидростатического давления, удельной электропроводности, растворенного кислорода и 6 потенциометрических каналов, каждый из которых может быть использован для измерений pH, Eh и концентраций различных ионов с помощью ионоселективных электродов.

В качестве датчика температуры применен резистивный термопреобразователь сопротивления с малой тепловой инерцией, в качестве датчика давления - тензопреобразователь давления, выполненный по технологии "кремний на сапфире", в качестве датчика удельной электропроводности - четырехэлектродная кондуктометрическая ячейка, в качестве датчика растворенного кислорода - датчик Кларка, в качестве датчиков концентраций различных ионов - ионоселективные электроды.

В многоканальном передающем преобразователе выходной сигнал каждого датчика преобразуется в цифровой код. При этом на входах потенциометрических каналов используются усилители напряжения с высоким входным сопротивлением, а на входе канала растворенного кислорода - преобразователь тока в напряжение. Аналого-цифровые преобразователи содержат цифровые фильтры, обеспечивающие подавление помех промышленной частоты.

Цифровой код с выхода многоканального передающего преобразователя поступает на стабилизатор напряжения, который обеспечивает не только электрическое питание погружного зонда, но и последовательную передачу кодов по одножильному каротажному кабелю.

Кроме поочередного опроса датчиков, в многоканальном передающем преобразователе осуществляется поочередный опрос выходов блока формирования тестов.

Для защиты устройства от действия внешних электрических полей к корпусу погружного зонда прикреплена экранирующая бленда, внутри которой расположены датчики, причем окна в бленде для протока воды находятся вне области, в которой расположены чувствительные элементы потенциометрических датчиков.

Способы защиты датчиков погружных зондов с помощью тех или иных ограждений известны и широко используются в различных океанографических приборах и приборах для экологических исследований водоемов (смотри, например, "Принципы построения технических средств исследования океана", ответственный редактор B.C. Ястребов, М.; "Наука", 1982, стр. 14 или А.Н. Парамонов, В.М. Кушнир, В.И. Забурдаев, "Современные методы и средства измерения гидрологических параметров океана", Киев, "Наукова думка", 1979, стр. 104).

Однако подобные защитные детали носят название "ограждение", предназначены для защиты датчиков от механических воздействий и не обеспечивают защиту гидрохимических каналов от внешних электрических полей.

В то же время известные принципы экранирования измерительных и радиоэлектронных устройств от внешних электрических и электромагнитных полей в данном случае оказываются неэффективными по следующим причинам. Во-первых, пространство, в котором расположены чувствительные элементы датчиков, должно быть проточным, что не позволяет его экранировать полностью. Во-вторых, электрическое поле в воде создает ионные токи, а эффект поляризации, возникающий при протекании тока через металлический экран, существенно снижает его экранирующее действие. Следует учитывать, что экранирующая бленда должна препятствовать протеканию ионных токов в воде, вызванных внешними полями, в области расположения чувствительных элементов датчиков.

В изготовленном экземпляре устройства экранирующая бленда выполнена из фторопласта и представляет собой цилиндрическую трубу. В верхней части имеется резьба для навинчивания бленды на корпус погружного зонда, ее нижняя часть остается открытой, а в стенке в верхней части сделаны окна, обеспечивающие проток жидкости при зондировании. Чувствительные элементы электродов находятся в нижней части бленды на некотором расстоянии от ее нижнего края. При такой конструкции бленды поперечная составляющая электрического поля (перпендикулярная оси погружного зонда) не создает тока в области чувствительных элементов электродов, т. к. этому препятствует корпус экранирующей бленды. Однако продольная составляющая внешнего электрического поля (вдоль оси погружного зонда) создает токи в области расположения электродов, направленные вдоль оси зонда. Эти токи создают градиент потенциала в воде вдоль оси зонда. Для исключения влияния указанных токов на потенциометрические измерительные каналы измерительные электроды (pH, Eh, ионоселективные электроды) и электрод сравнения должны иметь одинаковую длину. В этом случае их чувствительные элементы будут находиться в эквипотенциальной плоскости, изменение потенциала которой не будет влиять на результаты потенциометрии.

В то же время такая конструкция экранирующей бленды дает возможность оценивать интенсивность внешнего электрического поля. С этой целые используются два однотипных измерительных электрода различной длины (в изготовленном экземпляре устройства использовались два электрода сравнения). При отсутствии внешнего электрического поля потенциалы этих электродов отличаются незначительно. При увеличении интенсивности внешнего поля возрастает плотность продольного тока внутри бленды, соответственно возрастает градиент потенциала в области расположения электродов и разность потенциалов указанных однотипных электродов. Таким образом, измеряя разность потенциалов этих электродов, можно оценить интенсивность внешнего электрического поля.

Электрическое питание погружного зонда осуществляется от блока питания наземного блока через стабилизатор тока, что обеспечивает лучший (по сравнению с питанием от источника напряжения) режим работы электронных устройств зонда при изменениях электрического сопротивления каротажного кабеля.

Приемный преобразователь отделяет информационный сигнал, поступающий по кабелю, от напряжения питания и преобразует его к виду, удобному для ввода в вычислительное устройство, блок идентификации и блок подавления помех.

Блок идентификации использует результаты преобразования сигналов всех датчиков и тестов и с учетом вида математической модели функции преобразования каждого измерительного канала определяет значения его параметров этой функции для каждого измерительного канала в текущий момент времени путем решения соответствующей системы уравнений. Полученные реальные параметры функций преобразования измерительных каналов вводятся в вычислительное устройство, которое, используя модели измерительных каналов и индивидуальные параметры датчиков, вычисляет значения всех измеряемых величин.

Вычисленные значения измеряемых величин выдаются на устройство индикации и регистрации в виде именованных чисел в единицах измерения соответствующих величин.

Блок хранения параметров содержит индивидуальные параметры всех датчиков, которые могут быть использованы в устройстве. Оператор устанавливает в погружном зонде датчики, необходимые в конкретном эксперименте, и вводит в вычислительное устройство информацию о том, в каком измерительном канале какой датчик применен. При определении значений измеряемых величин вычислительное устройство автоматически использует индивидуальные параметры соответствующих датчиков, хранящиеся в блоке хранения параметров.

Блок подавления помех использует результаты преобразования сигналов измерительных каналов, осуществляет их цифровую обработку и анализ, в результате чего обеспечивается повышение помехозащищенности устройства. В блоке подавления помех выполняются следующие процедуры:
цифровая фильтрация сигналов с целью подавления импульсных помех и помех промышленной частоты;
обнаружение и оценка интенсивности внешнего электрического поля (при использовании двух однотипных электродов разной длины). Если эта интенсивность превышает установленный порог, то в вычислительное устройство выдается признак возможной аномальности результатов;
оценка корреляции между изменениями результатов измерений по каналам температуры, удельной электропроводности и потенциометрии. Если изменения результатов измерений по каналам потенциометрии сильно коррелированы друг с другом, но практически не коррелированы с изменениями температуры и удельной электропроводности, то это является признаком наличия внешнего электрического поля. Корреляционная матрица используется как для оценки интенсивности этого электрического поля, так и для коррекции результатов потенциометрии.

Изготовленный экземпляр устройства прошел лабораторные исследования и натурные испытания в скважинах различной конструкции. Метрологические исследования, проведенные в Поволжском центре стандартизации, метрологии и сертификации (г. Самара), показали, что устройство имеет следующие погрешности измерений: температуры - 0,01^oC в диапазоне 0...60^oC; гидростатического давления -0,15% (приведенная погрешность); удельной электропроводности -0,05 % на каждом из поддиапазонов 0,01...0,1 См/м; 0,1...1 См/м; 1...10 См/м; содержания растворенного кислорода - 0,3 мг/л в диапазоне 0...20 мг/л; Eh - 1 мВ в диапазоне -500...+1800 мВ; pH -0,05 ед.pH; активностей различных ионов - 0,05...0,1 лог.ед.

Лабораторные исследования помехозащищенности устройства показали, что коэффициент подавления внешнего электрического поля частотой 50 Гц составляет не менее 100 дБ по входному напряжению каналов потенциометрии, а поле постоянного тока в воде с напряженностью до 10 В/м вызывает погрешность потенциометрии, не превышающую 0,05 лог.ед.

Натурные испытания и производственная эксплуатация устройства на скважинах в Челябинской области показали, что по сравнению с известными устройствами для исследования вод в скважинах оно обладает существенно более высокой помехозащищенностью.

Предлагаемое устройство предназначено для исследований скважин путем гидрогеохимического каротажа, для экологического мониторинга подземных вод в скважинах, а также может быть использовано для исследований водной среды в открытых водоемах.

Использование: для дистанционного измерения параметров водной среды, в частности для измерения температуры, гидростатического давления, удельной электропроводности, водородного показателя рН, окислительно-восстановительного потенциала Eh, содержания растворенного кислорода и концентрации различных ионов водной среды в скважинах. Сущность изобретения: устройство содержит погружной зонд и наземный блок, соединенные каротажным кабелем. В наземный блок введен блок подавления помех, а в погружной зонд введены экранирующая бленда, внутри которой расположены датчики, причем окна в бленде для протока воды находятся вне области, в которой расположены чувствительные элементы потенциометрических датчиков. Конструкция экранирующей бленды обеспечивает подавление влияния как поперечной, так и продольной составляющих внешнего электрического поля, а в блоке подавления помех осуществляется цифровая фильтрация и корреляционный анализ измерительных сигналов всех измерительных каналов. Кроме того, при использовании двух однотипных потенциометрических датчиков различной длины выполняется обнаружение и оценка интенсивности внешнего электрического поля. Технический результат: повышение помехозащищенности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для исследования вод в скважинах, состоящее из погружного зонда, в корпусе которого находится передающий многоканальный преобразователь, одни входы которого подключены к выходам датчиков, другие входы - к выходам блока формирования тестов, а выход соединен со стабилизатором напряжения, наземного блока, содержащего источник тока, вход которого подключен к выходу блока питания, а выход - к входу приемного преобразователя, блок идентификации, вход которого подключен к выходу приемного преобразователя, вычислительное устройство, один вход которого соединен с выходом приемного преобразователя, другой - с выходом блока идентификации, а выход - с устройством индикации и регистрации, блок хранения параметров, соединенный с вычислительным устройством, одножильного каротажного кабеля, соединяющего стабилизатор напряжения погружного зонда с выходом стабилизатора тока наземного блока, отличающееся тем, что погружной блок имеет экранирующую бленду, внутри которой расположены датчики, причем окна в бленде для протока воды находятся вне области, в которой расположены чувствительные элементы потенциометрических датчиков, а наземный блок содержит блок подавления помех, вход которого подключен к выходу приемного преобразователя, а выход - к дополнительному входу вычислительного устройства. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем используется два однотипных потенциометрических датчика различной длины.