СИСТЕМА ПИТАНИЯ СКВАЖИННОГО ПРИБОРА Российский патент 2007 года по МПК G05F1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к геофизике, а именно к системам энергоснабжения удаленных нагрузок, в частности к системам питания скважинных приборов, которые применяются при исследовании глубоких буровых скважин, например геологоразведочных или эксплуатационных, для добычи нефти, газа.

Предлагаемая система питания скважинного прибора может быть использована для снабжения электроэнергией как одного скважинного прибора, так и группы параллельно соединенных скважинных приборов, регламентируемым параметром питания которых является их входное напряжение. Ее можно также использовать и для других аналогичных удаленных нагрузок, соединенных с источником постоянного тока кабелем для электрокаротажа длиной до 9 км.

Уровень техники

Как известно, вследствие большой протяженности кабеля, соединяющего скважинный прибор с источником питания, в системах питания скважинных приборов возникает проблема стабилизации напряжения на входе прибора, поскольку кабель имеет значительное электрическое сопротивление. Проблема стабилизации напряжения на входе прибора также связана с тем, что в системах питания используется кабель для электрокаротажа различной номенклатуры, имеющей разную величину сопротивления кабеля. Кроме того, сопротивление кабеля существенно зависит от его рабочей температуры или от температуры окружающей среды. Напряжение на входе скважинного прибора изменяется как при изменении сопротивления кабеля, так и при изменении мощности, потребляемой скважинным прибором.

Известна система питания скважинного прибора (US Patent 5550411), содержащая регулируемый источник питания постоянного тока, который связан со скважинным прибором кабелем для электрокаротажа, два проводника которого электрически связаны каждый с одного конца с соответствующей входной клеммой скважинного прибора, а с другого - с соответствующей выходной клеммой источника питания постоянного тока, и устройство регулирования напряжения, электрически связанное с источником питания и со скважинным прибором.

В этой системе в качестве устройства регулирования напряжения использован шунтирующий регулятор напряжения, обеспечивающий стабилизацию напряжения на входе одной из частей скважинного прибора, который используется для визуального исследования скважины. Стабилизация напряжения обеспечивается только для электронной части прибора путем установки шунтирующего регулятора напряжения по существу в корпус скважинного прибора.

Размещение устройства регулирования напряжения по существу в корпусе скважинного прибора, предназначенного для размещения в скважине, приводит к повышению расхода мощности наземного источника питания, по меньшей мере, в два раза.

Это приводит также к повышенному тепловыделению внутри скважинного прибора, что существенно снижает надежность работы скважинного прибора.

Известны также системы питания скважинного прибора, в которых в качестве устройства регулирования напряжения использованы наземные автоматические устройства с обратной связью, в которых отклонение напряжения на входе скважинного прибора от эталонного (заданного) значения передаются обратно на один из блоков устройства для восстановления эталонного значения.

Известна система питания скважинного прибора (US Patent 5508603), в которой источник питания постоянного тока связан со скважинным прибором кабелем для электрокаротажа, два проводника которого электрически связаны каждый с одного конца с соответствующей входной клеммой скважинного прибора, а с другого - с соответствующей выходной клеммой источника питания постоянного тока и которая имеет устройство регулирования напряжения с задатчиком напряжения и вычислителем, два входа и выход которого электрически связаны со входом и выходными клеммами источника питания постоянного тока, и к одному входу которого подключен выход задатчика напряжения.

В этой системе питания в устройстве регулирования напряжения в качестве вычислителя использован аналоговый вычислитель, в частности компаратор, а в качестве задатчика напряжения используется, например потенциометр. Эта система питания скважинного прибора содержит еще два проводника кабеля, каждый из которых подключен с одного конца к соответствующей входной клемме скважинного прибора, а с другого - к мосту коррекции полярности напряжения устройства регулирования напряжения. Выход моста подключен к соответствующему входу вычислителя и электрически связан с входом источника питания постоянного тока.

Наличие обратной связи компенсирует влияние, вносимое только сопротивлением каротажного кабеля. Влияние, вносимое изменением мощности, потребляемой скважинным прибором, в данной системе не компенсируется. В результате работоспособность скважинного прибора при резких изменениях потребляемой им мощности не может быть гарантирована.

Наличие двух дополнительных проводников кабеля для электрокаротажа, занятых для передачи информации о фактическом напряжении на входе скважинного прибора, накладывает дополнительные ограничения на тип используемого кабеля (на количество его жил). В частности, в данной системе невозможно использовать одножильный кабель. В случае же использования многожильного кабеля, как минимум четыре его проводника будут заняты для обеспечения функции стабилизации напряжения на входе скважинного прибора.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения поставлена задача создать систему питания скважинного прибора с таким устройством регулирования напряжения, которое обеспечивало бы стабилизацию напряжения на выходе каротажного кабеля любой номенклатуры, в том числе одножильного, и одновременно повысило бы надежность работы скважинного прибора.

Поставленная задача решена тем, что в системе питания скважинного прибора, в которой источник питания постоянного тока связан со скважинным прибором кабелем для электрокаротажа, два проводника которого электрически связаны каждый с одного конца с соответствующей входной клеммой скважинного прибора, а с другого - с соответствующей выходной клеммой источника питания постоянного тока и которая имеет устройство регулирования напряжения с задатчиком напряжения и вычислителем, выходы которых электрически связаны со входом источника питания постоянного тока, согласно изобретению в качестве устройства регулирования напряжения использовано устройство регулирования напряжения с программным управлением, в котором задатчик напряжения имеет четыре входа, один из которых является управляющим, вычислитель имеет три входа, один из которых является управляющим, и выход вычислителя электрически связан со входом источника питания через задатчик напряжения, выход которого непосредственно подключен к входу источника питания, к одному входу которого подключен выход вычислителя, и которое содержит блок управления, имеющий управляющий вход и два выхода, один из которых подключен к управляющему входу задатчика напряжения, а другой - к управляющему входу вычислителя, два преобразователя аналогового сигнала в цифровую форму, каждый из которых имеет вход и выход, подключенный к соответствующему входу задатчика напряжения и вычислителя, измеритель напряжения, клеммы которого подключены по существу к выходным клеммам источника питания, а выход - к входу одного преобразователя аналогового сигнала, и измеритель тока, клеммы которого включены между одной выходной клеммой источника питания и соответствующим проводником кабеля, а выход - к входу другого преобразователя аналогового сигнала.

Целесообразно, чтобы в системе питания скважинного прибора при использовании скважинного прибора, содержащего на своем входе емкостную нагрузку, задатчик напряжения имел дополнительный вход, а вычислитель дополнительный выход, который подключен к дополнительному входу задатчика напряжения.

Таким образом, использование в предлагаемой системе питания скважинного прибора устройства регулирования напряжения с программным управлением позволяет расширить номенклатуру используемых каротажных кабелей, так как обеспечивает стабилизацию напряжения на выходе каротажного кабеля любой номенклатуры, в том числе одножильного. Это одновременно повышает надежность работы скважинного прибора.

Использование устройства с программным управлением позволяет учитывать в используемых программах различные факторы, в частности, изменяющиеся в процессе работы скважинного прибора (изменение сопротивления каротажного кабеля, изменение мощности, потребляемой скважинным прибором), позволяющие обеспечить поддержание на входе скважинного прибора заданного напряжения, необходимо для стабильной его работы.

Увеличение количества доступных для других целей жил кабеля в свою очередь приводит к увеличению функций, выполняемых скважинным прибором, и позволяет увеличить количество скважинных приборов в группе и, следовательно, достоверности измерений.

Большим преимуществом предлагаемой системы питания является повышение надежности работы скважинного прибора, в частности за счет отсутствия самовозбуждения.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется подробным описанием вариантов его осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг.1 - блок-схема предлагаемой системы питания скважинного прибора.

Фиг.2 - блок-схема другого варианта системы питания скважинного прибора, учитывающая как сопротивление проводников каротажного кабеля, так и входную емкость скважинного прибора.

Осуществление изобретения

Предлагаемая система питания скважинного прибора может быть использована для подвода электроэнергии как к одному скважинному прибору 1 (фиг.1), предназначенному для размещения в буровой скважине, так и к группе от двух до пяти и более скважинных приборов, входы которых соединены параллельно. Необходимым условием применимости предлагаемой системы является использование скважинных приборов, характеризующихся относительно малым потреблением тока (в частности, не более 1% от номинального потребляемого тока) от источника питания при напряжениях на его входе меньше нормированного (для данного скважинного прибора) порогового уровня.

Эта система содержит регулируемый источник 2 питания постоянного тока, выходное напряжение которого может устанавливаться на уровне от 10 Вольт до 1000 Вольт. Источник 2 питания постоянного тока, являющийся наземным оборудованием системы питания скважинного прибора, связан со скважинным прибором 1 посредством кабеля 3 для электрокаротажа. Два проводника 4 и 5 кабеля 3 электрически связаны каждый с одного конца с соответствующей входной клеммой 6, 7 скважинного прибора 1, а с другого - с соответствующей выходной клеммой 8, 9 источника 2 питания постоянного тока.

В качестве кабеля 3 в предлагаемой системе может использоваться любой известный кабель для электрокаротажа с количеством проводников от двух до восьми и более. Это соответствует количеству внутренних жил кабеля от одной до семи и более. Одним из проводников может служить экран (оплетка) кабеля для электрокаротажа. На чертеже изображен кабель 3 с двумя проводниками 4 и 5. Длина кабеля 3, соединяющего скважинный прибор 1, размещенный в скважине, определяется глубиной скважины, на которой установлен скважинный прибор 1, и может достигать 9 км.

Система питания скважинного прибора включает также устройство 10 регулирования напряжения. В предлагаемой системе в качестве устройства 10 регулирования напряжения использовано устройство регулирования напряжения с программным управлением. Устройство 10 содержит задатчик 11 напряжения, определяющий значение требуемого выходного напряжения источника 2 питания постоянного тока, то есть напряжения на клеммах 8, 9. В качестве задатчика 11 напряжения используется любой известный, например, восьмиразрядный микроконтроллер. Выход 12 задатчика 11 подключен к входу 13 источника 2 питания постоянного тока. Задатчик 11 напряжения имеет четыре входа 14, 15, 16, 17, один вход 17 из которых является управляющим.

Устройство 10 регулирования напряжения содержит вычислитель 18, выход 19 которого подключен к входу 16 задатчика 11 напряжения. Вычислитель 18 имеет три входа 20, 21, 22, один вход 22 из которых является управляющим, В качестве вычислителя 18 используется любой известный, например восьмиразрядный, микроконтроллер.

Вычислитель 18 предназначен для выполнения следующих функций: для формирования импульса напряжения, используемого для тестирования параметров нагрузки, подключенной к выходным клеммам 8, 9 источника 2 постоянного тока. Нагрузкой в представленной на фиг.1 системе является кабель 3 и скважинный прибор 1, условно изображенный на чертеже в виде сопротивления R; для регистрации последовательности значений выходного напряжения и тока источника 2 питания постоянного тока в течение действия тестового импульса напряжения; для вычисления значения сопротивления проводников 4, 5 кабеля 3; для формирования выходного управляющего кода, зависящего от сопротивления проводников 4, 5 кабеля.

Устройство 10 регулирования напряжения содержит блок 23 управления, который предназначен для выполнения последовательности операций задатчика 11 напряжения и вычислителя 18 по заранее заданной программе. В качестве блока 23 управления используется любой известный, например, восьмиразрядный микроконтроллер. Он имеет управляющий вход 24, на который поступает команда на запуск соответствующей программы, и два выхода 25 и 26.

Выход 25 блока 23 управления подключен к управляющему входу 22 вычислителя 18. Выход 26 блока 23 управления подключен к управляющему входу 17 задатчика 11 напряжения.

Устройство 10 регулирования напряжения содержит два преобразователя 27, 28 аналогового сигнала в цифровую форму. В качестве преобразователей 27 и 28 используется любой известный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с разрядностью, например, 12 бит и временем преобразования, например, 1 мсек. Выход 29 преобразователя 27 подключен к входу 14 задатчика 11 напряжения и входу 21 вычислителя 18. Выход 30 преобразователя 28 подключен к входу 15 задатчика 11 напряжения и входу 20 вычислителя 18.

Устройство 10 регулирования напряжения содержит также измеритель 31 напряжения, клеммы 32, 33 которого подключены по существу к выходным клеммам соответственно 8, 9 источника 2 питания постоянного тока, а выход 34 - к входу 35 одного преобразователя 28. В качестве измерителя 31 напряжения может быть использована любая известная аналоговая схема на базе операционного усилителя.

Устройство 10 регулирования напряжения содержит также измеритель 36 тока, клеммы 37, 38 которого включены между одной выходной клеммой 9 источника 2 питания постоянного тока и одним проводником 5 кабеля 3. Выход 39 измерителя 36 тока подключен к входу 40 другого преобразователя 36 аналогового сигнала. В качестве измерителя 36 тока может быть использован любой известный датчик тока на базе, например, малоомного резистора и любая известная аналоговая схема, например, на базе операционного усилителя.

Такая система питания позволяет обеспечить стабилизацию напряжения на выходе каротажного кабеля при использовании по меньшей мере двух проводников 4, 5 кабеля 3. Это обеспечивается за счет вычисления параметров нагрузки, а именно, сопротивления проводников 4, 5 кабеля 3 по заданной программе. Выходное напряжение источника 2 питания задается по следующей формуле 1, которая представлена ниже:

где Uout - значение напряжения на выходе источника питания,

Ureg - значение напряжения, которое необходимо обеспечить на входе скважинного прибора,

Iout - значение выходного тока источника питания,

Rcab - значение сопротивления проводников кабеля.

В большинстве случаев на входе скважинного прибора устанавливается электрическая емкость, обычно используемая для сглаживания пульсаций питающего напряжения и фильтрации собственных высокочастотных помех. В этом случае для обеспечения стабилизации напряжения на входе скважинного прибора используется система питания, блок-схема которой приведена на фиг.2.

Этот вариант блок-схемы системы питания скважинного прибора 41 (фиг.2) с емкостной нагрузкой С подобен блок-схеме системы питания скважинного прибора 1, представленной на фиг.1, за исключением того, что в устройстве 10 регулирования напряжения задатчик 42 напряжения имеет дополнительно вход 43, а вычислитель 44 - дополнительно выход 45, который подключен к входу 43 задатчика 42 напряжения.

Такая система позволяет обеспечить стабилизацию напряжения на выходе кабеля 3 при использовании по меньшей мере двух проводников кабеля для электрокаротажа. Это обеспечивается за счет вычисления параметров нагрузки скважинного прибора 41, включающей сопротивление проводников каротажного кабеля 3 и емкостной нагрузки С на входе скважинного прибора 41 по заранее заданной программе. Выходное напряжение источника 2 питания задается по формуле 2, которая представлена ниже:

гдеUout - значение напряжения на выходе источника питания,

Ureg - значение напряжения, которое необходимо обеспечить на входе скважинного прибора,

Iout - значение выходного тока источника питания,

Rcab - значение сопротивления проводников кабеля,

Cprib - значение емкости на входе скважинного прибора,

- скорость изменения напряжения на выходе источника питания,

- скорость изменения выходного тока источника питания.

Предлагаемая система питания скважинного прибора работает следующим образом. При включении системы по сигналу, который подается на управляющий вход 24 (фиг.1) блока 23 управления, запускается заданная программа работы устройства 10 регулирования напряжения. При этом постоянно в течение всего времени работы системы измеритель 31 напряжения измеряет напряжение на клеммах 8, 9 источника 2, значение которого с выхода 34 подается на вход 35 преобразователя 28, где преобразуется в цифровой код и затем поступает на вход 15 задатчика 11 напряжения и на вход 20 вычислителя 18. Одновременно измеритель 36 тока измеряет ток, протекающий через клемму 9 источника 2 питания по проводнику 5 кабеля, значение которого с выхода 39 подается на вход 40 преобразователя 27, где преобразуется в цифровой код, который поступает на вход 14 задатчика 11 напряжения и на вход 21 вычислителя 18.

Работа системы происходит в два этапа. На первом этапе с выхода 26 (фиг.1) блока 23 управления на управляющий вход 14 задатчика 11 напряжения поступает команда на формирование тестового импульса напряжения. Одновременно с выхода 25 блока 23 управления на управляющий вход 22 вычислителя 18 поступает команда на регистрацию последовательности значений выходного напряжения и тока источника 2 в течение действия тестового импульса напряжения.

Задатчик 11 напряжения формирует тестовый импульс напряжения.

Вычислитель 18 производит регистрацию последовательности значений выходного напряжения и тока источника 2 в течение действия тестового импульса напряжения. По завершении действия тестового импульса напряжения блок 23 управления подает на вход 22 вычислителя 18 команду произвести расчет значения сопротивления проводников 4,5 кабеля 3 и подать это значение на вход 16 задатчика 11 напряжения.

Длительность и форма тестового импульса напряжения может быть достаточно произвольной. Необходимо лишь, чтобы максимальное (пиковое) напряжение тестового импульса не превышало напряжения, при котором скважинный прибор 1 начинает потреблять ток из кабеля 3.

Таким образом, регистрация последовательности значений выходного тока и напряжения позволяет определить с высокой точностью значение сопротивления проводников 4, 5 кабеля 3.

На втором этапе по вычисленному значению сопротивления проводников 4, 5 кабеля 3 производится вычисление напряжения на выходе кабеля 3 или напряжения на входных клеммах 6, 7 скважинного прибора 1 по формуле 1.

Сначала с выхода 26 блока 23 управления на вход 17 задатчика 11 подается значение требуемого напряжения на входных клеммах 6, 7 скважинного прибора 1.

Затем с выхода 26 блока 23 управления на вход 17 задатчика 11 поступает команда начать регулирование напряжения источника 2, обеспечивающее стабилизацию напряжения на входных клеммах 6, 7 скважинного прибора 1, то есть поддержание требуемого значения.

Задатчик 11 напряжения обеспечивает регулирование напряжения на входе скважинного прибора 1 с учетом следующих параметров: требуемого значения напряжения на входных клеммах 6, 7 скважинного прибора 1, выходного напряжения источника 2, выходного тока источника 2, скорости изменения напряжения на выходе источника 2, скорости изменения тока на выходе источника 2 питания, сопротивления проводников 4, 5 каротажного кабеля 3. Учет этих параметров позволяет производить вычисление требуемого напряжения на выходе каротажного кабеля 3 и обеспечивать поддержание этого значения напряжение на входных клеммах 6, 7 скважинного прибора 1 в течение всего времени его работы.

Работа системы питания, представленной на фиг.2, по существу аналогична работе системе питания, представленной на фиг.1, за исключением того, что по завершению действия тестового импульса напряжения блок 23 управления подает на вход 22 вычислителя 44 команду произвести расчет значения сопротивления проводников 4, 5 кабеля 3 и емкости С на входных клеммах 6, 7 скважинного прибора 41 и подать эти значения с выходов 19 и 45 соответственно на входы 16 и 43 задатчика 42 напряжения. Задатчик 42 напряжения обеспечивает регулирование напряжения на входных клеммах 6, 7 скважинного прибора 41 с учетом следующих параметров: требуемого значения напряжение на входных клеммах 6, 7 скважинного прибора 41, выходного напряжения источника 2, выходного тока источника 2, скорости изменения напряжения на выходе источника 2, скорости изменения тока на выходе источника 2 питания, сопротивления проводников каротажного кабеля 3 и емкости С на входе скважинного прибора 41. Учет этих параметров позволяет производить с достаточной для нормальной работы скважинного прибора точностью вычисление требуемого напряжения на выходе каротажного кабеля 3 и обеспечивать поддержание этого значения напряжение на входных клеммах 6, 7 скважинного прибора 41 в течение всего времени его работы.

Использование: в геофизике при исследовании глубоких буровых скважин. Технический результат заключается в стабилизации напряжения на выходе кабеля любой номенклатуры с одновременным повышением надежности работы скважинного прибора. Система питания скважинного прибора содержит источник питания постоянного тока, кабель для электрокаротажа, имеющий два проводника, каждый из которых с одного конца электрически связан с соответствующей входной клеммой скважинного прибора, а с другого - с соответствующей выходной клеммой источника постоянного тока, и устройство регулирования напряжения с программным управлением. Устройство регулирования включает задатчик напряжения, выход которого подключен к входу источника постоянного тока, вычислитель, выход которого подключен к одному входу задатчика напряжения, блок управления, имеющий управляющий вход и два выхода, один из которых подключен к управляющиму входу задатчика напряжения, а другой - к управляющиму входу вычислителя, два преобразователя аналогового сигнала в цифровую форму, выход каждого из которых подключен к соответствующим входам задатчика напряжения и вычислителя, измеритель напряжения, клеммы которого подключены по существу к выходным клеммам источника питания, а выход - к входу одного преобразователя аналогового сигнала, измеритель тока, клеммы которого включены между одной выходной клеммой источника питания и соответствующим проводником кабеля, а выход - к входу другого преобразователя аналогового сигнала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система питания скважинного прибора, в которой источник питания постоянного тока связан со скважинным прибором кабелем для электрокаротажа, два проводника которого электрически связаны каждый с одного конца с соответствующей входной клеммой скважинного прибора, а с другого - с соответствующей выходной клеммой источника питания постоянного тока, и которая имеет устройство регулирования напряжения с задатчиком напряжения и вычислителем, выходы которых электрически связаны со входом источника питания постоянного тока, отличающаяся тем, что в качестве устройства регулирования напряжения использовано устройство регулирования напряжения с программным управлением, в котором задатчик напряжения имеет четыре входа, один из которых является управляющим, вычислитель имеет три входа, один из которых является управляющим, и выход вычислителя электрически связан со входом источника питания через задатчик напряжения, выход которого непосредственно подключен к входу источника питания, а к одному входу которого подключен выход вычислителя, и которое содержит блок управления, имеющий управляющий вход и два выхода, один из которых подключен к управляющему входу задатчика напряжения, а другой - к управляющему входу вычислителя, два преобразователя аналогового сигнала в цифровую форму, каждый из которых имеет вход и выход, подключенный к соответствующему входу задатчика напряжения и вычислителя, измеритель напряжения, клеммы которого подключены, по существу, к выходным клеммам источника питания, а выход - к входу одного преобразователя аналогового сигнала, и измеритель тока, клеммы которого включены между одной выходной клеммой источника питания и соответствующим проводником кабеля, а выход - к входу другого преобразователя аналогового сигнала.2. Система питания скважинного прибора по п.1, в которой при использовании скважинного прибора, содержащего на своем входе емкостную нагрузку, задатчик напряжения имеет дополнительный вход, а вычислитель - дополнительный выход, который подключен к дополнительному входу задатчика напряжения.