ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ
STRAIN MEASUREMENT WITH TEMPERATURE COMPENSATION

Область техники к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, в общем, к способам и системам для контроля подземных характеристик. Более конкретно, это изобретение направлено на способы и системы для контроля напряжения внутри Земли.
Уровень техники
Объемные тензометры часто используют для контроля изменений напряжения внутри Земли. Объемные тензометры считаются наиболее чувствительными датчиками, используемыми для измерения малых изменений подземного давления или напряжения. Обычный тензометр 100, показанный на Фиг.1, может быть внесен в подземную формацию для контроля тектонического давления. Тензометр 100 содержит корпус 102, вмещающий в себя камеру 104, заполненную жидкостью, капиллярную трубку 106 и дифференциальный трансформатор 108, соединенный с капиллярной трубкой 106. Капиллярная трубка 106 посредством жидкости соединена с камерой 104. Дифференциальный трансформатор 108 измеряет объем жидкости, которая выходит или перемещается из камеры 104, когда тектоническое давление сжимает и деформирует камеру 104.
Тем не менее, если объем жидкости, перемещенной из камеры 104, превышает емкость дифференциального трансформатора 108, открывается предохранительный клапан 110, количественно измеряющий избыточную емкость, соединенный с камерой 104 посредством жидкости, и позволяет жидкости течь из камеры 104 в камеру 112 для избыточной жидкости, заполненную аргоном. Объем жидкости, который может попасть в камеру 112 для избыточной жидкости, является постоянным или дискретизированным, и тензометр считает и записывает количество раз, когда имеет место условие использования избыточной емкости. Следовательно, общее количество жидкости, перемещенной из камеры 104 в камеру 112 для избыточной жидкости, без труда определяется.
Жидкий объем V камеры 104 выражается как:
где:
D является внутренним диаметром камеры; и
L является внутренней длиной камеры.
Изменение объема ΔV, следовательно, равно:
1
2
при изменении диаметра от D до D вследствие напряжения. Следовательно, чувствительность тензометра 100 определяется его диаметром и длиной, и напряжение может быть определено измерением объема жидкости, перемещающейся из камеры 104.
-4
Жидкость в камере 104 часто является силиконовым маслом. Коэффициент α теплового расширения силиконового масла приблизительно равен 9,5×10. Следовательно, напряжение вследствие изменения температуры равно:
Тем не менее, чтобы измерить объемное напряжение порядка
-12
10 (разрешение, которого обычно добиваются при подземных работах для нефтяного промысла), требуемая стабильность температуры должна быть меньше, чем:
-9
-6
-9
Может быть трудно или невозможно поддерживать стабильность температуры с точностью до 10(°С) и может быть даже невозможно проверить, что температура тензометра поддерживается с точностью до такого порядка. Следовательно, тензометр 100 может быть оснащен термопарой 114, как показано на Фиг.1, для измерения температуры жидкости и компенсации теплового расширения жидкости вследствие температурных изменений. Самое высокое разрешение, в настоящее время возможное для температурных измерений, приблизительно равно 1/1000°С. Это соответствует разрешению напряжения порядка 10. Тем не менее, для длительного подземного наблюдения лучшее разрешение, возможное для измерения температуры, равно приблизительно 1/100°С, и многие порядки величины слишком малы, чтобы обеспечить измерение напряжения порядка 10.
-9
Кроме того, даже если температура может быть измерена с достаточной точностью, чтобы компенсировать тепловое расширение жидкости для измерений напряжений порядка 10, термопара 114 измеряет температуру жидкости только локально. Температура может быть распределена по камере 104, и измеряемая температура является температурой возле термопары. Тепловое расширение жидкости представляет действительную среднюю температуру по камере 104 или объединение теплового расширения по всему объему жидкости. Следовательно, важно уменьшить температурную чувствительность объемных тензометров и дополнительно разделить температурную зависимость и изменение давления.
Настоящее изобретение направлено на преодоление или, по меньшей мере, уменьшение следствий одной или более проблем, представленных выше.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение удовлетворяет вышеописанным и другим нуждам. Конкретно, настоящее изобретение обеспечивает способы и устройство для контроля подземных характеристик. Способы и устройство измеряют подземное давление или напряжение и компенсируют температурные изменения.
Согласно одному аспекту изобретения способ контроля подземных характеристик содержит этап, на котором измеряют изменения напряжения в земле, используя расширение жидкости для компенсации температурных изменений. Способ может включать этапы, на которых: измеряют изменения жидкого объема первой жидкости в ответ на тектонические давления, причем первая жидкость содержит первый коэффициент теплового расширения; измеряют изменения жидкого объема второй жидкости, имеющей второй коэффициент теплового расширения, причем второй коэффициент теплового расширения больше, чем первый коэффициент теплового расширения; и компенсируют температуру при измерении изменения жидкого объема первой жидкости, используя изменения жидкого объема второй жидкости. Второй коэффициент теплового расширения может быть, по меньшей мере, от двух до семи раз больше, чем первый коэффициент теплового расширения. Первая жидкость может быть выбрана из группы, состоящей из воды, ртути и глицерина; а вторая жидкость выбрана из группы, состоящей из спирта, бензола, ацетона, эфира и силиконового масла. Первое расширение используется для компенсации изменений действительной средней температуры, а не только изменений локальной температуры, как делали термопары уровня техники.
Согласно некоторым аспектам способ может содержать этап, на котором уменьшают объем первой жидкости, используемой для измерения напряжения, до объема, меньшего, чем объем второй жидкости, используемой для компенсации температуры. Уменьшение может включать внесение твердого объекта с маленьким коэффициентом теплового расширения в контейнер с первой жидкостью.
Согласно некоторым аспектам способ содержит этапы, на которых обеспечивают первую камеру жидкости, чувствительной к напряжению, причем первая камера жидкости содержит первый объем жидкости; обеспечивают вторую камеру жидкости, нечувствительной к напряжению, так как корпус первой камеры выдерживает давление при помощи своей деформации, причем вторая камера жидкости содержит второй объем жидкости; измеряют жидкость, перемещенную из первой камеры жидкости в ответ на тектоническое давление; измеряют расширение второго объема жидкости в ответ на температурные измерения; и компенсируют температуру измеренной жидкости, перемещенной из первой камеры с жидкостью, при помощи измеренного расширения второго объема жидкости. Жидкость в первой и второй камерах с жидкостью может быть одинаковой или различной. Например, жидкость в первой камере с жидкостью может иметь меньший коэффициент теплового расширения, чем жидкость в камере со второй жидкостью.
Согласно некоторым аспектам способ содержит этапы, на которых обеспечивают первую камеру жидкости, имеющую первый внешний размер, чувствительную к напряжению и имеющую первый объем жидкости, заполняющей первую камеру; обеспечивают вторую камеру жидкости, имеющую первый внешний размер, чувствительную к напряжению, имеющую второй объем жидкости, заполняющую вторую камеру, причем второй объем жидкости меньше, чем первый объем жидкости; измеряют перемещение первого объема жидкости из первой камеры в ответ на напряжение и в ответ на температурные изменения; измеряют перемещение второго объема жидкости из второй камеры в ответ на напряжение и в ответ на часть температурных изменений; и компенсируют температуру для напряжения, используя изменение частичного перемещения вследствие температурных изменений во второй камере. Способ может также включать в себя этап, на котором уменьшают первый объем жидкости при помощи внесения первого объекта в первую камеру и уменьшают второй объем при помощи внесения второго объекта во вторую камеру.
Другой аспект способа включает в себя этапы, на которых: обеспечивают первую камеру жидкости, чувствительную к тектоническому давлению, имеющую первый объем жидкости; обеспечивают вторую камеру жидкости, концентрическую по отношению к первой камере жидкости, имеющую второй объем жидкости, причем вторая камера жидкости нечувствительна к тектоническому давлению; измеряют перемещение первого объема жидкости из первой камеры жидкости в ответ на напряжение и в ответ на температурные изменения; измеряют перемещение второго объема жидкости из второй камеры жидкости в ответ на температурные изменения; и компенсируют температуру для напряжения, используя измеренное перемещение второго объема жидкости вследствие температурных изменений. Первый объем может быть определен при помощи кольца между первой и второй камерами.
Другой аспект изобретения обеспечивает способ измерения подземного напряжения. Способ содержит этапы, на которых: заполняют первую камеру объемного тензометра первой жидкостью; заполняют вторую камеру объемного тензометра второй жидкостью; измеряют объем жидкости, перемещенный из первой камеры в ответ на тектоническое давление; измеряют расширение второй жидкости вследствие температурных изменений; и компенсируют температурные изменения для измерения первой жидкости, перемещенной из первой камеры, используя измерения расширения для второй жидкости. Первая камера может содержать чувствительную к напряжению камеру, а вторая камера содержит нечувствительную к напряжению камеру.
Другой аспект изобретения обеспечивает другой способ контроля подземных характеристик. Способ содержит этапы, на которых измеряют изменения напряжения в земле при помощи объемного тензометра и компенсируют температурные изменения без использования термопары. Этап компенсации температуры может включать этап, на котором измеряют расширение жидкости для отдельного объема жидкости. Этап измерения изменений напряжения может содержать этапы, на которых измеряют изменения емкости жидкости первой камеры, содержащей первую жидкость, в ответ на тектонические давления и температурные изменения, причем первая жидкость имеет первый коэффициент теплового расширения; измеряют изменения объемной емкости жидкости второй камеры, содержащей вторую жидкость, в ответ на тектонические давления и температурные изменения, причем вторая жидкость имеет второй коэффициент теплового расширения, причем второй коэффициент теплового расширения отличается от первого коэффициента теплового расширения; и вычисляют объемное напряжение, независимое от температуры. Этап измерения изменений напряжения может также содержать этапы, на которых измеряют изменения объемной емкости жидкости первой камеры, содержащей первую жидкость, в ответ на тектонические давления и температурные изменения, причем первая камера чувствительна к напряжению; измеряют изменения объемной емкости жидкости второй камеры, содержащей вторую жидкость, в ответ только на температурные изменения, причем вторая камера нечувствительна к напряжению; и вычисляют объемное напряжение при компенсации температуры при помощи вычитания измеренных изменений объемной емкости жидкости второй камеры из измеренных изменений объемной емкости жидкости первой камеры.
Другой аспект изобретения обеспечивает объемный тензометр. Объемный тензометр содержит корпус, камеру для измерения напряжений, заполненную первой жидкостью, камеру для компенсации температуры, заполненную второй жидкостью, причем измеритель первой жидкости функционально соединен с камерой для измерения напряжений для измерения жидкости, перемещенной из камеры для измерения напряжений, а измеритель второй жидкости функционально соединен с камерой для компенсации температуры для измерения жидкости, перемещенной из камеры для компенсации температуры. Согласно некоторым вариантам осуществления камера для измерения напряжений деформируется в ответ на тектоническое давление, а камера для компенсации температуры не деформируется в ответ на тектоническое давление. Первая и вторая жидкости могут иметь одинаковый коэффициент теплового расширения.
Согласно некоторым вариантам осуществления тензометра, тем не менее, камера для измерения напряжения и камера для компенсации температуры, по существу, одинаково деформируются в ответ на тектоническое давление, и первая и вторая жидкости имеют различные, известные коэффициенты теплового расширения.
Некоторые варианты осуществления объемного тензометра включают твердый объект в одной или в обеих камерах для измерения напряжений и для компенсации температуры, причем жидкое кольцо определено между твердым объектом и корпусом. В вариантах осуществления, включающих твердый объект в обеих камерах для измерения напряжений и для компенсации температуры, диаметры твердых объектов могут быть различными.
Согласно некоторым вариантам осуществления объемного тензометра камера для компенсации температуры является концентрической по отношению к камере для измерения напряжений. Камера для компенсации температуры может быть расположена внутри корпуса, и камера для измерения напряжений может содержать кольцо между корпусом и камерой для компенсации температуры. Камера для измерения напряжений также может быть разделена на секции для измерения направления тектонического давления. Тензометр может также включать множество термических проводящих пластин, протягивающихся от камеры для компенсации температуры до камеры для измерения напряжений.
Согласно некоторым вариантам осуществления объемного тензометра клапан, количественно измеряющий избыточную емкость, посредством жидкости соединен с камерой для измерения напряжений. Дополнительно, измерители первой и второй жидкостей могут каждый содержать дифференциальный трансформатор, соединенный с капиллярной трубкой.
Изобретение обеспечивает другой объемный тензометр, содержащий внешний корпус, внутренний корпус, нечувствительный к деформации вследствие тектонического давления, причем первая жидкость расположена между внешним корпусом и внутренним корпусом, вторая жидкость расположена во внутреннем корпусе, первая капиллярная трубка посредством жидкости соединена с первой жидкостью, вторая капиллярная трубка посредством жидкости соединена со второй жидкостью, первый дифференциальный трансформатор соединен с первой капиллярной трубкой, а второй дифференциальный трансформатор соединен со второй капиллярной трубкой. Тензометр может включать предохранительный клапан, количественно измеряющий избыточную емкость, посредством жидкости соединенный с первой жидкостью, и множество секций, расположенных между внешним корпусом и внутренним корпусом. Согласно вариантам осуществления, включающим секции, внутренний корпус может быть укреплен, чтобы противостоять напряжению вследствие сообщенных сил. Тензометр может включать термические проводящие пластины, расположенные внутри внутреннего корпуса и протягивающиеся, по меньшей мере, до внутреннего корпуса, причем каждая из множества термических проводящих пластин содержит, по меньшей мере, одно отверстие, пропускающее жидкость внутрь. Термические проводящие пластины могу также поглощать любые силы, сообщенные внешним корпусом.
Другой аспект изобретения обеспечивает способ уменьшения зависимости от расширения жидкости, содержащий этапы, на которых сохраняют внутренний размер устройства для измерения характеристик и уменьшают объем внутренней жидкости измерительного устройства при помощи внесения твердого объекта в измерительное устройство, чтобы уменьшить термическое расширение внутренней жидкости.
Дополнительные преимущества и новые признаки изобретения будут изложены в последующем описании или могут быть изучены специалистами в данной области техники при прочтении этих материалов или при осуществлении изобретения на практике. Преимущества изобретения могут быть получены посредством приложенной формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Сопроводительные чертежи иллюстрируют предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения и являются частью описания. Вместе с последующим описанием чертежи демонстрируют и объясняют принципы настоящего изобретения.
Фиг.1 иллюстрируют однокамерный объемный тензометр согласно уровню техники.
Фиг.2 является сечением кольцевого тензометра согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3А является сечением двухкамерного объемного тензометра согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3В является видом сверху двухкамерного объемного тензометра по Фиг.3А.
Фиг.4 является сечением двухкамерного объемного тензометра согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5 является сечением двухкамерного объемного тензометра с внутренним объектом, включенным в одну из камер согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.6 является сечением двухкамерного объемного тензометра с внутренними объектами, включенными в обе камеры согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.7 является сечением объемного тензометра с двумя концентричными камерами согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.8 является видом сверху объемного тензометра с двумя концентричными камерами с секциями для измерения направления тектонического давления согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.9 является видом сверху объемного тензометра с двумя концентричными камерами с секциями и термическими пластинами согласно другому варианту настоящего изобретения.
На чертежах идентичные ссылочные позиции обозначают похожие, но необязательно идентичные элементы.
Осуществление изобретения
Ниже описаны проиллюстрированные варианты осуществления и аспекты изобретения. Будет, несомненно, принято во внимание, что при развитии любого такого действительного варианта осуществления должны быть приняты многочисленные решения для конкретных реализаций, чтобы достигнуть конкретных целей разработчиков, таких как соответствие связанным с системой и предприятием ограничениям, которые будут отличаться от одной реализации к другой. Кроме того, будет принято во внимание, что такая попытка развития может быть комплексной и трудоемкой, но была бы, тем не менее, обычным занятием для специалистов в данной области техники, имеющих преимущество от этого раскрытия.
Настоящее изобретение рассматривает способы и устройство для контроля подземных характеристик, таких как давление или изменения напряжений в Земле. Различные способы и устройства рассматриваются для измерения давления или напряжения и в то же время также для компенсации температурных изменений. Предпочтительные варианты осуществления способов и устройств описаны ниже и могут, в частности, хорошо подходить для приложений нефтяного промысла. Тем не менее, способы и устройства, представленные здесь, не ограничиваются такими приложениями. Способы и системы могу быть применены к постоянному или полупостоянному производству или другим приложениям, таким как каротаж во время бурения (LWD) и измерение во время бурения (MWD). В более широком смысле описанные здесь технологии могут быть применены к любым измерениям подземных характеристик.
Используемый в описании и формуле изобретения термин «жидкость» означает непрерывное, аморфное вещество, молекулы которого свободно двигаются друг за другом и которое стремится принять форму сосуда, включающее и жидкости, и газы. «Расширение» обозначает увеличение или уменьшение размера по сравнению с начальным условием. Уменьшение размера указывало бы отрицательное «расширение». «Твердое тело» обозначает состояние вещества, имеющего определенную форму, и необязательно означает объект, не являющийся полым. Термин «укрепленный» означает упроченный, что может быть достигнуто при помощи структурного выполнения, выбора материала, увеличения толщины стенок и т.д. Слова «включающий» и «имеющий», используемые в описании, включая формулу изобретения, имеют одинаковое значение со словом «содержащий».
Представленные здесь способы и системы для контроля подземных характеристик включают описание, по меньшей мере, двух общих принципов. По меньшей мере, два общих принципа включают уменьшение зависимости от температуры и компенсацию температурных изменений для объемных тензометров. Способы и устройство для компенсации температуры дополнительно подразделяются на системы, использующие, по меньшей мере, две различные рабочие жидкости, и системы, использующие чувствительную к напряжению камеру и нечувствительную к напряжению камеру.
Как упомянуто выше при описании уровня техники изобретения, подземные измерения давления и напряжения наиболее точно проводятся с помощью объемных тензометров. Тем не менее, объемные тензометры зависят от температуры. Следовательно, важно компенсировать температурные изменения или, по меньшей мере, уменьшить зависимость от температуры, чтобы производить точные измерения давления или напряжения. Давление и напряжение пропорциональны друг другу в интервале упругих деформаций в зависимости от упругих постоянных. Следовательно, хотя далее в описании термины «давление» и «напряжение» могут использоваться индивидуально, понятно, что специалисты в данной области техники, использующие данное раскрытие, смогут вычислить давление при помощи измерения напряжения, и наоборот.
Ниже в таблице перечислены примеры коэффициентов теплового расширения нескольких различных материалов. В общем, как показано в таблице, коэффициенты теплового расширения твердых тел обычно на порядок меньше, чем коэффициенты теплового расширения жидкостей.
Коэффициенты теплового расширения различных материалов
Объемные коэффициенты теплового расширения материалов
Твердые тела [×10<sup>-6</sup>]
Жидкости [×10<sup>-3</sup>]
Алюминий
69
Вода
0,21
Медь
50
Спирт
1,2
Сталь
39
Ртуть
0,18
Инвар
2,7
Глицерин
0,51
Стекло
27
Бензол
1,2
Кварцевое стекло
1,5
21%-ный раствор соли в воде
0,41
Керамика
9
Ацетон
1,5
Цемент
30~39
Эфир
1,7
Кирпич
27
Силиконовое масло
0,95
Коэффициенты теплового расширения также значительно изменяются среди жидкостей. Например, коэффициент теплового расширения воды почти в пять раз меньше, чем коэффициент теплового расширения силиконового масла. Следовательно, одним из способов уменьшения зависимости объемных тензометров от температуры может быть замена силиконового масла на воду в качестве рабочей жидкости. Тем не менее, чтобы достигнуть разрешения, требуемого для измерения подземного напряжения, зависимость от температуры необходимо уменьшить на порядки величины, что не достигается только заменой рабочей жидкости.
Уравнение (2) представляет изменение объема вследствие напряжения, а уравнение (3) представляет изменение объема вследствие температуры. Из уравнений (2) и (3) следует, что уменьшение объема жидкости без уменьшения диаметра камеры уменьшает зависимость тензометра от температуры.
Фиг.2 иллюстрирует устройство и способ для уменьшения температурной зависимости согласно принципам настоящего изобретения. Фиг.2 иллюстрирует тензометр 200, включающий корпус 202 с первой камерой, такой как цилиндрическая камера 204, имеющая диаметр D. Корпус 202 может также содержать капиллярную трубку 106 (Фиг.1), измеритель потока жидкости, такой как дифференциальный трансформатор 108 (Фиг.1), предохранительный клапан 110 (Фиг.1) количественно измеряющий избыточную емкость, и камеру 112 (Фиг.1) для избыточной жидкости. Тем не менее, в отличие от тензометра 100 на Фиг.1 внутри тензометра 200 помещен твердый объект, такой как брусок 216, имеющий диаметр d.
1
2
Как упомянуто выше и показано в таблице, коэффициент теплового расширения твердого тела почти в десять раз меньше, чем для жидкости. Принимая, что тектоническое давление изменяет диаметр тензометра 200 от D до D, внутренний объем тензометра изменяется как:
Изменение объема вследствие тектонического давления, которое также является объемом жидкости, перемещенной из цилиндрической камеры 204 и измеренной измерителем потока, является, следовательно, следующим:
Следовательно, изменение объема не зависит от диаметра твердого объекта, помещенного внутрь.
Тем не менее, также будет иметь место изменение объема вследствие расширения жидкости в цилиндрической камере 204 в ответ на температурные изменения. Изменение объема вследствие расширения жидкости в цилиндрической камере 204 без бруска 216 равно:
С другой стороны, изменение объема вследствие температурного изменения при наличии бруска 216 внутри цилиндрической камеры 204, как показано на Фиг.2, равно:
Следовательно, изменение объема (и, таким образом, измерения напряжения) при наличии бруска 216 имеет меньшую температурную зависимость. Следовательно, при уменьшении объема жидкости цилиндрической камеры (объем кольца между корпусом 202 и бруском 216) также значительно уменьшается чувствительность к температуре тензометра 200.
Уменьшение чувствительности к температуре может все еще не обеспечивать уровень точности, требуемый для объемного тензометра. Может быть необходимой компенсация температурного расширения дополнительно или вместо уменьшения объема первой камеры при сохранении наряду с этим диаметра первой камеры. Одним способом компенсировать температурные эффекты согласно настоящему изобретению можно использованием двух различных жидкостей, причем каждая имеет различный коэффициент теплового расширения, в двух отдельных камерах, как показано на Фиг.3А-3В.
Фиг.3А-3В иллюстрируют устройство и способ согласно принципам настоящего изобретения для измерения подземного напряжения при компенсации температурных изменений. Фиг.3 иллюстрирует тензометр 300, включающий корпус 302 с первой или тензометрической камерой 304, и второй камерой или камерой 318 для компенсации температуры. Корпус 302 может также содержать капиллярную трубку 106, первый и второй измерители потока жидкости, такие как дифференциальный трансформатор 108 (Фиг.1), предохранительный клапан 110 (Фиг.1), количественно измеряющий избыточную емкость, и камеру 112 (Фиг.1) для избыточной жидкости. Фактически, и тензометрическая камера 304, и камера 318 для компенсации температуры могут быть функционально соединены с отдельными капиллярными трубками, измерителями потока жидкости, предохранительными клапанами, количественно измеряющими избыточную емкость, и камерами для избыточной жидкости, похожими или идентичными выполненным на Фиг.1. Как показано на Фиг.3В, тензометрическая камера 304 и камера 318 для компенсации температуры могут быть цилиндрическими и уложенными одна над другой. Тензометрическая камера 304 и камера 318 для компенсации температуры показаны на Фиг.3А-3В имеющими одинаковые формы, размеры и структуры, из условия, чтобы они одинаково подвергались напряжению, будучи подверженными одинаковому давлению.
Согласно варианту осуществления по Фиг.3А-3В тензометрическая камера 304 заполнена первой жидкостью, имеющей первый коэффициент теплового расширения. Первая жидкость может включать ртуть, воду или глицерин, но не ограничивается ими. Камера 318 для компенсации температуры заполнена второй жидкостью, имеющей второй коэффициент теплового расширения. Второй коэффициент теплового расширения больше, чем первый коэффициент теплового расширения, предпочтительно, по меньшей мере, от двух до семи раз больше, чем первый коэффициент теплового расширения, или больше. Следовательно, вторая жидкость намного более чувствительна к температуре (то есть, вторая жидкость расширится намного больше, чем первая жидкость при заданном температурном изменении), чем первая жидкость. Вторая жидкость может включать эфир, ацетон, спирт, бензол или силиконовое масло, но не ограничиваться ими. Изменение объема второй жидкости, вероятно, главным образом происходит вследствие вызванного температурой расширения и, следовательно, действует как большой высокочувствительный тензометр. Термическое расширение второй жидкости при ее перемещении из камеры 318 для компенсации температуры может быть измерено дифференциальным трансформатором так же, как и тензометром, показанным на Фиг.1.
1
2
Принимая, что диаметры тензометрической камеры 304 и камеры 318 для компенсации температуры каждый деформируются от значения D до D вследствие изменения тектонического давления и что длины камеры каждой камеры равны, отклики тензометрической камеры 304 и камеры 318 для компенсации температуры могут быть записаны как:
1
2
где V представляет жидкий объем тензометрической камеры 304, а V представляет жидкий объем камеры 318 для компенсации температуры.
Следовательно, температурное изменение равно:
и объемное напряжение можно найти из:
которое не зависит от температуры и, следовательно, имеет место компенсация температуры.
Другим вариантом устранить зависимость от температуры является измерение давления и температуры, используя разницу в отклике давления и отклике температуры. Это может быть сделано, используя две камеры и одну рабочую жидкость. Фиг.4 иллюстрирует тензометр 400 с двумя камерами: тензометрической камерой 404, и камерой 418 для компенсации температуры, причем обе камеры заполнены одной рабочей жидкостью. И тензометрическая камера 404, и камера 418 для компенсации температуры могут также включать дополнительные компоненты, показанные на Фиг.1 (за исключением термопары 114), для измерения объемов жидкости, перемещенных из камер.
Тем не менее, согласно варианту осуществления по Фиг.4 тензометрическая камера 404 является чувствительной к напряжению и, таким образом, деформируется в ответ на тектоническое давление, а камера 418 для компенсации температуры является нечувствительной к напряжению и не деформируется в ответ на тектоническое давление. Камера 418 для компенсации температуры может быть укреплена или упрочена иным образом так, что она не деформируется и перемещает жидкость в ответ на уровни давления, ожидаемые в окружающей среде, в которую помещен тензометр 400. Если две камеры выполнены с возможностью иметь одинаковый объем жидкости, как показано, тогда и тензометрическая камера 404, и камера 418 для компенсации температуры будут иметь одинаковый отклик на температурные изменения. Так как камера 418 для компенсации температуры нечувствительна к напряжению и измеряет только температуру, действительный отклик на давление есть:
Следовательно, общее измерение напряжения является только измерением напряжения, а не расширения жидкости вследствие температурных изменений. Кроме того, основываясь на компенсации температуры при расширении жидкости, происходит компенсация действительной средней температуры, в отличие от компенсации только локальной температурой, производимой термопарой.
Также в камере 418 для компенсации температуры можно использовать другую жидкость с более высоким коэффициентом теплового расширения. Использование жидкости, имеющей более высокий коэффициент теплового расширения, может обеспечить больший отклик на температуру или такой же отклик на температуру при уменьшенном объеме. При изготовлении тензометра 404 большего объема с камерой 418 для компенсации температуры меньшего объема улучшается чувствительность измерения давления.
Другие способ и устройство, которые могут быть использованы для улучшения измерения напряжения, могут включать использование камер другого объема. Фиг.5 иллюстрирует тензометр 500 с корпусом 502 и первой и второй камерами 504, 518 для измерения напряжения. Как и в предыдущих вариантах осуществления, каждая из камер 504, 518 для измерения напряжения предпочтительно включает капиллярную трубку 106 (Фиг.1), измеритель потока жидкости, такой как дифференциальный трансформатор 108 (Фиг.1), предохранительный клапан 110 (Фиг.1), количественно измеряющий избыточную емкость, и камеру 112 (Фиг.1) для избыточной жидкости. Фиг.5 также иллюстрирует внесение внутреннего твердого бруска 516 во вторую камеру 518 для измерения напряжения, чтобы уменьшить количество жидкости внутри второй камеры 518. Следовательно, первая камера 504 для измерения напряжения реагирует на напряжение и температуру, тогда как вторая камера 518 для измерения напряжения реагирует на напряжение и часть температуры. Примем, например, что объемная емкость жидкости второй камеры 518 для измерения напряжения составляет одну десятую от объемной емкости жидкости первой камеры 504 для измерения напряжения. Отклики камер равны:
Тогда,
Также можно использовать жидкость с относительно низким тепловым расширением в первой камере 504 и жидкость с относительно высоким тепловым расширением во второй камере 518, чтобы улучшить отклик на напряжение первой камеры 504, имеющей увеличенный размер, и второй камеры 518, имеющей уменьшенный размер.
Две камеры 604, 618 сконструированы соответственно со стержнями 616, 620 различного размера, согласно варианту осуществления тензометра 600, показанного на Фиг.6. Примем, например, что объем первой камеры 604 уменьшен на 20% по сравнению с обычной емкостью (емкостью жидкости без первого стержня 616) и что объем второй камеры уменьшен на 10% по сравнению с обычной емкостью, тогда отклики каждой камеры могут быть записаны как:
Тогда,
Дроби 0,1 и 0,2 используются только в качестве примера. Кроме того, длины L двух камер 604, 618 и жидкости, содержащиеся в двух камерах 604, 618, могут быть различными. Следует понимать, несомненно, что каждая камера 604, 618 воплощения на Фиг.6 предпочтительно будет включать компоненты Фиг.1 (за исключением термопары).
Эффект вычитания температурного расширения для варианта осуществления, показанного на Фиг.5, велик, и результирующее давление мало. Следовательно, небольшие ошибки при измерении температуры могут привести к ошибкам при оценке давления. Согласно варианту осуществления на Фиг.6 температурные эффекты уменьшают при помощи уменьшения жидкого объема. Давление получают удалением небольших температурных эффектов, и любая ошибка должна быть маленькой.
Варианты осуществления, описанные выше со ссылками на Фиг.4-6, раскрывают устройства с несколькими камерами, размещенными друг над другом. Следовательно, температуру и напряжение измеряют на незначительно отличающихся глубинах или положениях вдоль тензометров. Если, например, один из тензометров 400/500/600 является длинным, давление и температура в различных положениях могут немного отличаться. В идеале, температура и давление должны были бы измеряться на одной глубине или в одном положении, чтобы избежать любых неопределенных ошибок.
Фиг.7 иллюстрирует тензометр 700 с камерой для компенсации температуры, расположенной внутри тензометра. Тензометр 700 на Фиг.7 включает внешний корпус 702, внутренний корпус 722 и кольцо, образованное между внутренним корпусом 722 и внешним корпусом 702. Кольцо содержит первую камеру или камеру 704 для измерения напряжения, и внутренний корпус 722 определяет вторую камеру или камеру 718 для компенсации температуры. Согласно варианту осуществления на Фиг.7 вторая камера 718 является внутренней по отношению к первой камере 704. Вторая камера 718 предпочтительно является концентрической или нецентрированной по отношению к первой камере 704. По-прежнему следует понимать, что каждая камера 704, 718 варианта осуществления на Фиг.7 предпочтительно будет включать компоненты Фиг.1 (за исключением термопары).
Кольцо или первая камера 704 заполнены первой жидкостью, имеющей первый коэффициент теплового расширения, предпочтительно такой жидкостью, как ртуть или вода, имеющей уменьшенный отклик на температуру. Внешний корпус 702 чувствителен к напряжению, и, следовательно, тектоническое давление деформирует внешний корпус 702 и перемещает измеряемый объем первой жидкости в первой камере.
Вторая камера 718 содержит вторую жидкость. Внешний корпус 702 выдерживает все тектонические давления при помощи деформации. Жидкость в кольце или первой камере 704 сдавливается, но существенного изменения давления в первой жидкости в результате тектонического давления не происходит. Внутренний корпус 722 не выдерживает никакое тектоническое давление, если не будут предусмотрены ребра или перегородки, механически соединенные между внешним корпусом 702 и внутренним корпусом 722. Вторая камера 718 чувствительна только к температуре. Кроме того, объем жидкости в первой камере 704 уменьшается в результате наличия концентрического внутреннего корпуса 722, и, следовательно, эффект температурного расширения первой жидкости мал. Вторая жидкость имеет второй коэффициент теплового расширения, который предпочтительно является высокочувствительным к температурным изменениям. Вторая жидкость может содержать эфир, ацетон или другие жидкости из условия, чтобы объем, перемещенный из второй камеры, доминировал над изменениями в температуре. Низкая температурная зависимость первой жидкости в первой камере 704 дополнительно компенсируется температурным откликом второй жидкости, содержащейся во второй камере.
1
2
1
2
Если внутренний диаметр внешнего корпуса 702 деформируется от D до D, наблюдаемое изменение ΔVперемещенного объема жидкости является суммой теплового расширения первой жидкости и изменения внутреннего объема первой камеры 704. ΔV является объемом второй жидкости, перемещенной из второй камеры 718 вследствие теплового расширения второй жидкости. Внутренний диаметр второй камеры 718 обозначен d. Следовательно:
И объемное напряжение равно:
которое не зависит от температуры, или имеет место компенсация температуры.
Фиг.8 иллюстрирует, согласно одному варианту осуществления, вид сверху тензометра 800 с двумя концентрическими камерами, подобного или идентичного тензометру 700, показанному на Фиг.7. Как показано на Фиг.8, кольцо, определяемое внешней камерой 804 между внутренним корпусом 822 и внешним корпусом 802, может быть разделено на несколько секций при помощи трех или более перегородок 824. Несколько перегородок 824 допускают направленное измерение тектонического давления.
Каждый отдельный отсек внешней камеры 804 предпочтительно заполнен первой жидкостью, имеющей относительно низкий коэффициент теплового расширения, такой как ртуть или вода. Внутренняя камера 818 укреплена или упрочена так, что она не деформируется вследствие внешнего давления, передаваемого перегородками 824, и сохраняет постоянный внутренний объем. Внутренняя камера 818 заполнена второй жидкостью, которая предпочтительно является высокочувствительной к температуре, такой как эфир или ацетон, так что любой объем жидкости, перемещенной из внутренней камеры 818, доминирует над температурными изменениями (тепловым расширением второй жидкости).
Фиг.9 иллюстрирует вид сверху тензометра 900 с двумя концентрическими камерами согласно другому варианту осуществления, подобного или идентичного тензометру 700, показанному на Фиг.7. Тензометр 900 на Фиг.9 является многокомпонентным тензометром, причем внешняя камера 904, ограниченная внутренним корпусом 922 и внешним корпусом 902, поделена на четыре подкамеры при помощи четырех перегородок 924. Дополнительно, тензометр 900 включает термические проводящие пластины 926, установленные в укрепленной внутренней камере 918 и протягивающиеся, по меньшей мере, до внутреннего корпуса 922 для более эффективной передачи тепла от внешней камеры 904 к внутренней камере 918. Термические проводящие пластины 926 могут включать, каждая, одно или более отверстий, чтобы позволить прохождение жидкости через внутреннюю камеру 918. Любые температурные изменения в подземной формации, в которую внесен тензометр 900, будут передаваться первой жидкости во внешней камере 904. Затем тепло быстро передается из внешней камеры 904 во внутреннюю камеру 918 при помощи термических проводящих пластин 926. Термические проводящие пластины 926 уменьшают задержку достижения теплового равновесия между внешней и внутренней камерами 904, 918, улучшая передачу тепла между ними.
Описанные выше способы и устройства для измерения напряжения, уменьшающие температурную зависимость и/или компенсирующие температурные изменения, являются по своему характеру примерными. Предпочтительные варианты осуществления и аспекты были раскрыты для обучения принципам настоящего изобретения, которые включают подземные измерения напряжения при компенсации температуры без использования термопары и корректировки при помощи измерения расширения жидкости. Специалисты в данной области техники, использующие данное раскрытие, понимают, что могут быть сделаны многие изменения в структуре и воплощении для удовлетворения конкретных целей. Тем не менее, любые способ и устройство для подземных измерений, уменьшающие температурную зависимость при помощи уменьшения объема тензометра или компенсации температуры, основанных на принципах расширения жидкости, предусмотрены изобретением.
Следовательно, предшествующее описание было представлено только для иллюстрации и описания изобретения. Оно не является исчерпывающим и не предназначено для ограничения изобретения любой точной раскрытой формой. Возможны многие модификации и изменения в свете вышеописанного.
Предпочтительные варианты осуществления были выбраны и описаны для лучшего объяснения принципов изобретения и его практического применения. Предшествующее описание направлено на то, чтобы дать возможность специалистам в данной области техники лучшим образом использовать изобретение в различных вариантах осуществления и с различными модификациями, подходящими для конкретного предусмотренного использования. Оно направлено на то, что объем изобретения был определен последующей формулой изобретения.
Следует заметить, что жидкость, ограниченная укрепленными камерами, является нечувствительной к напряжению и чувствительной к температуре. Это термометр с действительно очень высоким разрешением. Этот термометр полезен не только для компенсации тензометра, но также для других зависящих от температуры датчиков.
Внешний корпус концентрических или нецентрированных камер предотвращает передачу давления во внутренние корпусы, при этом жидкость по-прежнему передает тепло от внешнего корпуса к внутреннему корпусу.
Специалисты в данной области техники, использующие это раскрытие, также понимают, что устройство, описанное выше, может быть также использовано для измерения температуры и компенсации напряжения, в отличие от измерения напряжения и компенсации температуры. Следовательно, некоторые способы согласно принципам настоящего изобретения включают измерение температурных изменений в Земле, используя расширение жидкости, чтобы скомпенсировать изменения напряжения.