СКВАЖИННЫЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ПРИБОР

Изобретение относится к геофизическому приборостроению, а конкретно к приборам для геофизических исследований нефтегазовых скважин.
С ростом глубины бурения нефтегазовых скважин увеличиваются температура и гидростатическое давление в них. Температура на забое таких скважин достигает 200-250°С.
Скважинные приборы, используемые для геофизических исследований, должны сохранять работоспособность в таких условиях и обеспечивать необходимую точность измерений.
Современные радиоэлектронные компоненты (транзисторы, микросхемы и т.д.), применяемые в электронных блоках скважинных приборов работоспособны в основном до температур 120°С, поэтому актуальна проблема их тепловой защиты.
Известен термоэлектрический автономный источник питания скважинной аппаратуры (патент РФ на изобретение №2235875, МПК E21B 47/12, опубл. 10.09.2004), содержащий корпус, элементы Пельтье с электрическими выводами, установленные на наружной поверхности корпуса и соединенные между собой параллельно, или последовательно, или последовательно-параллельно, а внутри корпуса установлен изотопный или химический источник тепловой энергии. Это устройство предназначено для питания электроэнергией скважинной аппаратуры и не решает вопросов тепловой защиты радиоэлектронных компонентов скважинных приборов.
Известен скважинный прибор телеметрической системы измерения забойных параметров скважины в процессе бурения (см. патент РФ на изобретение №2347904 МПК E21B 47/12, G01D 5/12, опубл.27.02.2009), содержащий размещенный внутри кожуха генератор, устройство для его крепления, электронный блок, включающий соединенные электрическим разъемом радиатор и шасси, на котором установлены инклинометрические датчики и электронная аппаратура.
Для обеспечения тепловой защиты между шасси и радиатором установлена дистанционная вставка, а корпус электронного блока выполнен составным из верхней и нижней частей, причем между ними нанесен теплоизолирующий слой. Между дистанционной вставкой и внутренней поверхностью корпуса электронного блока установлено не менее одного кольца из эластичного материала, предотвращающего конвекцию воздуха между радиатором и шасси, а между дистанционной вставкой и радиатором установлен теплоизолятор.
За счет теплоизоляции электронного блока от источников тепла, удаления его от теплорассеивающих узлов, ограничения тепловой конвекции в этом скважинном приборе режим работы радиоэлектронных элементов и датчиков облегчается. Однако, так как использована пассивная система тепловой защиты, по истечении некоторого времени пребывания прибора в скважине внутри него температура сравнивается с температурой окружающей среды и может увеличиваться далее из-за тепловыделения в электронном блоке и радиаторе. Поэтому этот скважинный прибор может эксплуатироваться в скважинах с температурой на забое не более 120°С (максимальная рабочая температура радиоэлектронных компонентов), то есть не обладает достаточной термостойкостью, при этом изменение температуры в электронном блоке приводит к возникновению дополнительной температурной погрешности измерений.
Известен скважинный прибор гамма-гамма-каротажа, принятый за прототип (см. патент РФ на полезную модель №41795, МПК E21B 43/25, G01V 5/12, опубл. 10.11.2004), который, в частности, содержит корпус, источник гамма-излучения, детекторы гамма-излучения, электронный блок для формирования, накопления и передачи показаний детекторов по геофизическому кабелю к наземной аппаратуре. Для тепловой защиты детекторов гамма-излучения и электронного блока служит металлический сосуд Дьюара, в который они помещены.
Благодаря высоким теплоизолирующим свойствам сосуда Дьюара, температура внутри него повышается до 120°C в течение 5-6 часов при температуре в скважине 220°C (см. А.В.Иванов, А.И.Климентий Термобаростойкий прибор двухзондового гамма-гамма-каротажа // НТВ «Каротажник» Тверь: Изд. АИС. 2006. Вып.153. С.50-55). Таким образом, этот скважинный прибор может в течение ограниченного времени (5-6 часов) эксплуатироваться в скважинах с температурой до 220°C.
Однако и в этом приборе система тепловой защиты является пассивной, поэтому температура внутри сосуда Дьюара изменяется, что приводит к снижению точности измерений из-за дополнительной температурной погрешности.
Недостатком является и ограниченное время работы скважинного прибора в условиях высокотемпературных скважин.
Задачами создания изобретения являются повышение термостойкости скважинного прибора, его эксплуатационной надежности и точности измерений в условиях высоких температур в скважинах.
Решение указанных задач достигнуто за счет того, что в скважинный геофизический прибор, включающий герметичный корпус с размещенными в нем шасси с электронным блоком и датчиками геофизических параметров, теплоизолятором и радиаторами, при этом электронный блок электрически соединен посредством каротажного кабеля с наземной аппаратурой, включающей источник электропитания скважинного прибора, а датчики подключены к входам электронного блока, дополнительно введен блок активной тепловой защиты.
Блок активной тепловой защиты содержит задатчик температуры, термометр, узел сравнения, узел питания, регулятор тока питания, охладитель-нагреватель, выполненный на основе элементов Пельтье, соединенных параллельно или последовательно или последовательно-параллельно. Вход узла питания соединен каротажным кабелем с выходом источника электропитания скважинного прибора, а выходы подключены к входам регулятора тока питания, выходы которого соединены с входами охладителя-нагревателя. Выходы задатчика температуры и термометра подключены к входам узла сравнения, а выход последнего соединен с управляющим входом регулятора тока питания. Выход термометра соединен также с одним из входов электронного блока.
Элементы Пельтье расположены на торцах шасси электронного блока и одной поверхностью находятся в тепловом контакте с шасси, а другой - с радиаторами, контактирующими с корпусом скважинного прибора, при этом шасси электронного блока отделено от корпуса теплоизолятором, которым может служить сосуд Дьюара.
Сущность изобретения поясняется фиг.1 и 2, где на фиг.1 приведена структурная электрическая схема скважинного прибора, а на фиг.2 - пример его конструктивного исполнения.
n
m
На фиг.1 изображены электронный блок 1, датчики 2…2 геофизических параметров, кабель 3 каротажный, наземная аппаратура 4, источник 5 электропитания скважинного прибора, блок 6 активной тепловой защиты, содержащий задатчик 7 температуры, термометр 8, узел 9 сравнения, узел 10 питания, регулятор 11 тока питания, охладитель-нагреватель 12, выполненный на основе элементов 13…13 Пельтье, соединенных в данном случае параллельно.
n
Датчики 2…2 геофизических параметров, подключены к входам электронного блока 1, который электрически соединен каротажным кабелем 3 с наземной аппаратурой 4 и, в частности, с источником 5 электропитания скважинного прибора.
Вход узла 10 питания блока 6 активной тепловой защиты соединен каротажным кабелем 3 с выходом источника 5 электропитания скважинного прибора, а выходы подключены к входам регулятора 11 тока питания, выходы которого соединены с входами охладителя-нагревателя 12.
Выходы задатчика 7 температуры и термометра 8 подключены к входам узла 9 сравнения, а выход последнего соединен с управляющим входом регулятора 11 тока питания. Выход термометра 8 также соединен с одним из входов электронного блока.
На фиг.2 изображены корпус 14 скважинного прибора, шасси 15 электронного блока, теплоизолятор 16, плоские термоэлектрические элементы 17 Пельтье, радиаторы 18, винты 19, гайки 20, электропровода 21 питания.
На шасси 15 электронного блока размещены не показанные на чертеже датчики геофизических параметров, платы с радиоэлектронными элементами узлов электронного блока и блока активной тепловой защиты.
Шасси 15 отделено от корпуса 14 теплоизолятором 16, который может быть выполнен из нетеплопроводного материала (как на фиг.2) или в виде сосуда Дьюара.
На торцевых поверхностях шасси 15 расположены плоские термоэлектрические элементы 17 Пельтье. Другой стороной элементы 17 Пельтье соприкасаются с радиаторами 18, выполненными из теплопроводного материала, которые контактируют с корпусом 14.
Шасси 15, элементы 17 Пельтье и радиаторы 18, соединены друг с другом при помощи винтов 19 и гаек 20, изготовленных из нетеплопроводного материала. Электропитание элементов 17 Пельтье осуществляется по проводам 21.
Скважинный геофизический прибор работает следующим образом. Питание скважинного прибора осуществляется от наземного источника 5 электропитания. При спуске прибора на забой он под действием температуры окружающей среды нагревается, и температура внутри него повышается. Измерение температуры внутри скважинного прибора производится термометром 8, сигнал с выхода которого подается на один из входов узла 9 сравнения блока 6 активной тепловой защиты. На второй вход узла 9 сравнения поступает предварительно установленный сигнал от задатчика 7 температуры, эквивалентный номинальной температуре внутри скважинного прибора, например, 100°C.
Одновременно информация о температуре с выхода термометра 8 подается и на один из входов электронного блока 1 и далее в наземную аппаратуру 4.
Охладитель-нагреватель 12 блока 6 активной тепловой защиты выполнен с использованием элементов Пельтье, в основе работы которых лежит термоэлектрический эффект Пельтье.
Он состоит в том, что при протекании электрического тока по цепи, состоящей из спаянных между собой двух разнородных металлических проводников, один спай цепи нагревается, а второй охлаждается. У плоских элементов Пельтье одна поверхность пластины является первым спаем, а другая - вторым спаем.
При пропускании тока через элемент Пельтье в прямом направлении охлаждается его поверхность, примыкающая к торцу шасси 15 электронного блока (фиг.2), а поверхность, контактирующая с радиатором 18 нагревается. При пропускании тока в обратном направлении наблюдается обратная картина.
m
Когда температура внутри скважинного прибора меньше установленной задатчиком 7 номинальной, то регулятор 11 тока питания, управляемый сигналом с выхода узла 9 сравнения, подает ток, вырабатываемый узлом 10 питания, на охладитель-нагреватель 12 в обратной полярности. Шасси 15 электронного блока при этом нагревается элементами 13…13 Пельтье и температура внутри электронного блока повышается. При росте температуры внутри прибора выше установленной номинальной температуры регулятор 11 тока питания переключает полярность тока, питающего охладитель-нагреватель 12, напрямую и шасси 15 начинает охлаждаться, что приводит к снижению температуры до ее номинального значения.
Таким образом, в результате работы системы автоматического регулирования блока 6 активной тепловой защиты внутри скважинного прибора устанавливается температура практически равная номинальной, установленной задатчиком 7, температуры, например 100°C.
n
n
Процесс установления температуры контролируется на поверхности оператором. После достижения номинальной температуры при подъеме скважинного прибора от забоя скважины производится измерение геофизических параметров с помощью датчиков 2…2. Информация от датчиков 2…2 поступает в электронный блок 1 и после необходимых преобразований передается по каротажному кабелю 3 в наземную аппаратуру 4.
Весь процесс измерения геофизических параметров ведется при постоянной температуре внутри скважинного прибора, что устраняет дополнительную температурную погрешность и повышает точность измерений. Скважинный прибор может неограниченно долго работать в высокотемпературных скважинах, при этом радиоэлектронные компоненты не подвергаются перегреву и функционируют в облегченном тепловом режиме.
Разработан и изготовлен опытный образец скважинного геофизического прибора, результаты испытаний которого подтвердили эффективность предложенных технических решений.
Таким образом, техническим результатом изобретения являются высокие термостойкость скважинного прибора, эксплуатационная надежность и повышение точности измерений.