СКАЧАТЬ:  kursach_pgmp.zip [471,28 Kb] (cкачиваний: 68)

КурсовОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «ПРОМЫСЛОВО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ»

на тему:  «Гамма-каротаж – как метод контроля за разработкой нефтяных месторождений» 

Содержание

1. Введение………………………………………………………………………4
2. Прибор радиоактивного каротажа, локатор муфт ГКЛ-2Ц .………………5

2.1.         Назначение прибора……………………………………………………5

2.2.         Технические характеристики………………………………………….6

1. Устройство и принцип работы прибора ГКЛ-2Ц …………………………..7

3.1.         Устройство прибора……………………………………………………7

3.2.         Принцип работы прибора……………………………………………...7

1. Каротажный регистратор "Гектор"…………………………………………10
2. Расчетная часть………………………………………………………………16
3. Заключение…………………………………………………………………..26
4. Список литературы………………………………………………………….27

1. Введение 

В технологиях геофизических исследований скважин (ГИС) наблюдается переход на комплексные многопараметровые измерения с применением многофункциональных скважинных приборов. Это требует передачи данных в наземные измерительно-вычислительные устройства, как правило, в цифровой форме и с высокой скоростью. В то же время линией передачи данных ГИС остается традиционный каротажный кабель со скоростью передачи информации (бит/с) не выше 10-100 кГц (в зависимости от длины), что сдерживает развитие и совершенствование технологий ГИС.

Каротажный кабель представляет собой линию связи с пониженной добротностью и нелинейной зависимостью передаточной функции от длины кабеля. Импульсную пропускную способность кабеля и качество передачи данных определяют эффективная ширина частотного спектра ∆Ω_к и эффективная длительность импульсного отклика ∆Т_к токопроводящих жил кабеля. Максимальная скорость передачи по кабелю кодовых импульсов без применения устройств частотной коррекции передаточной функции кабеля ограничивается тактовой частотой f_T = 1/(2∆Т_к) бит/с при эффективной длительности импульсов, не превышающей эффективной длительности импульсного отклика кабеля.

Скорость передачи информации зависит не только от тактовой частоты передачи данных, но и от протокола кодирования информации. Протокол передачи каротажных данных обычно заимствуется из стандартов открытых систем обмена информацией OSI (Open System Interconnect). С учетом эксплуатации скважинных приборов в условиях существенного влияния различных дестабилизирующих факторов в процессе каротажа, которые могут вызывать значительные вариации тактовой частоты передачи данных, для надежной передачи информации используются, в основном, коды с автосинхронизацией тактовых частот передатчика и приемника, среди которых наибольшее распространение получил код Манчестер-II.

2. Прибор радиоактивного каротажа, локатор муфт ГКЛ-2Ц

2.1. Назначение прибора

Прибор радиоактивного каротажа, локатор муфт ГКЛ-2Ц предназначен для производства γ каротажа и локации муфт обсадной колонны (насосно-компрессорных труб) в эксплуатационных и нагнетательных скважинах при контроле за разработкой нефтяных месторождений.

Регистрация диаграмм ГК и локатора муфт (ЛМ) производится одновременно.

Прибор должен эксплуатироваться с каротажным регистратором «ГЕКТОР» и блоком питания типа Б5-50 (Б5-49) или аналогичными по техническим и метрологическим характеристикам регистраторами и блоками питания.

В качестве канала связи прибора с наземной панелью используется одножильный или трехжильный бронированный кабель длиной 3000 м.

В зависимости от условий эксплуатации прибора диаметр кожуха может быть выполнен в следующих вариантах: 42мм, 80мм, 105мм, 112мм.

2.2. Технические характеристики

Основные технические характеристики прибора приведены в таблице 1.

Таблица 1

3. Устройство и принцип работы прибора ГКЛ-2Ц

3.1 Устройство прибора

Прибор ГКЛ-2Ц состоит из приборной головки и двух основных узлов (Приложение 1) – локатора муфт (ЛМ) и канала ГК с электроникой обеспечения работы обоих каналов. Приборная головка имеет унифицированное окончание под кабельный наконечник по ГОСТ 14213-81.

Катушка локатора муфт одним концом наворачивается на приборную головку, поджимая кольцевые магниты с магнитопроводящим башмаком, другим соединяется аналогичным образом с шасси электронного блока. Ослабление резьбового соединения предотвращается стопорными винтами.

Электронный блок (Приложение 2)расположен на общем шасси, где элементы электрической схемы, за исключением  трансформаторов, смонтированы на печатных платах с двусторонним монтажом. Плата формирователя, стабилизатора, умножителя, локатора, контроллера, питания устанавливается на стойках непосредственно, на шасси и закрепляется винтами.

Блок детектора ГК крепится четырьмя винтами ко второму концу шасси. Гильза блока, внутри которой размещены: упорная пружина, делитель, закрытый предохранительным изоляционным стаканом с панелькой для ФЭУ, фотоумножитель и детектор в названной последовательности, закрыты крышкой. Конец блока глушится пробкой. Охранный кожух прибора – труба диаметром 42 мм. Герметизация осуществляется уплотнительными кольцами толщиной 2,5 мм соответствующими ГОСТ 9833-73.

3.2. Принцип работы прибора

Прибор ГКЛ-2Ц имеет два регистрирующих канала: канал ГК, локатор муфт.

Канал ГК.

В состав канала ГК входит блок детектирования, состоящий из фотоумножителя ФЭУ-74А с делителем напряжения R1…..R12 и детектора ионизирующего излучения на основе монокристаллов йодистого натрия NaJ(Tl).

При попадании в детектор гамма - кванта на анодной нагрузке ФЭУ (R13) выделяется импульс отрицательной полярности, который через усилитель на полевом транзисторе КП303Б подается на формирователь, выполненный на микросхеме 521СА3. С выхода формирователя импульсы напряжения подаются на вход IN-GK (RA4) контроллера.

Контроллер прибора состоит из микропроцессора PIC16F873A и датчика температуры К1019ЕМ1. Импульсы, поступающие на вход IN-GK (RA4) микропроцессора (DD1) подсчитываются с помощью встроенного в микропроцессор таймера/счетчика за время 200 миллисекунд. После этого возникает прерывание, по которому происходит преобразование полученного значения количества импульсов за 200 миллисекунд в значение количества импульсов за 1 минуту. Затем происходит считывание значение ЛМ и датчика температуры К1019ЕМ1 с помощью  встроенного в микропроцессор (DD1) 10-ти разрядного АЦП, и далее выход из подпрограммы обработки прерывания. После этого с выхода микропроцессора (DD1) результаты измерений по каналам в коде «Манчестер-II» подаются на входы выходного усилителя. Выходной усилитель выполнен на транзисторах VT1 и VT2 типа КТ630 по трансформаторной схеме. С вторичной обмотки трансформатора Т1 выходной сигнал подается на жилу кабеля ЖК. По этой же линии осуществляется питание прибора постоянным током напряжением 27В.

На плате стабилизатора ГК смонтированы стабилизатор и высоковольтный преобразователь напряжения питания ФЭУ. Преобразователь напряжения выполнен по двухтактной схеме с внешним возбуждением на транзисторах VT3, VT4, трансформаторе Т2  и микросхеме (DD1). В качестве задающего генератора служит мультивибратор на микросхеме 564ЛН2. С вторичной обмотки трансформатора Т2 напряжение прямоугольной формы поступает на плату умножителя напряжения. Умножитель напряжения собран на диодах VD1, VD2 и конденсаторах С1, С2. На выходе умножителя включен RC фильтр. С выхода фильтра высокое напряжение поступает на делитель R1…..R12 и катод ФЭУ.

Локатор муфт.

Датчиком локатора муфт G1 служит магнитоэлектрическая система, собранная из кольцевых постоянных магнитов и катушки, намотанной на сердечнике, из магнитомягкой стали. При прохождении прибором муфт в катушке наводится электрический сигнал, который поступает на вход пикового детектора. Напряжение заряда хранится в течение времени, необходимого для преобразования сигнала в цифровой код. С выхода пикового детектора сигнал поступает на вход (RA1) микропроцессора (DD1) платы контроллера.

4. Каротажный регистратор "Гектор"

Блок каротажного регистратора «Гектор» (рис. 1) предназначен для приема информации от скважинной геофизической аппаратуры и преобразования ее в цифровую форму для последующей записи данных каротажа в память персонального компьютера, с одновременным визуальным оперативным контролем качества записанной информации.

Работает со всеми типами 1-, 2- и 3-жильных приборов.

Область применения: наземное оборудование при геофизических исследованиях бурящихся, контрольных, нагнетательных, остановленных и добывающих скважин с использованием скважинной аппаратуры.

Модульный принцип построения регистратора позволяет обрабатывать сигналы параллельно несколькими модулями.

В состав регистратора «Гектор» входят:

- модуль контроля глубины и технологических параметров;

- модуль точного АЦП;

- модуль измерения частоты и периода следования импульсов;

- модуль кодо- и время-импульсной телеметрии;

- модуль быстрого АЦП.

Рис. 1. Каротажный регистратор «Гектор»

Система команд, представление информации и время выполнения команд определяются параметрами установленной материнской платы и используемого микропроцессора.

Регистратор состоит из следующих составных частей (ПРИЛОЖЕНИЕ 1):

-                        плата промышленного компьютера - является центральной частью устройства, управляет работой регистратора;

-                        пассивная объединительная плата с шиной ISA - осуществляет связь модулей об­работки сигналов с платой промышленного компьютера;

-                        плата управления PU - осуществляет нормализацию сигналов, поступающих в регистратор от скважинного прибора;

-                        модуль MKG - осуществляет прием и обработку сигналов от формирователя тактов глубины и датчика магнитных меток, а так же содержит последовательный ин­терфейс стык С2 (RS-232C);

-                     модуль АСР - осуществляет аналого-цифровое преобразование медленноменяющихся сигналов;

-                         модуль RK - осуществляет прием и обработку импульсных сигналов;

-                         модуль АК - осуществляет аналого-цифровое преобразование быстроменяющихся сигналов;

-                         модуль VKIM - осуществляет прием и преобразование информации в коде Ман-честер-2, ВИМ и других видов телеметрии;

-                         передняя панель - содержит органы управления работой регистратора;

-                        блок питания обеспечивает питание цепей регистратора вторичными стабилизи­рованными напряжениями.

         На передней панели расположены следующие органы управления       (рис. 2):

1. выключатель и индикатор СЕТЬ;
   1. гнезда КАБЕЛЬ 1,2,3,ОК , для подключения жил и оплетки геофизического кабеля;
   2. гнезда ВХОД 1,2,3 - входы регистратора;
      1. переключатель ВИД РАБОТ, для выбора схемы коммутации входных цепей ре­гистратора;
      2. выключатель ПОСТ,- ВЫКЛ, для подключения внешнего источника постоян­ного тока к цепям питания скважинного прибора;
      3. переключатель «+» - «-» , для переключения полярности внешнего источника постоянного тока;
      4. выключатель 50 ГЦ -ВЫКЛ, для подключения переменного напряжения 50 Гц к цепям питания скважинного прибора;
      5. переключатель «±» - « J.», для подключения одного вывода питания переменно­го напряжения 50 Гц к корпусу регистратора;
      6. выключатель ГЕНЕР,- ВЫКЛ, для подключения внешнего источника перемен­ного тока к цепям питания скважинного прибора;
      7. переключатель 50ГЦ - ГЕН., для питания скважинного прибора переменным напряжением 50 Гц, либо напряжением источника переменного тока;
      8. разъемы ОСЦ. 1,2,3 для подключения к входам регистратора осциллографа;
      9. гнезда КАНАЛЫ АЦП, для подключения к пяти каналам АЦП;
      10. разъем КОМПЬЮТЕР - интерфейс стык С2 (RS-232C), для подключения пер­сонального компьютера;
      11. дверка для доступа к соединителям на плате промышленного компьютера и модулях обработки сигналов.

На задней стенке корпуса расположены следующие соединители для подклю­чения к аппаратной стойке Лаборатории каротажной ГИК1.00.00.00 (рис. 3):

1. - вилка ХР1, для подключения сетевого питания и внешних источников питания скважинной аппаратуры;
2. -  вилка ХР2, для подключения внешних сигналов к 11 входам АЦП регистратора;
3. - вилка ХР4, для подключения сигналов датчиков глубины и магнитных меток.

Обмен данными между регистратором и компьютером производится по интерфейсу RS-232C (через порты COM1 или COM2).

Диалог с регистратором осуществляется с помощью персонального компьютера (NoteBook), установленной на нём управляющей программы "Gektor" и программы "Загрузчик", расположенной в ПЗУ блока глубины, установленного в одном из слотов материнской платы.

Контроль работоспособности основных узлов регистратора осуществляется с помощью тест-программы.

Режим эксплуатации регистратора непрерывный или периодический с многократным включением-выключением напряжения питания.

Каротажный регистратор "Гектор" предназначен для цифровой записи данных каротажа в память бортового компьютера с одновременным визуальным оперативным контролем качества записанной информации при проведении геофизических исследований бурящихся, контрольных, нагнетательных, остановленных и добывающих скважин с использованием имеющейся и разрабатываемой геофизической аппаратуры. 

Регистратор является специализированным устройством сбора данных, поступающих от скважинного прибора или от блока промыслово-геофизических измерительных систем. Данные подлежащие записи, попадают на вход регистратора в аналоговом или цифровом виде, записываются в цифровой форме в функции глубины, а также проходят первичную обработку и выводятся с помощью плоттера в виде геофизических кривых, в масштабе и форме, заданных оператором

 «Гектор» позволяет производить каротаж с использованием имеющегося парка геофизического оборудования (следовательно не требует больших материальных затрат при внедрении) и с вновь разрабатываемыми скважинными приборами. «Гектор» выполняет полный комплекс ГИС при строительстве и эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Конструкция блока позволяет использовать «Гектор» в существующих каротажных лабораториях, устанавливая его в свободное место приборной стойки или автономно. Используемые стандартные интерфейсы обеспечивают подключение «Гектора» к любому современному компьютеру. «Гектор» избавляет пользователя от применения большинства наземных панелей, так как коммутация источников питания к жилам геофизического кабеля выполняется в его блоке. «Гектор»- это открытая система, что позволяет достаточно просто проводить его модернизацию. 

Общие принципы функционирования.

Выходные сигналы скважинных приборов, а так же формиро­вателя тактов глубины (далее по тексту - датчик глубины) и датчика магнитных меток подключаются к модулям глубины, АЦП и РК с помощью геофизического интерфейса. Под управлением математического обеспечения регистратора происходит настройка входных узлов модулей регистратора. Далее происходит запись и обработка калибровочных сигналов, на основе которых материнская плата и бортовая ЭВМ вычисляют параметры для масштабирования цифровых данных каротажа, данные о скважине и т.п. В соответствии с заданным регламентом (каналы воспроизведения, дорожки диаграммы, данные о точках записи и т. п.) программы регистратора осуществляют преобразования первичных цифровых данных, результатом которых является запись геофизической информации в виде диаграмм, содержащих каротажные кривые, сопровождаемые масштабной сеткой с наиме­нованием вида информации, единиц измерения и соответствующей глубины.

5.     Расчетная часть

              Расчет измерительного усилителя

Исходные данные:

–амплитудное значение выходного напряжения и тока;

–частотный диапазон;

–выходное сопротивление;

–частотные и нелинейные искажения.

  По этим данным выбираем схему выходного каскада. Выбранная схема может уточняться в процессе расчета.

В нашем случае:

R_Н = 1000 Ом;

f_Н = 200 Гц;

f_В = 1 КГц;

U_{ВЫХ max}= 12 В.

  Эти данные показывают, что требуемые выходные параметры могут быть получены с помощью интегрального ОУ с подключением на его выход составного эмиттерного повторителя из n транзисторов. Определим n. Пусть ОУ имеет:

R_Н = 2000 Ом;

U_ВЫХ = 12 В.

Тогда амплитуда выходного тока ОУ: 

.

Для получения тока в нагрузке:

коэффициент усиления по току должен быть равен:

.

Т.к. h_{21 Э} у транзисторов находится в диапазоне 20–50, то необходимо использовать в плече составного эмиттерного повторителя один транзистор, т.к. он достаточно обеспечит требуемый К.

Теперь выберем типы транзисторов плеч выходного каскада. Их параметры выбирают так, чтобы при работе в режиме «В» они удовлетворяли неравенствам:

U_{К MAX m} < 0,5E < 0,5*U_{КЭ MAX};

I_{К MAX m}< I_{К MAX};

P_{К MAX}< 0,25*U_{КЭ MAX}*I_{К MAX};

P_HMAX< (2-3)*P_{К MAX}.

Для нашего случая выбираем  транзисторы КТ315А,  КТ361А с параметрами:

I_{К MAX}  = 100 мА;

U _{КЭ MAX} = 25 В;

;

r_Б = 100 Ом.

  Высокая граничная частота усиления показывает, что данный транзистор оказывает малое влияние на частотные искажения. Оценим эти искажения, вносимые выходным каскадом усиления, с помощью уравнения:

.

  В проектируемой схеме R_Э→∞. Пренебрегаем токами, проходящими через транзисторы VT1 и VT3. Сопротивление Rr в этом выражении – это выходное сопротивление каскада на транзисторах VT1 или VT3.

.

  Частотными искажениями маломощных транзисторов VT1 и VT3 можно пренебречь, т.к. их частотные характеристики значительно лучше, чем частотные характеристики транзисторов большой мощности (VT2 и VT4).

.

  Подставляя К_У (jw) при частотах f_Н=200 и  f_В=1000 Гц  в следующее выражение, определим глубину ОС γ :

;    (*) 

     Оценим входное сопротивление плеча эмиттерного повторителя:

R_ВХ0 = r_Б+ [1+h_21Э] *R_Н = 100 + (1+20)*1000 = 21100 Ом,

R_ВХ(ω) = r_Б+ [1+h_21Э·0,7] *R_Н = 100 + (1+20·0,7)*1000 = 15100 Ом.

  Резисторы R_ВХ  и  R3 составляют делитель, который определяет U_ВХ на базах VT1 и VT3.

,

где

Тогда:

;

.

    Полученное значение требуемого выходного напряжения ОУ говорит о том, что для данного случая следует применить высоковольтный ОУ типа УР1101УД07. Его параметры:

К_У = 0,4·10⁶;                               U_СМ = 75-150 мкВ;

f₁ = 0,4  МГц;                              R_{ВХ  диф}= 2 МОм;

I_ВХ = ± 4-12 нА;                          V_{U ВЫХх} = 0,1 В/мкс;             

U_{ВЫХ max}=12 В;                          R_{Н min}= 2 кОм;

U_П = ± 15 В.

  Построим для выбранного ОУ ЛАЧХ и по этой характеристике найдем для данного усилителя:

20lg К_У(w_Н)= 112; К_У(w_Н)=400000;

20 lgK_У(w_B)=82, то  lgK_У(w_B)=82/20=4,1;

K_У(w_B)=10^4,1=12589,3.

Подставим эти данные в (*):

;

;

.

С запасом возьмем γ=10^-1 (чтобы обеспечить запас по частотным искажениям). Примем  R1=50 кОм. Для этого включения инвертирующего усилителя:

  Найдем коэффициент частотных искажений. Для этого определим  и :

;

 .

следовательно, можно получить частотные искажения меньше заданных,  что говорит о правильном выборе выходного транзистора.

У этого ОУ U_{ВЫХ max}= 15 В. Проверим, обеспечивает ли выбранный ОУ амплитуду 14,4 В на частоте  f_В=1000 Гц . Скорость нарастания выходного напряжения для данного ОУ 0,1 В/мкс, тогда на частоте 1000 Гц получим:

.

  Эта величина значительно больше паспортной, т.е. выбранный ОУ обеспечит получение требуемой амплитуды на частоте  1000 Гц.

  Резисторы R4, R5 выбираем из условия перевода  VT1 и VT3  в режим работы «АВ» для устранения нелинейных искажений. По входной характеристике U_БЭ = f(I_Б) при токе покоя транзисторов (рис. 1):

.

Рис. 1

      Получаем U_БЭ0 = 0,5 В, как часть необходимого смещения. Коллекторный ток покоя для работы в режиме «АВ»  следует задавать на уровне 0,2-1 мА  при  R6=200 Ом. Мы приняли  I_К0  =  0,5  мА. 

Ом

      Ток цепи, обеспечивающий такое напряжение смещения, обычно выбирается в 5-10 раз  больше  тока базы I_БП. Таким образом, ток через R4, R5 равен:

I _R4(R5)= 0,025*10=0,25 мА.

        По справочнику выбираем диод, на котором при данном токе падение напряжения будет равным:

,  где n – количество последовательно включенных диодов.        

  Используя ВАХ выбираем диоды, у которых при токе порядка 250 мкА падение напряжения равно 0,4 В. Для нашего случая подойдет диоды типа ГД107Б. Значение R4, R5  находим из уравнения:

Тем не менее, выбираем γ с запасом, т.е. γ=0,1.

Схема усилителя мощности

Заключение

В данной курсовой работе мы рассмотрели аппаратуру радиоактивного каротажа ГКЛ-2Ц. Прибор предназначен для производства γ каротажа и локации муфт обсадной колонны (насосно-компрессорных труб) в эксплуатационных и нагнетательных скважинах при контроле за разработкой нефтяных месторождений. Изучили функциональную и электрическую схему скважинного прибора. Рассмотрели каротажный регистратор «Гектор», пред­назначенный для цифровой записи данных каротажа в память бортового компьютера с одновременным визуальным оперативным контролем качества записанной информации при проведении геофизических исследований бурящихся, контрольных, нагнетатель­ных, остановленных и добывающих скважин с использованием имеющейся и разрабатываемой  геофизической аппаратуры.

1. 6.     Список литературы
2. Н.Н. Алаева. ПГПМ. Методические указания к выполнению курсовых работ. АГНИ, 2010.
3. Т.Г. Габдуллин. Техника и технология оперативных исследований скважин. Казань, Плутон, 2005.

3.  Басин Я.Н. Методы радиоактивного и электрического каротажа, 1963. 

4.  Томус Ю.Б., Алаева Н.Н., Ситдикова И.П. Компьютеризированные каротажные станции. АГНИ, 2009.