книги из ГПНТБ / Щербань, А. Н. Прогноз и регулирование теплового режима при бурении глубоких скважин

сокой температурой, на которую рассчитан его материал) мысленно представляется бесчисленное множество его релейных характеристик, лишь одна из которых, соответствующая значению измеряемой температуры, будет являться вольт-амперной характеристикой дат­ чика.

Работа устройства протекает в следующей последовательности. Источник напряжения Uх с помощью полупроводникового стаби­

чальный ток, предшествующий регулированию источника, уста­ навливается несколько большим горизонтальной полки граничной (по минимально измеряемой температуре) суммарной вольт-амперной характеристики датчика. С уменьшением тока питания датчика по соответствующей измеряемой релейной характеристике при достижении точки излома происходит линейное изменение напряже­ ния на клеммах датчика, импульс которого через емкость С1 приводит к включению триггера ТГ, нагруженного исполнительным реле Р. Срабатывание последнего приводит к отклонению (контактами 1Р)<

фиксируется положение указателя индикатора И П , разградуирован ного по температуре.

С целью повышения цены деления индикатора ИИ , улучшения удобств отсчета измеряемой температуры шкала его выполняется многодиапазонной; соответствующий диапазон выбирается посред­ ством тумблера-переключателя П2, обеспечивающего требуемуювеличину противотока, компенсирующего на ИП измерительный ток датчика предыдущей шкалы температур.

Для каждого повторного или последующего измерения с цельювосстановления начального тока, соответствующего горизонтальной полке характеристики, посредством переключателя реверсируется двигатель Д.

В связи с возможностью разделения характеристики туннель­ ных диодов Д І , шунтирующих термосопротивление RT по току релейного срабатывания, очевидна возможность установления ?г-го количества их па общей линии питания КС и легкость селективногоопроса информации каждого из них.

В этом случае ток питания линейного термосопротивления уста­ навливается неизменным. Следовательно, в зависимости от значения контролируемой температуры, т. е. величины линейного термосо­ противления, суммарная вольт-амперная характеристика в рас­ сматриваемом устройстве устанавливается автоматически, одновре­ менно обусловливая при определенных условиях одноразовое-

201

релейное изменение напряжения на клеммах туннельного диода. Если при этом в цепь последнего поместить накопитель реактивной энергии (например, индуктивность или емкость), то, очевидно,

.для любого положения суммарной вольт-амперной характеристики будет поддерживаться автоколебательный ре­

РАЗНОСТНЫЙ ТЕРМОМЕТР ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ НА БАЗЕ ДИСКРЕТНО ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫХ ДАТЧИКОВ

В отличие от обычного способа связи с датчиком, при котором питание им посылается с приемного пункта (дневной поверхности) постоянным током по отдельной паре проводов, в разработанном устройстве (рис. 55) напряжение на клеммах датчика (диагональ питания одинарного измерительного моста а — а") образуется путем выпрямления Д7 — Д8 прямоугольных импульсов высокой частоты (1 кГц); импульсы генерируются в линию питания ЛП магнитным мультивибратором ММ, установленным в блоке приемника П. Поскольку вторичная обмотка трансформатора питания ТрЗ галь­ ванически, не связана с линией питания ЛП, последняя в обратном направлении используется в качестве канала связи НС для передачи на приемник П (регистрирующий гальванометр PC) информации датчика Д-сигналов постоянного тока, снимаемых с измерительной диагонали одинарного моста б — 6'.

:202

торых выбирается достаточно большой для предотвращения потерь напряжения питания.

Габаритные размеры трансформаторов и емкостей, входящих в капал связи КС (линию питания ЛП), весьма миниатюрны в связи

Рис. 55. Принципиальная электрическая схема телеметрического термо­ метра:

М М — магнитный мультивибратор; Л П — НС — линия питания — канал связи; PC — регистрирующий гальванометр; Д — датчик; Л — приемник.

с высокой частотой питающего напряжения (для сердечников транс­ форматоров используются пермаллоевые кольца).

Применение магнитного мультивибратора М М в качестве блока питания позволило значительно снизить коэффициент пульсации выпрямленного напряжения в цепи датчика Д х. Другим ценным свойством магнитного мультивибратора является его предохра­ нительная функция, которая автоматически проявляется при ко­

203'

предотвращает выход из строя самого мультивибратора и элементов схемы.

Применяемый способ двухпроводной связи с датчиком постоян­ ного тока позволил заметно повысить к. и. д. (до 60—80%) всей схемы в целом (снижение потерь мощности в линии вследствие по­ нижения амплитуды прямоугольного напряжения). При этом одна и та же мощность питания датчика (Р = UI = const) передается меньшим током и потери в линии, равные Рл = ІД X Ял, снижаются,

что особенно важно при питании низкоомных датчиков.

Выходное напряжение магнитного мультивибратора на зажимах обмотки ТР2 практически не зависит от температуры окружающей среды и в очень малой степени зависит от нагрузки.

Датчик Д обеспечивает дискретно-непрерывное измерение темпе­ ратуры промывочной жидкости до и после забоя, селективно переда­ вая значение их по каналу связи КС на приемник П (для записи на двухдорожечном регистрирующем гальванометре PC). Частота опроса соответствующих термодатчиков RIO, R11, или, что то же, частота периодических переключений на них измерительного моста датчика RS, R9, R12 осуществляется контактными І Р 2 реле Р2 по селективному пусковому импульсу, подаваемому с приемника П. Совместно с реле Р2 в датчике установлено реле Р1 — «калибровка» (контакты 1 /4 , 2Р%), эпизодически обеспечивающее контроль не­ изменности питающего напряжения датчика, при котором произво­ дилась калибровка шкалы измерительного гальванометра PC. Контрольное напряжение снимается с калибровочного сопротивления R14 посредством контактов реле ІР і, 2РІ, переключающих канал связи с измерительной диагонали моста б — 6' на диагональ питания его а — а'. Реле Р і срабатывает по второму селективному импульсу, подаваемому с поверхности. В том случае, если напряжение на R14 окажется отличным от калибровочного, оно корректируется посред­ ством сопротивления R2. Возможность совмещения указанных функций в одной линии основана на сочетании тепловой инерции плечевых элементов измерительного моста датчика Д, допускающей производить (без ущерба для точности измерений) мгновенные изме­ нения его питающего напряжения, и неоднозначности релейных характеристик Р і и Р2, состоящей в том, что выходная координата реле может иметь два значения в некотором диапазоне изменений входной величины. Очевидно, что при срабатывании реле в точке а отключение его (возврат в исходное положение) произойдет при по­ даче на его обмотку меньшего сигнала управления. Исходное со­ стояние канала связи КС задается рабочим положением реле Р2: включен второй канал информации, передается показание второго термодатчика (R11, температуры промывочной жидкости за забоем скважины). Последующий мгновенный провал рабочего напряяіения обусловит возврат реле Р2 в исходное состояние, контактами его включается первый канал информации, наступает передача первого термодатчика (RIO, температуры промывочной жидкости до забоя скважины). При этом мгновенный всплеск рабочего напряжения

204

£/Ср1 > Uраб > и ср приводит к повторному включению Р2 и соот­ ветственно включению 2-го канала информации и т. д.

Реле Р 1 с целью осуществления контроля питающего напряжения

напряжения одновременно приведет к возврату в исходное положение двух реле Р1 и Р2, отключению соответственно цепи калибровки

Рис. 56. Схема расположения телеметрического термометра в бурильной ко­ лонне (а) и конструкция датчика (б).

1 — герметичный цилиндр; 2 — датчик температуры до забоя; 3 — датчик температуры после забоя; 4 — штуцер; 5, 13 — стержни крепления; в — корпус датчика; 7 — установочный вкладыш; S — эбонитовый футляр; в — колонна; 10 — распорные втулки; 11, 12 — гайки; 14 — эбонитовая колодка.

и калибровки, осуществляется с дневной поверхности посредством

дисковым коммутатором, управляемым электрическим приводом. На рис. 56, а представлен эскиз расположения термометра

в бурильной колонне.

Передающая часть устройства (датчик Д) размещена в полом герметичном цилиндре 1, устанавливаемом по оси колонны вблизи забоя посредством стержней крепления 5 и 13. Датчик температуры промывочной жидкости до забоя скв. 2 установлен в корпусе штуцера, герметизированном крышкой из высокотеплопроводного материала. Через внутреннюю полость штуцера термометр 2 соединен с измери­ тельной схемой датчика, расположенной в корпусе цилиндра 1. Датчик 3 температуры промывочной жидкости за забоем установлен

205

в эбонитовом футляре, герметизированном высокотеплопроводиой крышкой. Эбонитовый футляр служит термоизолятором между термоприемником 3 и теплопроводным массивом бурильной колонны.

Соединение термометра 3 с внутренней полостью цилиндра 1 аналогично соединению для термометра 2 и осуществляется через внутреннюю полость стержня крепления 5.

Термометры сопротивления 2 и 3 изготовлены из платиновой проволоки 0,05 мм.

На рис. 56, б представлен предполагаемый внешний вид и кон­ структивное исполнение термометра сопротивления.

ГЛУБИННЫЙ АВТОНОМНЫЙ РЕГИСТРАТОР ТЕМПЕРАТУРЫ ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ ГАРТ

Для создания надежной аппаратуры, способной производить измерения без помех для процесса бурения наиболее приемлемым является вариант полной автоматизации, т. е- исключения спе­ циальной связи с поверхностью. В связи с этим авторами разработан глубинный автономный прибор ГАРТ для измерения и регистрации температуры в бурящейся скважине одновременно внутри буриль­ ной колонны, межтрубном пространстве и в стенке бурильной колон­ ны непосредственно в процессе бурения или промывки. Прибор может быть использован в исследовательских целях в бурящихся скважинах диаметром 0,2—0,25 м, глубиной до 4500—5000 м при

1)глубинный автономный регистратор;

2)дешифратор для прочтения информации с магнитной про­ волоки;

3)электронный автоматический потенциометр типа ПС для записи термограмм;

4)переводники для крепления контейнера глубинного реги­ стратора к бурильным трубам.

Работа электронной схемы глубинного регистратора основана на амплитудно-фазовой модуляции сигналов датчиков температуры промывочной жидкости с их последующей фазо-импульсной регистра­ цией на магнитотвердой проволоке типа ЭИ-708А. Многоканальная регистрация трех измеренных сигналов на одном носителе информа­ ции осуществлена путем временного разделения каналов.

Регистратор полностью автономен, все элементы его (электронная схема, блок питания и система автоматического включения) монти­ руются внутри контейнера, выполненного из бурильных труб, а по­ этому, располагая его в составе бурильной колонны, можно реги­ стрировать температуру по стволу бурящейся скважины на разных глубинах.

В качестве чувствительных элементов в приборе установлены медные термометры сопротивления и датчик давления, выполненный

206

с датчиков температуры 1 и контрольных сопротивлений 2 че­ рез командный аппарат 3 (электромеханическое реле времени, состоящее из двигателя, редуктора и системы профильных кулач­ ков с микропереключателями) периодически в определенном порядке подается иа общую измерительную схему 4, представляющую собой неуравновешенный мост, питаемый генератором синусоидального напряжения 5. Напряжение генератора 5 поступает на вход пассив­ ного фазовращателя 7, выходное напряжение которого поворачи­ вается на 90° по отношению к входному напряжению. Напряжение с выхода измерительной схемы, пропорциональное измеряемой температуре, и напряжение фазовращателя поступают иа вход амплитудно-фазового модулятора 6, где они складываются.

Выходной сигнал с модулятора поступает в усилитель-преоб­ разователь 8, усиливающий напряжение модулятора и вырабаты­ вающий импульс положительной полярности в момент перехода синусоидального напряжения через пуль.

Для уменьшения влияния изменения фазовых характеристик усилителя на погрешность системы в устройстве предусматривается второй усилитель опорного канала 9, на вход которого подается напряжение с генератора 5, а на выходе вырабатываются положи­ тельные импульсы в моменты перехода синусоидального напряжения генератора. Выходные импульсы обоих усилителей, сдвинутые на фазу, пропорциональную измеряемой температуре, поступают иа раздельные входы триггера 10.

Выходпое напряжение триггера прямоугольной формы непо­ средственно подается на магнитную записывающую головку магни­ тофонного регистратора.

Таким образом, к измерительной схеме глубинного регистратора поочередно подключаются опорные сопротивления п измерительные термометры сопротивления, а на магнитной проволоке записываются импульсы прямоугольной формы, длительность которых пропор­ циональна измеряемым температурам.

Общая длительность непрерывной записи (без учета остановок регистратора) составляет не менее 1,5 ч. Питание осуществляется от автономных комплектов батарей (аккумуляторов) с номинальным напряжением (под нагрузкой) 12 и 24 В н емкостью, обеспечивающей непрерывную работу в течение 2 -ъ 4 ч.

Относительная погрешность измерения п регистрации темпера­ туры не превышает ±5% от верхнего предела измерения.

Расшифровка информации глубинного регистратора осуществ­ ляется на поверхности после его разборки и извлечения кассет с магнитной проволокой.

Поверхностный дешифратор имеет выход на электронный авто­ матический потенциометр для перезаписи информации, записанной в глубинном магнитофонном регистраторе, на бумажную диаграмм­ ную леиту.

Питание поверхностного дешифратора осуществляется от сети 220 В ± 10% с частотой 50 Гц.

210