СКАЧАТЬ:  teleya.zip [521,7 Kb] (cкачиваний: 49)

Курсовая работа

по дисциплине: «Телеизмерения при исследовании скважин»

на тему:  «Гидродинамические исследования скважин комплексным программно-управляемым скважинным прибором модульного типа ГДИ-5С» 

Содержание

Введение……………………………………………………………………………..3

1. Устройство и принцип работы прибора………………………………..….4

1.1.         Устройство прибора……………………………………………….....4

1.2.         Принцип работы прибора…………………………………….………5

1. Принцип работы составных частей………………………………………...9

2.1.    Блок преобразования и передачи сигнала…………………………..9

2.2.   Канал локации муфт…………………….…………………………...9

2.3.     Канал гамма-каротажа……………………………………………...10

2.4.     Канал влагомера и шумомера……………………………………...10

     3.  Расчетная часть……………………………………………………………..11

    3.1.    Расчет основных параметров одножильного бронированного  геофизического кабеля……………………………………………….11

          3.2.   Расчет пропускной способности канала связи……………………...14

     4.  Экспериментальная часть……………………………………………….….18

     5.  Заключение…………………………………………………………………..26

     6.  Список литературы……………………………………………………...…..27

Введение

По каналам телеметрии (информационный канала, измерительный канал или просто канал) понимается совокупность устройств, имеющих по одному входу и выходу и предназначены для передачи сигналов по линии связи.

Линия связи (линия передачи) – это тот материальный объект, по которому передаются информационные сигналы. Простейшей линией связи является пара проводов (кабельная линия связи). Пару проводов с сопротивлениями источника и нагрузки в кабельных линиях связи принято называть электрической цепью.

Структура скважинной телеизмерительной системы определяется тем, какие физические параметры требуется измерить и передать по линии связи. От этого зависят аппаратурное содержание и распределение частей телесистемы. Необходимо предложить адекватную модель одной из части телесистемы (линии связи), что позволит в лабораторных условиях изучить и проанализировать характер помех и степень искажения информации в ней. В работе предлагается использовать в качестве линии связи, а в геофизике это геофизический кабель, ее модель или другими словами имитатор. Актуальность такого решения обусловлена простотой осуществления исследований телесистемы в лабораторных условиях, так как применение реального кабеля в лаборатории является нецелесообразным ввиду его большой длины (>1000м) и наводимых индустриальных помех.

1. 1.     Устройство и принцип работы прибора

1.1.         Устройство прибора

           Прибор ГДИ-5С разработан ОАО «Татнефтегеофизика». Он рассчитан на работу в комплексе с геофизической станцией, укомплектованной компьютеризованным каротажным комплексом «Гектор». Прибор предназначен для оперативных исследований нагнетательных и эксплуатационных (добывающих) скважин при контроле за разработкой нефтяных месторождений.                                                                                                        В качестве линии связи с наземным оборудованием используется одножильный бронированный кабель.                                                                                     За один рейс к объекту исследования прибор позволяет одновременно измерять температуру, давление, расход жидкости, индикацию притока жидкости, локацию муфт, гамма-каротаж, и в зависимости от присоединенного модуля выявляет за- и внутриколонные перетоки жидкости, определяет интервал обводнения и исследует качественный состав скважинной жидкости.                    Прибор состоит из базового модуля и блоков-приставок, которые присоединяются к базовому модулю в зависимости от решаемых задач (Приложение1) .                                                                                                                      Базовый модуль состоит из отдельных частей. Основным несущим элементом модуля является корпус датчиков, в котором установлены датчики температуры 1, термодебитометра 2, манометра3. К  верхнему концу корпуса датчиков закреплено шасси 4, на котором смонтированы плата питания, плата локатора муфт, плата преобразования и передачи сигналов, а так же выходной трансформатор. К нижнему концу корпуса датчиков наворачивается датчик локатора муфт 5. К свободному концу датчика локатора муфт крепится шасси 6 канала ГК, на котором расположены: плата формирования ГК, детектор с фотумножителем, плата стабилизатора ГК, плата умножителя. На шасси предусмотрен защитный кожух 7, к которому крепится мост 8.       

               Базовый модуль соединяется с блоками расходомера (турбинного), влагомера (диэлькометрического) и шумомера (пьезокерамического) при помощи моста 8.                                                                                                                  На шасси 4 наворачивается защитный кожух 9, к которому присоединяется приборная головка 10 под кабельный наконечник.                                             При проведении работ, когда не требуются блоки расходомера, влагомера и шумомера, к базовому модулю присоединяется заглушка 11.                                Шумомер предназначен для обнаружения и регистрации шумов. Возникающих в скважине от дроссельных и других эффектов.    

1.2.         Принцип работы прибора

               Прибор совместно с наземным компьютеризованным каротажным комплексом «Гектор» представляет собой многоканальную скважинную телеизмерительную систему с кодоимпульсной модуляцией и временным разделением каналов. Число каналов прибора – шесть: канал измерения температуры, канал измерения давления, канал термоиндикации приток жидкости, канал локации муфт, канал ГК и в зависимости от присоединенного блока – канал измерения расхода жидкости, канал измерения качественного состава жидкости, канал измерения за- и внутриколонных перетоков жидкости.                            Функциональная схема прибора ГДИ-5С представлена на рис.1.                                  В состав прибора входят девять первичных датчиков 1-9 и шесть нормирующих преобразователей 10-15, а также функциональные устройства: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 16, микроконтроллер, усилитель мощности 18, блок питания 19, приборная головка 20. В качестве линии связи прибора с наземной аппаратурой служит одножильный бронированный кабель.                        Прибор работает следующим образом. Значение параметров физических полей скважины (температура. Давление. Скорость потока и т.д.) с помощью первичных датчиков 1-9 преобразуется в электрические сигналы. Электрические сигналы с датчиков 2, 3, 6, 7, 8, 9 поступают на входы соответствующих нормирующих преобразователей 10, 11, 12, 13, 14, 15 и далее на входы АЦП 16 и микроконтроллера 17. Электрические сигналы с датчиком 1,4,5 поступают на входы АЦП 16 и микроконтроллера 17. В микроконтроллере сигнал преобразуется в кодоимпульсный сигнал, который поступает на усилитель мощности 18. С выхода усилителя мощности сигнал поступает на приборную головку.

Технические характеристики прибора ГДИ-5С

Таблица1.1

Схема функциональная в компасе надо сделать!!!!!!

1. 2.     Принцип работы составных частей

2.1.         Блок преобразования и передачи сигнала 

На печатной плате преобразования и передачи сигнала размещены аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, усилитель мощности. Электрические сигналы от первичных датчиков и нормирующих усилителей поступают на аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер. Мик­роконтроллер формирует кодо-импульсный сигнал, который поступает на входы усилителя мощности. Алгоритм функционирования прибора можно оха­рактеризовать как линейно-циклический. Работу прибора можно разбить на два периода: калибровка и непосредственно работа.                                                                            Калибровка нужна как для снижения погрешности аналого-цифрового преобразования, так и для визуального контроля оператором наличия  не- исправностей. Во время калибровки проверяется цифровой интерфейс АЦП.

Значение локатора муфт после оцифровки возводится в квадрат с целью снижения уровня помех и неоднородностей колонны. Напряжение от датчика температуры вводится в АЦП. Значения темпе­ратуры, давления подвергаются скользящему интегрированию в течение 4-х кадров. Значение гамма-фона подвергается скользящему интегрированию в течении 6 кадров и выходной код умножается на 25 (передаточный коэффи­циент) .                                                       Алгоритм обработки сигнала зависит от присоединенного блока. При­соединенный блок определяет программа. Работа программы прекращается после выключения питания.

2.2.                      Канал локации муфт 

 Нормирующий  преобразователь   смонтирован на плате локатора муфт. Первичным  датчиком канала локации муфт  служит магнитоэлектрическая система,   собранная из  кольцевых постоянных магнитов и катушки, намо­танной на сердечнике из магнитомягкой стали. При прохождении  прибором  в катушке  наводится  электрический  сигнал, который поступает на вход пикового детектора. Напряжение заряда хранится в течении времени , не­обходимого для преобразования сигнала в цифровой код. С выхода пикового детектора сигнал поступает на вход микроконтроллера.

2.3.         Канал гамма-каротажа  

Первичным датчиком  канала ГК, преобразующим излучение в им­пульсы напряжения, служит сцинтиляционныи детектор, состоящий из фото­умножителя ФЭУ-102 и кристалла Nal. Импульсы напряжения поступают на вход импульсного усилителя, собранного на транзисторе. На плате формирователя ГК размещены второй каскад импульсного усилителя и формирователь импульсов. С выхода формирователя импульсов сигнал поступает на вход микроконтроллера.

На плате стабилизатора ГК смонтированы стабилизатор и высоко­вольтный преобразователь напряжения питания ФЭУ. Преобразователь нап­ряжения выполнен по двухтактной схеме с внешним возбуждением на транзисторах, трансформаторе и микросхеме. В качестве задающего генератора служит мультивибратор.

Со вторичной обмотки трансформатора напряжение прямоугольной фор­мы поступает на плату умножителя напряжения. Умножитель напряжения собран на диодах и конденсаторах. На выходе умножителя включен RC фильтр. С выхода фильтра высокое напряжение поступает на делитель и катод ФЭУ.

2.4.         Канал влагомера и шумомера

Канал влагомера: первичным датчиком  служит  латунный  стержень, который  покрыт фторопластовой пленкой.

На печатной плате смонтирован генератор прямоугольных колебаний.

Питание схемы осуществляется напряжением +5 В.

Канал шумомера: первичным датчиком шумомера  является пьезокерамическии цилиндр. На печатной плате смонтированы усилитель,   фильтр 2 порядка, амплитудный детектор. Питание схемы осуществляется напряжением +/-5 В.

3.     Расчетная часть

3.1.         Расчет основных параметров одножильного бронированного геофизического кабеля 

Для передачи данных используется одножильный бронированный геофизический кабель марки КГ1-30-180 (рис. 6), который предназначен для промыслово-геофизических исследований в скважинах при температуре 180ºС. Токопроводящая жила этого кабеля состоит из одной медной проволоки диаметром 6,3 мм. Изоляция типа фторопласт 40Ш.

Рис. 6. Одножильный бронированный кабель марки КГ1-30-180 для геофизических работ

Параметры кабеля КГ1-30-180

Сечение жил кабеля: 6,3 мм²

Диаметр изолированной жилы: 6,8 мм²

Длина: l=3 км

Разрывное усилие: H=30 кН

Максимальная рабочая температура: T=180 ˚С.

Сопротивление жилы: R=24,3 Ом/км

Сопротивление изоляции: R=500 МОм/км

Емкость: С=0,2 мкФ/км

Индуктивность: L=4,7 мГ/км

Волновое сопротивление: Zc=50 Ом/км

Коэффициент затухания при частоте f=30 кГц β=0,64 Нп/км

Коэффициент затухания при частоте f=50 кГц β=0,93 Нп/км

Диэлектрическая проницаемость изоляции: ε= 2.54∙10 .

Электрическое сопротивление токопроводящих жил.

При использовании современной каротажной аппаратуры качественное проведение работ обеспечивается при электрическом сопротивлении цепи не более 250 Ом. Таким образом, критерием работоспособности кабеля является условие:

Rж ≤ 250 Ом

Величина R определяется по формуле:

             (1)

где – сопротивление жилы при температуре 20˚С, Ом/км; –температурный коэффициент сопротивления, град-1(для медной проволоки  = 0,004);  – геотермический градиент (в среднем  = 30∙10); L – глубина скважины, км.

Емкость коаксиального кабеля

                  (2)

где  – диэлектрическая проницаемость материала изоляции при температуре +20˚С (для фторопласта 2);  – температурный коэффициент диэлектрической  проницаемости, град (для фторопласта 0,0018).

Сопротивление изоляции подсчитываем с учетом воздействия температуры.

            (3)

где - температурный коэффициент сопротивления, град (для фторопласта =0,058)

Как видно из вычислений значение сопротивления изоляции в скважине соизмеримо с величиной сопротивления изоляции на поверхности и представляет собой десятки Мом.

Проводимость изоляции жил обратно пропорциональна сопротивлению, следовательно, может быть найдена по формуле

        (4)

Волновое сопротивление может быть определено экспериментально по результатам измерений входных сопротивлений кабеля в режимах холостого хода  и короткого замыкания

                                              (5)

С увеличением частоты тока волновое сопротивление монотонно убывает, начиная с частоты f≈20 кГц остается практически постоянным.

Затухание измеряется в неперах (Нп) или децибелах (дБ) на 1 км. Затухание, соответствующее 1 Нп, происходит в кабельной линии длиной 1 км, у которой ток и напряжение в начале линии больше по величине, чем ток и напряжение в конце линии в 2,718 раза. Затухание в децибелах рассчитывается по формуле:

            (6)

где l – протяженность кабельной линии,– напряжение, ток и мощность в начале кабельной линии, а  - напряжение, ток и мощность в конце кабельной линии.

3.2.        Расчет пропускной способности канала связи 

Проведем расчет пропускной способности кабеля КГ1-30-180, который имеет следующие характеристики:

- сопротивление R = 24,3 Ом/км.

- емкость С = 200*10^-9 Ф/км.

- протяженность l = 3 км.

Длительность посылки по геофизическому кабелю:

T_c =8,762∙10^-6            (7)

Спектральная плотность помехи:

N₀=10^-5                     (8)

Мощность сигнала на выходе приемника:

P_c=1,98 Вт                (9)

Решение:

Используя (7) найдем полосу пропускания канальных фильтров:

                    (10)

Отношение сигнал/шум определяется соотношением:

                 (11)

Определим вероятность появления ошибки на выходе приемника при когерентном приеме сигнала:

      (12)

Найдем аргумент функции:  = 1.317            

По таблице находим значение функции Крампа при данном аргументе:

       Ф = 0.8230             (13)

Подставив в (13) найденное значение (14) получим значение P_ош:

                (14)

Вероятность ошибочного приема символа p_kk кодовой комбинации, состоящей из    n_k – разрядной комбинации, при трехразрядном повторении и посимвольном сравнении не превышает величины, определяется из выражения:

p_kk=3∙n_k∙P²_ош                                                (15)

где P_ош – вероятность ошибочного приема единичного элемента,        n_k = 17.

При поразрядном сравнении принимаемых символов состоящих, из n_k бит, вероятность ошибочной регистрации кодовой комбинации при трех кратном повторении:

p_kk=3∙n_k∙P²_ош                                    (16)

Для увеличения помехоустойчивости передаваемых сообщений используется код с проверкой на четность. Код с проверкой на четность - один из простых кодов, позволяющий обнаруживать одиночные ошибки. Он образуется путем добавления к передаваемой комбинации, состоящей из k информационных символов неизбыточного кода, одного контрольного бита так, чтобы общее количество единиц в передаваемой комбинации было четным.

В итоге общее количество элементов в передаваемой комбинации n=k+1. На приемной стороне производят проверку на четность. При четном числе единиц предполагается, что ошибок нет, и потребителю выдается k бит, а контрольный бит отбрасывается. Вероятность необнаруженных ошибок для кода с проверкой на четность зависит от длины блока n и вероятности ошибочного приема единичного элемента P₀.

Определим избыточность кода.

k = 17 – число символов в помехоустойчивом коде;

n = 16 – число символов без избыточности.

Найдем число ошибочных комбинаций:

         (17)

Найдем вероятность необнаруженной кодом ошибки при независимых однократных ошибках:

                               (18)

             (19)

Однородный симметричный канал связи полностью определяется алфавитом передаваемого сообщения, скоростью передачи элементов и вероятностью ошибочного приема элемента сообщения P(вероятностью ошибки). Определим пропускную способность канала:

               (20)

В частном случае для двоичного канала (m = 2) получим выражение:

                                (21)

            (23)

В результате пропускная способность геофизического кабеля составляет ≈ 100 Кбод.

4.     Экспериментальная часть

Первый этап работы состоит в моделировании и исследовании прохождения кодированного сигнала через имитированную линию связи (имитатор кабеля), при скорости передачи 100 кбод. Моделирование осуществлялось с помощью электронной лаборатории на ЭВМ "Electronics Work Bench 5.0". Посредством простого интерфейса в программу вводилась схема исследуемой установки и производилось моделирование с интерпретацией результатов в графическом виде.

Сначала необходимо было смоделировать кодированный сигнал. Результаты моделирования представлены на рис.4.1.

В реальности передача сигнала по кабелю осуществляется пачками через интервал времени. Каждая пачка состоит из 20 бит. На рис.4.1 показана одна пачка смоделированного сигнала. Первые три бита являются синхронизирующими, а остальные носителями полезной информации, за исключением последнего, который является битом четности.

Для генерации кода использовался программный 16 разрядный генератор слова, который с определенной длительностью выдает 0 или 1. Длительность синхроимпульсов соответствует частоте F=26.7кГц, импульсы двойной длительности соответствуют частоте F=40кГц, импульсы одинарной длительности соответствуют тактовой частоте Fт=80кГц или скорости передачи информации. Преобразование выходной последовательности с генератора слова в двуполярный код «Манчестер II» осуществляется через схему приведенную на рис.4.2.

время

Рис. 4.1. Кодированный сигнал

Рис. 4.2. Схема преобразования сигнала в код «Манчестер II»

Далее полученный кодированный сигнал должен проходить через имитатор кабеля. В литературе приводится простая электрическая схема эквивалента кабеля представленная на рис.4.3.

Рис. 4.3. Схема эквивалента кабеля

Как видно из рисунка имитатор кабеля представляет собой каскадное соединение RC цепочки, где каждый каскад соответствует 1км реального кабеля. Понятно, что в данном случае имитатор представляет ничто иное, как фильтр.

На рис.4.4 и рис.4.5 представлены АЧХ и ФЧХ смоделированного имитатора кабеля.

частота

Рис.4.4 АФХ имитатора кабеля

частота

Рис.4.5 ФЧХ имитатора кабеля

Следующим шагом является подача смоделированного сигнала на имитатор кабеля.

Результаты такого процесса моделирования представлены на рис.4.6

Рис.4.6 Прохождение кода «Манчестер II» через имитатор кабеля 3 км

На представленном рисунке: верхний сигнал – это сигнал, который подаётся на имитатор кабеля, а нижний представляет собой выходной сигнал с имитатора кабеля. Очень хорошо видно, что сигнал, прошедший по кабелю сильнейшим образом исказился, т.е. в такой форме он является не пригодным для процесса декодирования. Вызвано это параметрами линии связи, которые влияют на форму сигнала.

Для ослабления влияния параметров линии связи на искажение сигнала предлагается использовать фильтр, но с обратной АЧХ. В итоге сигнал должен быть восстановлен. Фильтр с требуемой АЧХ можно сделать на базе операционного усилителя фирмы Analog Devices (AD711). Типичная схема такого фильтра (нелинейного дифференциатора) представлена на рис.4.7, а его АЧХ на рис.4.8.

Рис.4.7. Схема фильтра (нелинейного дифференциатора)

частота

Рис.4.8. АЧХ нелинейного дифференциатора

Но одного такого звена схемы фильтра не достаточно большую роль играет порядок фильтра, поэтому используется каскадное соединение звеньев, приводящее соответственно к увеличению порядка фильтра и расширению динамического диапазона.

Для хороших результатов фильтрации необходимо чтобы частотная характеристика была линейной в полосе частот от 10кГц до 100кГц, т.е. в этой полосе частот коэффициент ослабления k=1. Т.е. частота среза фильтра на уровне –3дБ должна быть не меньше 100кГц.

Это осуществляется путём подбора элементов фильтра (сопротивлений и емкостей).

На рис.4.9  представлены результаты моделирования восстановления искаженного сигнала.

время

Рис.4.9. Восстановление искаженного сигнала

Из рисунка можно увидеть, что происходит довольно точное восстановление сигнала.

Самое главное и важное, что можно отметить, это то, что не происходит изменения длительности импульсов.

Второй этап работы состоит в проверке результатов моделирования на реально существующем макете (экспериментальной установке) исследуемой системы. Для этого мной были собраны, по схемам моделирования, макетные платы:

1. Плата имитатора линии связи (кабеля)

2. Плата фильтрации.

Экспериментальные результаты прохождения сигнала через имитатор кабеля представлены на рис.4.10, а результаты восстановления на рис.4.11.

Рис.4.10. Прохождение кода «Манчестер II» через имитатор кабеля

Рис.4.11. Восстановленный сигнал

Регистрация сигналов осуществлялась с помощью цифрового осциллографа.

Если увеличить скорость передачи (тактовую частоту) информации с 80кбод до требуемой 500кбод, то результаты эксперимента практически не изменятся. Так же будет происходить качественное восстановление сигнала, но очень сильно усложниться и увеличится, по числу звеньев, схема фильтрации сигнала. Подбор параметров фильтра будет чрезвычайно сложным. Конечный результат эксперимента восстановления сигнала, при скорости передачи 500кбод, приведен на рис.4.12.

Рис.4.12. Результат восстановления сигнала, при скорости передачи 500кбод

Заключение

В данной курсовой работе мы рассмотрели аппаратуру комплексного программно-управляемого скважинного прибора модульного типа для гидродинамических исследований скважин ГДИ-5С. Прибор предназначен для исследования нагнетательных и эксплуатационных скважин при контроле за разработкой нефтяных месторождений. Изучили функциональную схему скважинного прибора.

В расчетной части были рассчитаны основные параметры геофизических кабелей. Геофизический кабель предназначен для спускоподъемных операций различных глубинных приборов и является каналом связи между наземной аппаратурой и глубинным прибором, и одновременно несет механическую нагрузку. В связи с этим должен обладать достаточной гибкостью, иметь, возможно, низкое электрическое сопротивление токопроводящих жил, достаточно широкую полосу пропускания частот и т.д.

Список литературы

1. Алаева Н.Н. «Автоматизация технологических процессов промысловых исследований». – Альметьевск: Альметьевский государственный нефтяной институт, 2009г.

2. Алаева Н.Н. «Телеизмерения при исследовании скважин». – Альметьевск: Альметьевский государственный нефтяной институт, 2010г.

3. Габдуллин Т.Г. «Техника и технология оперативных исследований скважин» - Казань: Плутон, 2005г.

4. Ильин В.А. «Телеуправление и телеизмерение.» – М.: Энергоиздат, 1982г.

5. Томус Ю.Б., Алаева Н.Н. «Автоматизация технологических процессов промысловых исследований». – Альметьевск: Альметьевский государственный нефтяной институт, 2009г.

6. Молчанов А.А. «Аппаратура и оборудование для геофизических исследований нефтяных и газовых скважин» – М.: Недра, 1987г.

7. Тех. паспорт прибора.