Термометрическая коса (термокоса)
THERMOMETRICAL CHAIN (THERMIC CHAIN)

Изобретение относится к области измерения температуры посредством термометрических электрических датчиков и предназначено для одновременного измерения и регистрации значений температуры грунтов в нескольких точках объекта в зависимости от его конструкции, в частности в термометрических скважинах любого типа в полевых условиях, проведения стационарных и лабораторных исследований температурного режима талых, мерзлых, охлажденных и промерзающих/оттаивающих грунтов, организации сети для мониторинга теплового режима грунтов с большим количеством точек наблюдения, в том числе в пожаро-, взрывоопасных и агрессивных средах.
Температура является основной характеристикой процессов промерзания/оттаивания грунтов. От температурного режима грунтов зависят развитие и интенсивность проявления криогенных процессов, а также теплофизические и физико-механические свойства талых, мерзлых, охлажденных, промерзающих и оттаивающих грунтов, поэтому исследование температурного режима грунтов является основной задачей при инженерно-геологических изысканиях, при проектировании инженерных сооружений и фундаментов и оценке их устойчивости. Изменчивость температурного режима грунтов приходится учитывать при мониторинге и разработке мероприятий по охране окружающей среды в области развития многолетнемерзлых пород и глубокого сезонного промерзания талых грунтов. Кроме того, по неоднородности температурного поля грунтов судят о наличии движения подземных вод, нефти и газоконденсата, наличии продуктов радиоактивного распада, процессов окисления в горючих сланцах и углях. Также наличие температурного градиента в грунте является косвенным показателем тектонической активности.
Существуют различные переносные и стационарные термоизмерительные комплекты, содержащие электрические датчики и предназначенные для измерения температуры грунтов в заранее подготовленных и выстоянных термометрических скважинах.
Известно устройство для теплового каротажа скважин (RU 2314416 C2, МПК Е21В 47/06, G01K 7/20, опубликовано 10.01.2008 г., Бюл. №1), содержащее три одинаковых размещенных вдоль оси скважины на заданном расстоянии термочувствительных датчика для измерения второй разности температуры, первый, второй и третий. Термочувствительные датчики идентичны и включают в себя по четыре одинаковых термочувствительных резистора, объединенных в термочувствительные мосты. Разность разбалансов термочувствительных мостов пропорциональна второй разности температуры, а сумма их разбалансов - первой разности; также все термочувствительные резисторы служат для измерения абсолютной температуры среды, в которой находится зонд. Первая разность температур зависит как от постоянного измерения температуры по стволу скважины, так и от ее локальных измерений. Вторая разность температур зависит только от локальных измерений температуры.
Недостатками устройства является узкая область применения, низкая точность измерения, избыточность оборудования, использование косвенных методов измерения одной зависимости от другой.
Известно устройство для мониторинга температур в протяженном объекте (RU 75692 U1, МПК Е21В 47/12, G01K 7/14, опубликовано 20.08.208 г., Бюл. №23), содержащее термоподвеску, состоящую из последовательно расположенных датчиков температуры, размещенных в защитном кожухе небольшого диаметра, управляющий микроконтроллер, преобразователь сигналов, энергонезависимое запоминающее устройство, часы реального времени, решающее устройство, блок задания начальных параметров, встроенный источник питания и интерфейс передачи данных, а также снабженное уплотнением, предназначенным для исключения попадания окружающего воздуха в скважину во время проведения измерений. Кожух выполнен в виде съемной полимерной толстостенной оболочки самонесущего кабеля.
Недостатком устройства является большое время термической реакции из-за наличия полимерной толстостенной оболочки, в которой расположена термоподвеска, а также низкая герметичность термоподвески при отсутствии полимерной толстостенной оболочки, которая приводит к отказу устройства в условиях повышенной пыли и влаги.
Наиболее близким аналогом изобретения является устройство (RU 2448335 C2, МПК Е21В 47/06, G01K 7/16, опубликовано 20.04.2012 г., Бюл. №11), предназначенное для одновременного измерения температуры в нескольких точках объекта, расположение которых определяется конструкцией объекта, и содержащее последовательно расположенные датчики температуры, соединенные между собой гибким кабелем, обеспечивающим электрическое соединение датчиков температуры, разъем для подключения устройства считывания, хранения, обработки и отображения данных. Каждый датчик температуры заключен в защитный корпус.
Недостатками устройства является недостаточная прочность на разрыв и сдавливание, потеря герметичности температурных датчиков во время эксплуатации, что ограничивает возможность применения устройства во взрыво-, пожароопасных и агрессивных средах, а также сложность конструкции за счет установки электронной печатной платы с поправочным коэффициентом в корпус каждого датчика и, соответственно, невозможность калибровки и поверки непосредственно в скважине. К недостаткам можно отнести и невозможность использования устройства с поливинилхлоридной или резиновой оболочкой кабеля в условиях Крайнего Севера из-за высокой температуры хрупкости вышеперечисленных полимерных оболочек.
Мониторинг температурного режима талых, мерзлых, охлажденных и промерзающих/оттаивающих грунтов требует применения способов отслеживания при помощи температурных измерений посредством термометрических приборов/устройств, которые должны быть адаптированными, надежными с точки зрения метрологии, выверенными с точки зрения пожаро- и взрывобезопасности и имеющими достаточную прочность на разрыв и сдавливание, чтобы обеспечивать автоматические и ручные измерения через заданные интервалы по длине и/или глубине всего объекта (в частности, термометрической скважины).
При всех методах измерения температуры при помощи электрических датчиков измерение температуры является относительным, поэтому во время установки и в течение всего периода эксплуатации электрического датчика возникает необходимость в температурной калибровке и поверке такого датчика. Действительно, такая калибровка и поверка позволяет проверить нормальную работу и/или оценить отклонение температурных показаний датчика.
С помощью настоящего изобретения достигается технический результат, состоящий в повышении точности измерения температурного режима скважин различного типа, в повышении надежности устройства при работе в пожаро-, взрывоопасных и агрессивных средах, а также в увеличении срока службы устройства и расширении диапазона его использования.
Для достижения заявленного технического результата в термометрической косе (термокосе) (далее по тексту - термокоса), содержащей последовательно расположенные датчики температуры, соединенные гибким кабелем, и оснащенной разъемом для подключения к переносному считывающему устройству - логгеру, согласно изобретению температурные датчики подпаивают непосредственно к проводам гибкого кабеля, запрессовывают с использованием пресс-формы в расплавленный материал на основе полиэтиленовой композиции той же марки, что и оболочка кабеля таким образом, что температурные датчики и кабель образуют гибкую монолитную конструкцию, оснащенную разъемом. Монолитность конструкции обеспечивает надежную герметичность устройства и, как следствие, высокую прочность, пожаро- и взрывобезопасность, а также - герметичность датчиков в течение всего срока эксплуатации термокосы.
В корпусе разъема установлена электронная печатная плата, содержащая служебную информацию, включающую порядковый номер термокосы, информацию о расположении датчиков по глубине скважины и поправочные коэффициенты на каждый температурный датчик. Размещение всей необходимой информации в разъеме, расположенном в верхней части термокосы, позволяет проводить поверку и калибровку термокосы непосредственно на месте эксплуатации, например в термометрической скважине.
В качестве гибкого кабеля может использоваться геофизический провод ГСП 0.5 (П274), сталемедные жилы которого имеют повышенную прочность на разрыв и сдавливание, что имеет значение при эксплуатации термокосы в условиях Крайнего Севера из-за образования ледяной пробки в устье скважины. Оболочка гибкого кабеля выполнена на основе полиэтиленовой композиции 153-10к, содержащей термо- и светостабилизаторы с температурой хрупкости не выше минус 70°C, что обеспечивает высокую надежность и долговечность герметизации устройства при использовании его в агрессивных средах и на особо опасных объектах нефтегазового комплекса, а также в условиях Крайнего Севера.
Чтобы исключить попадание окружающего воздуха в скважину, а, следовательно, искажения температурного поля скважины за счет конвекции, и для фиксации термокосы в скважине между разъемом и первым датчиком расположена резиновая или полимерная пробка.
В случае установки термокосы в протяженной скважине термокоса может быть намотана на катушку, выполненную из металла или пластика, расположенную на станине с тормозным устройством.
Для погружения термокосы в вертикальную скважину последний температурный датчик снабжен устройством для крепления утяжелителя.
Для установки термокосы в пологонаклонную скважину последний температурный датчик снабжен устройством для крепления троса.
Кроме того, заявленная термокоса может быть использована в качестве термощупа, то есть для измерения температуры в поверхностном слое грунта, для чего термокосу помещают в трубку круглого сечения, выполненную из нержавеющей стали, при этом один конец трубки заглушен и заострен, а другой - выполнен в виде ручки.
Сущность предлагаемого изобретения «Термометрическая коса (термокоса)» иллюстрируется чертежами, на которых одинаковые или сходные элементы снабжены одинаковыми ссылочными позициями.
На фиг. 1 представлен вид термокосы сверху по настоящему изобретению.
На фиг. 2 показан датчик температуры и разъем в разрезе по фиг. 1.
Термометрическая коса (термокоса) содержит последовательно расположенные датчики температуры 1, соединенные гибким кабелем 2, и оснащена разъемом 3. Согласно изобретению температурные датчики 1 подпаивают непосредственно к проводам гибкого кабеля 2, запрессовывают с использованием пресс-формы в расплавленный материал на основе полиэтиленовой композиции той же марки, что и оболочка кабеля таким образом, что температурные датчики и кабель образуют гибкую, герметичную монолитную конструкцию. В верхней части термокосы размещен разъем 3 для подключения к устройству считывания информации (логгеру), в который установлена печатная плата 4 с электронными компонентами. На печатную плату 4 записана служебная информация, в том числе поправочные коэффициенты для всех датчиков температуры. В разъем 3 со стороны подключения к устройству считывания информации (логгеру) установлен резиновый уплотнитель для герметизации соединения, а в месте выхода кабеля 2 из разъема 3 установлен цанговый зажим с применением герметика. Последний датчик температуры 5 имеет форму, отличную от формы других датчиков, что позволяет прикрепить к нему устройство (не показано) для погружения/помещения термокосы в скважины любого типа. Между разъемом 3 и первым датчиком температуры 1 установлена резиновая пробка 6 для фиксации термокосы в скважине. Пробка 6 может быть выполнена и из полимерных материалов.
Форма поперечного сечения защитной оболочки датчика 7 круглая.
Термокоса осуществляет одновременное измерение и регистрацию температуры грунтов в нескольких точках объекта в зависимости от его конструкции, на различных расстояниях, с определенным шагом при помощи устройства считывания (логгера).
В качестве объекта могут выступать скважины любого типа в различных грунтах (талых, мерзлых, охлажденных, промерзающих/оттаивающих).
Термокоса по настоящему изобретению работает следующим образом.
Термокосу размещают в объекте, разъем 3 располагают в доступном для подключения к устройству считывания информации (логгеру) месте. Датчики температуры 1 измеряют температуру объекта, преобразуют измеренный сигнал в цифровой вид. Результаты измерения с датчиков температуры 1 и поправочные коэффициенты с электронной платы разъема поступают на устройство считывания информации (логгер), где происходит считывание и обработка полученных данных и передача их на индикатор устройства считывания и ПК при помощи соответствующей программы. Питание термокосы осуществляется от устройства считывания информации (логгера).
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает многозонное измерение температуры с возможностью калибровки и поверки на месте эксплуатации, в частности в термометрических скважинах любого типа - вертикальных и/или пологонаклонных, обладает повышенным сопротивлением на разрыв и сдавливание и сохраняет герметичность электрических температурных датчиков в течение всего срока эксплуатации. Кроме того, оно может быть использовано в качестве термощупа для измерения температуры поверхностного слоя грунта.