Типы скважинных приборов

2.

Техника для измерения температуры в скважинах

Лекция №9.

Тема: Термодинамические методы исследования скважин.

Цель: Ознакомиться с техникой для измерения температуры в скважинах, а также изучить типы скважинных приборов.

Ключевые слова: Измерительные средства, автономные термометры, дистанционные термометры, геликс, манометр, ходовой винт.

Основные вопросы и содержание:

1.Техника для измерения температуры в скважинах.

2.Типы скважинных приборов.

Достоверность информации, получаемой при исследовании нефтяных скважин, зависит как от точности применяемых видов исследования, так и от совершенства методов измерения и техни­ческих средств. Для изучения сложных процессов, связанных с разработкой нефтяных месторождений, необходим комплекс дан­ных о свойствах и строении продуктивных пластов, свойствах и процессах фильтрации насыщающих их жидкостей. При этом объем и состав информации, используемой для решения практических задач на разных стадиях разработки залежей нефти и газа, не­прерывно изменяются. В соответствии с изменением требований к информации меня­ются и требования, предъявляемые к методам и средствам ее получения. Поэтому не удивительно, что для исследования сква­жин только гидродинамическими методами применяют сравнитель­но большой набор различных измерительных средств, краткий обзор которых сделан в главах II и III. В общем случае требования к приборам, предназначенным для исследования скважин, определяются их целевым назначением (вид информации и степень ее достоверности), конструкцией скважин и условиями эксплуатации приборов. Наиболее существенными являются следующие условия экс­плуатации приборов в скважине. Прибор подвергается действию давления, температуры и кор­розионных жидкостей. В связи с увеличением глубин бурения, а также с необходимостью контроля различных процессов по интен­сификации добычи нефти и газа давление окружающей среды мо­жет достигать 100-150 МПа, а температура 300-600° С. При спуске прибора в скважину через трубы на него действует выталкивающая сила-тем большая, чем выше скорость встреч­ного потока жидкости или газа и меньше проходное сечение между внутренней стенкой трубы и корпусом прибора. В отдельных слу­чаях спуск прибора в действующие скважины представляет слож­ную техническую задачу. Во время спуска и подъема прибор под­вергается ударам, а во время работы, например, в скважине, оборудованной установками погружных электронасосов, и действию вибрационных нагрузок. Время пребывания прибора в месте измерения в зависимости от вида проводимых исследований и способа эксплуатации сква­жин составляет от нескольких часов до нескольких месяцев. Среда, в которой находится прибор, как правило, представляет собой многофазную жидкость, содержащую нефть, газ, воду и механические включения (песок, шлам и т. д.). В соответствии с указанными выше особыми условиями рабо­ты, к конструкции приборов предъявляется ряд требований. Вслед­ствие воздействия на них встречного потока жидкости или газа и необходимости спуска в геометрически ограниченное простран­ство наружный диаметр корпуса приборов в основном не должен превышать 32—36 мм, а при спуске через 37-мм трубы или в затрубное пространство — 20—25 мм. Длина его также ограниче­на — обычно не превышает 2000 мм, так как увеличение ее сверх этого предела значительно осложняет операции, связанные с под­готовкой прибора к спуску в фонтанные скважины. Измерения на больших глубинах, необходимость длительного пребывания прибора в скважине, а также высокая стоимость про­цесса измерения (вследствие необходимости проведения спуско-подъемных операций) предъявляют к приборам повышенные тре­бования по надежности работы отдельных узлов и стабильности метрологических характеристик. Поэтому даже приборы одного назначения (манометры, рас­ходомеры и др.) отличаются друг от друга конструктивным вы­полнением, техническими характеристиками и эксплуатационными качествами. Как правило, разрабатываемые приборы имеют до­вольно узкую область применения и предназначены для решения конкретных задач, ставящихся при исследовании скважин данной конструкции тем или иным методом. Основу этих методов с точки зрения измерительной техники составляют наблюдения за изме­нением давлений и расходов, а также за изменением некоторых параметров, влияющих на достоверность получаемой информации, например за температурой, и влагосодержанием потоков жид­кости. Применяемые измерительные средства характеризуются сле­дующими особенностями. Наблюдения за указанными парамет­рами проводятся с помощью автономных приборов и измеритель­ных преобразователей с дистанционной передачей показаний на поверхность. В автономных приборах обычно используют механи­ческие преобразователи измеряемой величины с выходным сигна­лом в виде перемещения. В дистанционных измерительных уст­ройствах применяют как электромеханические первичные преобра­зователи (например, давления и расхода аппаратуры «Поток»), так и чисто электрические преобразователи. К последним отно­сятся в основном преобразователь температуры и влагосодержания. Выходным сигналом первичных преобразователей является частота переменного тока, передаваемого по одножильному кабе­лю на наземную аппаратуру. Наконец, за редким исключением, автономные и дистанционные измерительные устройства выполне­ны в виде приборов прямого действия.

Из всего многообразия приборов, применяемых для измерения и регистрации температуры по стволу скважин, можно выделить три основные категории манометрические, термометры расшире­ния и электрические термометры сопротивления.

Автономные термометры

Манометрические термометры проектируются на базе мано­метров геликсного типа и представлены в основном приборами с местной регистрацией. В СССР первые манометрические тер­мометры были спроектированы в 1958 г. на базе геликсных мано­метров типа МГГ-2у. Термометры ТГГ вместо разделительного сильфона были снабжены термобаллоном, заполненным жидко­стью с высоким коэффициентом термического расширения (толуо­лом), а полость геликсной пружины заполнялась водой, коэффи­циент объемного расширения которой примерно в 6 раз меньше, чем толуола. Заполнение полости пружины и термобаллона жидко­стями с разными коэффициентами объемного расширения позво­ляет существенно уменьшить тепловую инерцию термометра. Конструкции геликсных термометров унифицированы с соот­ветствующими конструкциями геликсных манометров. Скважинные термометры типа «Сириус» (рис. 9.2.1а) разработа­ны на базе геликсных манометров МГН-2. Термоприемник прибо­ра выполнен в виде змеевика 1, полость которого сообщается с полостью геликсной пружины 2. Свободный конец этой пружины соединен с промежуточным валиком 3, на котором укреплена втулка 4, несущая на боковой поверхности пишущее перо 5. Тем­пература записывается на диаграммном бланке, вставляемом в барабан 6, который своими выступами поступательно перемеща­ется по пазам, выфрезерованным в трубе 8. Движение барабана осуществляется с помощью часового привода 10, вращающего через редуктор 9 ходовой винт 7. Барабан имеет центральную трубку, по поверхности которой скользит втулка 4 с пишущим пером. Конденсационные термометры разработаны также за рубежом. Манометры фирмы Амерада комплектуются термометрическими блоками, состоящими из термобаллона и геликсной пружины. Термобаллоны могут быть выполнены либо в виде толстостенного цилиндра, либо в виде нескольких трубок. Термоблоки, разрабо­танные фирмой Кастер, имеют термоприемник, выполненный в виде змеевика 1 (рис. 9.2.1б). Свободный конец геликса соединен с осью шлицевой муфтой 2 Для регистрации изменения температу­ры термоблоки соединяются с соответствующими регистрирующи­ми устройствами глубинных манометров: термоблок КТ— с реги­стратором манометров KPG и RPG-3, термоблоки КЗ-Т и К2-Т — с манометрами КЗ и К2, термоблок RT-7 — с регистратором мано­метра RPG-3, а термоблок RT-8 — с манометром RPG-4.

Конденсационные глубинные термометры имеют некоторые преимущества перед жидкостными термометрами.

Показания жидкостных манометрических термометров, термо­приемники которых находятся под давлением окружающей среды, зависят от изменения этого давления и толщины стенки термо­приемника. Увеличение же толщины стенки приводит к соответ­ствующему увеличению тепловой инерционности прибора. Показания конденсационных термометров практически не зависят от давления окружающей среды. Поэтому толщина стенки термопри­емника этих приборов может быть уменьшена до размеров, удов­летворяющих условиям прочности. Пределы измерения конденсационных термометров, в отличие от жидкостных, изменяются только путем подбора различных жидкостей-заполнителей. Таким образом, отпадает необходимость применения различных пружин и термобаллонов. В качестве за­полнителей для измерения температуры в диапазоне 80—180° С используется хлористый этил, в диапазоне 150—250° С—вода, в диапазоне 200—300° С — толуол и в диапазоне 250—400° С — анилин.

Недостатком конденсационных термометров является неравно­мерность шкалы, а следовательно, и различная чувствительность в диапазоне измеряемых температур. К термометрам расширения, принцип действия которых основан на свойстве жидких и твердых веществ изменять свой объем под воздействием температуры, относятся глубинные термометры пру­жинно-поршневого типа, биметаллические и жидкостно-стеклянные приборы. Пружинно-поршневые термометры с уплотненным поршнем впервые были разработаны в 1930 г. В настоящее время известны несколько конструкций глубинных термометров этого типа. Термометр фирмы «Лойтерт» конструктивно построен на базе пружинно-поршневого манометра М-57 с вращающимся поршнем. Недостаток термометра — его чувствительность к изменению давления в скважине, поскольку деформация корпуса термобалло­на приводит также к вытеснению жидкости из термобаллона. Для устранения этого недостатка А. Н. Кузнецов и А. Б. Марков-Осоргин предложили поместить термобаллон внутри герметично­го корпуса, заполненного жидкостью с хорошей теплопроводно­стью. В этом случае деформация корпуса под действием окружаю­щего давления вызывает только изменение объема кольцевого пространства между стенками корпуса и термобаллона. Глубинный термометр (рис.9.2.2,а) содержит термобаллон 6, заполненный ртутью, поршень 4, пружину 5 и электропривод 9 с источниками питания 10. Пространство 8 между термобаллоном и корпусом прибора также заполнено ртутью, причем в нем оставлен неболь­шой объем воздуха для компенсации изменения объема ртути, вызываемого изменением температуры и деформацией стенок кор­пуса под действием давления в скважине. Вращение поршня осу­ществляется электродвигателем через промежуточный вал 7, уплотненный в дне термобаллона. Пространство 3 между уплот­нением поршня и камерой, в которой размещен неподвижный барабан 1 с диаграммным бланком, частично заполнено маслом, препятствующим выходу паров ртути из термобаллона. Запись показаний осуществляется пишущей иглой 2. Пружина служит в основном для передачи вращения поршню и преодоления трения в его уплотнении. Жесткость пружины подобрана таким образом, чтобы давление в термобалло­не не превышало 0,5—0,6 МПа. Диапа­зон измерения глубинного термометра оп­ределяется вместимостью термобаллона:

Δθ=

Здесь ΔV —изменение объема термобалло­на; — начальный объем; — коэффи­циент объемного расширения ртути. Так как ΔV и постоянны для данного тер­мометра, то Δθ будет обратно пропорцио­нальна .

В УФНИИ был также разработан глубинный пружинно-поршневой термо­метр ГРТ-1 с пределом измерения тем­пературы 180° С. Конструктивная схема ГРТ-1 (рис. 9.2.2,б) аналогична схеме ма­нометров с уплотненным поршнем. Тер­мобаллон 5 расположен внутри защит­ного корпуса 4, частично заполненного ртутью. Регистрация изменения темпе­ратуры в скважине осуществляется пи­шущим пером 2 на диаграммном блан­ке, вставленном в барабан 3 часового привода 1.

Основной недостаток поршневых тер­мометров состоит в необходимости за­полнения их ртутью, которая является токсичным веществом. Кроме того, по мере увеличения верхнего предела изме­рения температуры надежность гермети­зации поршня уменьшается, а возникаю­щие при этом значительные деформации уплотнительного кольца снижают порог чувствительности прибора и точность его показаний.

Рис.9.2.2. Схемы поршневых термометров

Дистанционные термометры

Термометры с дистанционной передачей показаний на поверх­ность широко применяют при геофизических исследованиях сква­жин. Основным прибором служит термометр сопротивления, спускае­мый на трехжильном или одножильном кабеле. Измерительная схема термометра для работы с трехжильным кабелем представ­ляет собой мост сопротивлений, все плечи которого смонтированы в приборе. Для работы с одножильным кабелем в приборе поме­щается одно из плеч моста, а остальные элементы схемы монти­руются на поверхности.

Наиболее распространены глубинные термометры ТЭГ (рис.9.2.3). С их помощью измеряется температура по изменению ча­стоты RC-генератор 1, управляемого по частоте цепью RC, содержащей два термочувствитель­ных резистора и две термостатированные ем­кости С. В термометре ТЭГ-36 резисторы выпол­нены из медного провода, поэтому характери­стика прибора близка к линейной. Изменение сопротивления резисторов, обусловленное изме­нением температуры окружающей среды, приво­дит к изменению периода колебаний генератора. Переменный ток с выхода генератора 1 подает­ся на поверхность по одножильному кабелю, где длительность периода колебаний измеряется с помощью частотомера 2, выходное напряжение которого пропорционально длительности перио­да, а следовательно, и температуре. Напряжение на выходе частотомера можно определять либо по показаниям вольтметра 3, либо регистратора каротажной станции. Преде­лы измерения температур устанавливаются по­тенциометром 4. Питание скважинного прибора осуществляется от стабилизированного источни­ка питания с напряжением 250 В через балласт­ное сопротивление . Для калибровки термометр ТЭГ-36 дополнительно снабжается поверхностным калибратором, представляющим собой RC-генератор с двумя фиксированными периодами автоколебаний, соответствующими температурами 20 и 100° С. Преобразование сопротивления в ча­стоту измеряемого тока обеспечивает высокую помехоустойчи­вость, поскольку частота сигнала, определяющая измеряемую тем­пературу, практически не зависит от параметров кабеля и помех в схеме измерения. Термометр ТЭГ-36 выпускается с пределом, измерения температуры, равным 150 °С, постоянная времени со­ставляет 2 с. Диаметр прибора 36 мм, а длина 2010 мм.

9.2.3 Электрическая схема термометра ТЭГ

За рубежом глубинные термометры сопротивления разработа­ны фирмами Амерада (США) и Шлюмберже (Франция). В ка­честве чувствительного элемента термометра SRT-1 фирмы Аме­рада используется термистор, представляющий собой сопротивле­ние с очень большим отрицательным температурным коэффи­циентом. В термометре фирмы Шлюмберже применено платиновое со­противление. Дистанционные термометры типа ТЧГ разработаны ВНИИнефтепромгеофизика. Термочувствительный элемент (цилиндрический конденсатор) включен в колебательный контур генератора высо­кой частоты. При изменении температуры среды, в которой на­ходится конденсатор, изменяется его емкость, что приводит к изменению частоты генератора. На поверхности с помощью вто­ричного прибора (частотомера) измеряется частота выходного сигнала, пропорциональная измеренной температуре в скважине. Применение конденсатора устраняет погрешность, вызванную собственным тепловыделением. Вторичный прибор термометра смонтирован в лаборатории «АИСТ». Верхний предел измерения термометра ТЧГ-25 составляет 70° С. Диаметр прибора 25 мм, а длина 670 мм.

Рекомендуемая литература:

1. Гиматудинов Ш.К. – Справочная книга по добыче нефти;

2. Васильевский В. Н., Петров А.И. – Исследование нефтяных пластов и скважин;

3. Петров А.И. – Глубинные приборы для исследования скважин;

4. Щуров В.И. – Технология и техника добыча нефти;

5. Коротаев Ю.П. – Эксплуатация нефтегазовых месторождений.

6. Мищенко И.Т. – Скважинная добыча нефти.

Контрольные вопросы:

1. Назовите типы скважинных приборов?

2. Что используют в качестве заполнителей для измерения температуры?

3. Какие фирмы выпускают термометры?

4. Расскажите принцип работы термометра ТЭГ.

5. Расскажите схемы поршневых термометров.

Глоссарий:

Термобаллон — чувствительный элемент в системе автоматизации, используется как первичный преобразователь (датчик)температуры в составе систем измерения и регулирования температуры с гидравлической передачей сигнала.

Манометр - прибор, измеряющий давление жидкости или газа.

Термометр- прибор для измерения температуры воздуха, воды и так далее.

Термостат -прибор для поддержания постоянной температуры.

Дата добавления: 2014-01-03