автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительные системы для исследования скважин на основе тензорезистивных преобразователей

%у к/ / /и \/

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи КРАСНОВ АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН НА ОСНОВЕ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (развитие теории, разработка)

Специальность 05.11Л6 - информационно-измерительные

системы (в промышленности)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

г%/ 1

Научный руководитель доктор технических наук профессор Коловертнов Ю.Д.

Научный консультант канд. техн. наук, доцент Ишинбаев H.A.

Пенза -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИИ 3

ВВЕДЕНИЕ 5 ГЛАВА 1. АКТУАЛЬНОСТЬ РАЗРАБОТКИ ИИС ДЛЯ

ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СКВАЖИН 15

1.1. Положение дел и перспективы развития геофизического приборостроения 15

1.2. Нефтяные и газовые скважины как объекты контроля и управления 19

1.3. Требования, предъявляемые к ИК ИИС для исследования 28 скважин

1.4. Анализ устройств и способов измерения, используемых в

ИИС для исследования скважин 31

Выводы по главе 1 44

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ ИИС 46

2.1. Выбор математической модели измерительного канала 46

2.2. Критерии оптимальности измерительных каналов 52

2.3. Варианты реализации измерительных каналов 59 Выводы по главе 2 84

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ 86 И ТЕМПЕРАТУРЫ

3.1. Основные источники погрешностей 86

3.2. Численное моделирование процесса градуировки 90

3.3. Погрешности, возникающие при вычислениях 97

3.4. Влияние погрешности АЦП 101

3.5. Результирующая погрешность измерения и пути ее 105 уменьшения

Выводы по главе 3 108

ГЛАВА 4. СТАЦИОНАРНАЯ ИНФОРМАЦИОННО- 110 ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЗНАЧЕНИЙ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ В СКВАЖИНЕ В СИСТЕМУ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

4.1. Назначение и состав СИИС 110

4.2. Глубинный прибор СИИС 112

4.3. Блок сопряжения СИИС 117

4.4. Основные технические характеристики СИИС 121 Выводы по главе 4 124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 125

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 127

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 141

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 148

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 152

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 156

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ТР - тензорезистор; ГП - глубинный прибор ИИС; ТП - тензопреобразователь; ТД - тензодатчик;

ППД - первичный преобразователь давления;

КНС - "кремний на сапфире";

ТКС - температурный коэффициент сопротивления;

ПЧЭ - полупроводниковый чувствительный элемент;

ИС - измерительные системы;

ИУ - измерительные устройства;

АЦП - аналого-цифровое преобразователь;

НА - наземная аппаратура ИИС;

ИВ - источник воздействия;

ИТ - источник тока;

ИК - измерительный канал;

ИИС - информационно-измерительная система;

СИИС - стационарная информационно-измерительная система;

Л С - линия связи;

К АЦП - контроллер (микропроцессор), управляющий работой АЦП; КИНГ - контроллер (микропроцессор) интерфейса; ОЭР - оптоэлектронная развязка; ЭЗУ - энергонезависимое запоминающее устройство; ТКЧ - температурный коэффициент чувствительности; КВС - коммутатор выходных сигналов ППД; ДУ - дифференциальный усилитель;

ИОН - источник опорного напряжения;

МП - микропроцессор;

МК - микроконтроллер;

ПЭВМ - персональная ЭВМ;

ИВУ - измерительно-вычислительное устройство;

БС - блок сопряжения;

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Необходимость поддержания требуемых объемов добычи нефти и газа, приводит к тому, что поисковые работы приходится проводить в отдаленных труднодоступных районах, причем на больших глубинах. Требования производства при увеличивающейся глубине поиска, детальности исследований уже эксплуатируемых месторождений нефти и газа делают просто необходимым дальнейшее развитие методов и аппаратуры для исследования нефтегазовых скважин.

В настоящее время разработаны и серийно выпускаются приборы различного назначения и конструкции, постоянно повышается их технический уровень, расширяются функциональные возможности. Следует отметить, что потребность в отдельных видах скважинных геофизических приборов покрывается не более, чем на 30%.

Существенным недостатком, используемой аппаратуры является то, что существующие устройства в основном представляют собой автономные приборы, рассчитанные на измерение какого-либо одного параметра. В настоящее время контроль за разработкой месторождений ведется точечно, периодически, что весьма дорого и далеко не всегда возможно, а также не дает возможности вести постоянный контроль за разработкой нефтегазового месторождения .

Таким образом, при исследовании скважин, контроле за работой глубинного нефтепромыслового оборудования и обеспечении оптимального режима работы нефтегазового месторождения возникает специфическая задача, связанная с организацией измерения скважинных параметров на постоянной основе .

Одним из путей решения этой задачи является использование стационарной информационно-измерительной системы (СИИС),

позволяющей получать комплексную измерительную информацию на постоянной и долговременной основе, что значительно ускоряет процесс проведения исследования скважин и позволяет организовать оптимальным образом процесс разработки нефтегазового месторождения.

В настоящее время в промышленности большое применение находят тензорезистивные первичные преобразователи давления (ППД) типа кремний на сапфире (КНС), в первую очередь, из-за их высоких метрологических характеристик, возможности одновременного измерения нескольких физических величин.

В связи с этим представляется целесообразным проведение исследований, направленных на разработку стационарных информационно-измерительных систем, позволяющих проводить совокупные измерения ряда параметров, в которых максимально использовались бы функциональные возможности существующих тензорезистивных ППД .

Однако методика разработки таких информационно-измерительных систем, по критерию минимальной погрешности результатов измерения давления и температуры, отсутствует.

Таким образом, создание методики разработки СИИС с измерительными каналами (ИК) на основе тензорезистивного датчика типа КНС и разработка на ее основе аппаратуры, позволяющей проводить комплексные измерения, способной длительное время работать в тяжелых условиях, является актуальной задачей, которая в целом пока еще не решена.

Данная работа проводилась в соответствии с договорами, заключенными в 1994 - 1998 г.г. с предприятиями "Уренгойгазпром", "Ямбурггаздобыча", АНК "Башнефть" и АО "Татнефть" хозрасчетной научно-исследовательской лабораторией "ИИС" кафедры АНН УГНТУ.

Целью работы является разработка и исследование СИИС для измерения давления Р и температуры Т в скважине на основе анализа схем включения тензорезистивного ПП Д.

Для достижения указанной цели решены следующие основные задачи:

1) Проведен сравнительный анализ известных методов и средств измерения геофизических параметров в скважине;

2) Исследованы основные варианты схем включения тензорезистивного датчика и выбраны оптимальные по критерию минимальной погрешности результатов измерения давления и температуры;

3) Разработаны дистанционные способы измерения давления и температуры в скважине одним датчиком;

4) Исследованы основные составляющие погрешности при измерении давления и температуры с помощью тензорезистивного датчика;

5) Разработаны, изготовлены и внедрены устройства для измерения давления и температуры в скважине.

Методы исследования базируются на теории электрических цепей, теории вероятности и математической статистике, теории решения нелинейных алгебраических систем уравнений, ее вычислительных аспектов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Определена методика разработки СИИС с ИК на основе тензорезистивного датчика типа КНС по критерию минимальной погрешности результатов измерения давления и температуры;

2) Анализ неопределенности результата решения (обусловленности) систем уравнений, описывающих измерительные каналы, основных вариантов СИИС с ИК на основе тензорезистивного датчика;

3) Систематизированы основные варианты реализации измерительных каналов и измерительных схем СИИС на основе тензорезистивного датчика типа КНС;

4) Предложены способы измерения давления и температуры одним датчиком, заключающиеся в реализации двух измерительных каналов на основе различных схем включения датчика с последующей алгоритмической обработкой;

5) Исследованы основные метрологические характеристики разработанных СИИС.

Практическая ценность

1. Создано программное обеспечение для анализа обусловленности систем уравнений, описывающих СИИС и для имитационного моделирования при исследовании тензорезистивного ППД.

2. Разработаны рекомендации по выбору технических средств, используемых в процессе градуировки, а также программного обеспечения и аналого-цифрового преобразования;

3. Предложены устройства для измерения давления Р и температуры Т в скважине одним датчиком: патенты на изобретение РФ № 2091578, № 2118802, № 2096609.

4. Внедрена СИИС для исследования скважин с подключением в линию телемеханики на нефтегазовых промыслах предприятий "Уренгойгазпром", "Ямбурггаздобыча", и АО "Татнефть" .

Результаты научных исследований используются в учебном процессе

и нашли отражение в учебном пособии "Методы и средства измерений" (1996 г.).

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 20 печатных работ, из которых одно учебное пособие, 6 статей, 3 патента РФ на изобретение.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

-Всероссийская н.-т. конф. "Проблемы нефтегазового комплекса России" (Уфа, УГНТУ, 1995 г.);

-ХХХХУП н.-т. конф. ст-тов, асп-тов и молод, ученых УГНТУ (Уфа, 1996); -Всероссийская н.-т. конф. молод, ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности", Москва, РАО "ГАЗПРОМ" и ГАНГ им. И.М.Губкина, 1996.

-48 н.-т. конф ст-тов, асп-тов и молод, ученых УГНТУ (Уфа, 1997); -2-я н.-т. конф. "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" (Москва, ГАНГ им. Губкина, 1997 г.); -X Юбилейная международная н.-т. конф. (Москва, МГИЭМ, 1998г.); -Международная н.-т. конф., посвященная 50-летию УГНТУ "Проблемы нефтегазового комплекса России" (Уфа, УГНТУ, 1998г.);

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из перечня сокращений, введения, четырех глав основного материала, заключения, списка литературы, включающего 141 наименование и 4 приложений. Общий объем работы составляет 140 страниц, в том числе 27 рисунков, 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи, дана общая характеристика выполненной работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор состояния проблемы обеспечения нефтегазовой промышленности измерительной аппаратурой. Проанализирована взаимосвязь применяемых методов и возможностей измерительной аппаратуры в зависимости от способа эксплуатации скважин, ожидаемой пластовой температуры, наличия или отсутствия химически агрессивной среды. Определены требования, предъявляемые к аппаратуре для исследования скважин, в современных условиях. Исходя из поставленных требований проведен сравнительный анализ методов и

средств, используемых для исследования скважин.

>

В ходе анализа выявлена актуальность проведения работ по созданию стационарных информационно-измерительных систем (СИИС), позволяющих проводить совокупные измерения ряда параметров, в которых максимально используются функциональные возможности существующих тензорезистивных датчиков, а также методики разработки таких информационно-измерительных систем по критерию минимальной погрешности результатов измерения давления и температуры.

Вторая глава посвящена исследованию измерительных каналов ИИС на основе тензорезистивного датчика. Рассмотрены вопросы моделирования и определены критерии оптимальности измерительного канала. Проведен анализ основных вариантов реализации измерительных каналов.

Предложена классификация измерительных схем ИИС в зависимости от значения ожидаемой погрешности. Даны рекомендации по выбору оптимальных вариантов ИИС для измерения давления и температуры в скважине на основе многофункциональных тензодатчиков типа КНС.

При проведении совокупных измерений необходимо решить следующие задачи:

• определить все возможные варианты реализации измерительных каналов;

• провести математическое моделирование измерительного канала;

• провести исследование измеримости;

• определить условия, при которых погрешность измерения будет минимальной;

Измерительные каналы могут быть реализованы на основе различных схем включения тензорезистивного датчика. В связи с этим возникает задача выявления основных вариантов схем включения тензорезистивного датчика. Выявлено, что для тензорезистивного датчика в общей сложности можно реализовать семь измерительных каналов.

Поскольку для совокупных измерений давления и температуры необходимо организовать два измерительных канала, то на основе семи схем включения тензорезистивного датчика число возможных вариантов измерительных схем СИИС составит 21.

Выбор математической модели является одним из ключевых этапов разработки информационно-измерительной системы.

Установлено, что наиболее адекватной функцией, описывающей тензодатчик, является полином второго порядка от двух переменных давления Р и температуры Т.

При этом выражения для выходных сигналов (напряжений) ИК, могут быть представлены следующим образом:

и1=а1+а2Р+азТ+а4РТ+а5Р2+абТ2; 112= Ь1+Ь2Р+ЬзТ+Ь4РТ+Ь5Р2+ЬбТ2,

где а I и Ъ [ - коэффициенты, определяемые на основе экспериментальных данных; Ш - напряжение на тензорезисторе, имеющего положительный коэффициент тензочувствитель ности; 112 - напряжение на тензорезисторе, имеющего отрицательный коэффициент

тензочувствительности.

Следующий вопрос, который требует исследования - измеряемость давления и температуры, то есть определение возможности совокупных измерений давления и температуры с помощью двух конкретных измерительных каналов. Для этого проводилось исследование якобиана систем уравнений измерительных каналов /для всех вариантов измерительных схем.

Анализ полученных вариантов схем показал, что для четырех из них не выполняются условия измеримости .' Следовательно, дальнейшему исследованию подлежат только семнадцать оставшихся вариантов измерительных схем.

Полученные варианты измерительных схем отличаются по точности результата измерения давления и температуры, более того, из-за погрешностей, возникающих при градуировке, в процессе аналого-цифрового преобразования может возникнуть ситуация, когда функциональный определитель системы уравнений, описывающих измерительные каналы СИИС, обратится в ноль, в этом случае система уравнений становится практически несовместной.

Одним из удобных показателей для оценки таких систем уравнений является число обусловленности сопёА. Для любой

невырожденной матрицы А число ее обусловленности, определится как произведение норм

сопаА=||А || || А"11 .

Число обусловленности позволяет оценить во сколько раз относительная неопределенность решения превосходит относительную неопределенность правой части системы уравнений.

При использовании в качестве математической модели измерительного канала полинома второго порядка от двух переменных, чувствительность будет изменяться в диапазоне измерения давления и температуры, следовательно число обусловленности сопёА, также будет изменяться. В рабочем диапазоне можно выделить области, которые будут характеризоваться тем или иным значением числа обусловленности.

В зависимости от максимального и минимального значения числа обусловленности, а также характера его изменения в диапазоне измерения, все семнадцать вариантов СИИС распределились по четырем группам. Анализ показал, что наилучшими вариантами с точки зрения обусловленности являются первые две группы измерительных схем, т. е. измерительные схемы, принадлежащие этим группам, имеют наименьшее абсолютное значение числа обусловленности, причем текущее значение числа обусловленности изменяется также в минимальном диапазоне.

В третьей главе проведен анализ основных составляющих погрешностей, возникающих при совокупных измерениях для двух вариантов измерительных схем СИИС.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что для предложенных измерительных схем результирующая приведенная

погрешность измерения давления и температуры не превысит 0,3% соответственно при условии, что значения приведенных погрешностей задатчиков давления у\ и температуры у3т, значения приведенной погрешности аналого-цифрового преобразования улцп, а также значения приведенных пог