Устройство для измерения температуры в скважине
DEVICE FOR MEASURING TEMPERATURE IN WELL

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности, к устройствам для измерения температуры бурового раствора в процессе бурения.
Известно устройство, содержащее механическую колебательную систему, выполненную в виде полого баланса, закрепленного на трубке с укрепленным на ней постоянным магнитом, преобразователь механических колебаний в электрические, термобаллон заполненный ртутью, причем полость баланса через трубку сообщается с термобаллоном. Недостатком указанного устройства является низкая надежность, связанная с низкой виброустройчивостью механической колебательной систем с заполненным ртутью балансом (А.С. СССР №279520, 1970 г.).
Известно устройство для измерения температуры в скважине, содержащее механическую колебательную систему с укрепленными на ней постоянными магнитами и преобразователь механических колебаний в электрические, механическая колебательная система выполнена в виде цилиндрической биметаллической спирали, один конец которой жестко закреплен, а второй - свободен, а преобразователь механических колебаний в электрические выполнен в виде системы взаимодействующих электромагнитных полей постоянных магнитов, жестко закрепленных на цилиндрической биметаллической спирали и катушек привода и съема колебаний, обеспечивающих поперечные колебания цилиндрической биметаллической спирали (патент RU №2538014, 2013 г.). Недостатком указанного устройства является низкая надежность, обусловленная низкой виброустройчивостью механической колебательной системы, вызванной вибрацией бурильной колонны при разрушении горной породы.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому является устройство, содержащее корпус, преобразователь температуры, связанный с гидравлическим каналом связи посредством сильфона, взаимодействующего с управляющим клапаном гидроусилителя, источник энергии и преобразователь температуры, выполненный в виде расположенного в корпусе струйного генератора, состоящего из струйного элемента, включающего сопло питания, приемное и выходное сопла, размещенные в углублении панели и связанные между собой коммутационными каналами и переменной емкости, выполненной в виде зазора между коаксиально расположенными корпусом устройства и источником энергии в виде баллона со сжатым газом, причем баллон выполнен из материала с большим коэффициентом объемного температурного расширения, чем материал корпуса, а выход баллона через дроссель соединен с соплом питания, приемное сопло соединено с переменной емкостью, а выходное сопло подключено к каналу связи (А.С. СССР №1298365, 1986 г).
Недостатком устройства является низкая надежность и точность, обусловленные наличием зазора между сильфоном и управляющим клапаном гидроусилителя.
Техническая задача - создание устройства для измерения температуры бурового раствора на забое скважины непосредственно в процессе бурения и передачи сигнала по беспроводному электрическому каналу связи забоя с устьем скважины.
Технический результат - повышение надежности и точности измерения температуры бурового раствора на забое скважины непосредственно в процессе бурения и передачи сигнала по беспроводному электрическому каналу связи забоя с устьем скважины путем усовершенствования конструкции.
Он достигается тем, что в известном устройстве, содержащем корпус, источник питания и преобразователь температуры, преобразователь температуры выполнен в виде двух металлических стержней с большим температурным коэффициентом линейного расширения, установленных соосно с зазором с корпусом и между собой, жестко закрепленных концами в корпусе, имеющем независимый температурный коэффициент линейного расширения, при этом свободный конец одного стержня снабжен постоянным магнитом, магнитное поле которого воздействует на полевой датчик Холла, закрепленный на свободном конце второго стержня, холловские электроды полевого датчика Холла связаны со входом аналого-цифрового преобразователя, а его выход соединен со входом преобразователя код-частота, выход последнего через делитель частоты связан с каналом связи, а полевой датчик Холла, аналого-цифровой преобразователь, преобразователь код-частота и датчика частоты подключены к источнику питания в виде аккумулятора.
На чертеже (фиг. 1 - вид в разрезе) изображено устройство для измерения температуры бурового раствора на забое скважины непосредственно в процессе бурения.
Устройство содержит корпус 1, преобразователь температуры, источник питания, преобразователь температуры, выполненный в виде двух металлических стержней 2-3 с большим температурным коэффициентом линейного расширения, установленных соосно с зазором в корпусе 1 и между собой, жестко закрепленных концами в корпусе с независимым температурным коэффициентом линейного расширения, при этом свободный конец стержня 3 снабжен постоянным магнитом 4, магнитное поле которого воздействует на полевой датчик Холла 5, закрепленный на свободном конце второго стержня 2, холловские электроды связаны со входом аналого-цифрового преобразователя 6, выход которого соединен со входом преобразователя код-частота 7, выход последнего через делитель частоты 8 связан с каналом связи, а полевой датчик Холла 5, аналого-цифровой преобразователь 6, преобразователь код-частота 7, делитель частоты 8 подключены к источнику питания 9 в виде аккумулятора.
Устройство работает следующим образом.
При изменении температуры бурового раствора, протекающего в бурильной колонне с установленным в ней устройством измерения в корпусе 1 два металлических стержня 2,3 с большим температурным коэффициентом расширения линейного расширения, установленные соосно с зазором в корпусе и между собой, жестко закрепленные концами в корпусе с независимым температурным коэффициентом линейного расширения изменяют свои линейные размеры при этом свободный конец стержня 3, снабженный постоянным магнитом 4 перемещается относительно свободного конца второго стержня 2 с жестко закрепленным на нем полевого датчика 5 в результате чего изменяется интенсивность магнитного поля, воздействующего на полевой датчик Холла 5 и на его холловских электродах появляется ЭДС пропорциональная изменению температуры. Эта ЭДС поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6, в котором ЭДС преобразуется в кодовую комбинацию двоичного кода и с выхода его поступает на вход связанного с аналого-цифровым преобразователем преобразователя код-частота 7, где кодовая комбинация двоичного кода соответствующая температуре бурового раствора преобразуется в число импульсов, частота следования которых соответствует измеряемой температуре. С выхода преобразователя код-частота эти импульсы поступают на вход соединенного с преобразователем код-частота делителя частоты 8, в котором частота поступающих импульсов делится на частоту импульсов, соответствующую полосе пропускания беспроводного электрического канала связи забоя с устьем скважины.
Устройство имеет повышенную надежность и точность за счет исключения подвижных механических элементов и использования аналого-цифрового преобразователя, преобразователя кода в частоту импульсов, делителя частоты и датчика Холла, изготовленных по технологии кремний на изоляторе (КНИ), температурный диапазон которых расширен до 300°С, а полевой датчик Холла (ПДХ), изготовленный по технологии кремний на изоляторе (КНИ), имеет чувствительность превышающую чувствительность обычных датчиков в 10 раз (см. ст. Мордкович В.Н. Структуры «Кремний на изоляторе» - Новый материал микроэлектроники// Материалы электронной техники. 1998. №2; Мокрушин А.Д., Омельяновская Н.М., Леонов А.В., Мордкович В.Н., Пажин Д.М. Радиационные эффекты в КНИ магнито-чувствительных элементах при различных условиях облучения, ВАНТ. Вып. 1-2, М., 2001.). ПДХ (Полевой Датчик Холла) изготавливается на основе структур КНИ, в которых рабочий слой кремния отделен от подложки встроенным диэлектрическим слоем. В отличие от обычных датчиков Холла ПДХ представляет собой сочетание резистора Холла с вертикальным двухзатворным полевым транзистором типа металл-диэлектрик-полупроводник. В результате повышаются характеристики датчика Холла такие как, удельная магнитная чувствительность, диапазон рабочих температур, отношение сигнал/шум, энергопотребление, пороговая магнитная чувствительность.
Основные технические характеристики КНИ ПДХ:
Напряжение питания, В 3÷12
Рабочий ток, мА 0,1÷0,4
Магнитная чувствительность В/Тл 0,3÷1,2
Удельная магнитная чувствительность, В/Ф*Тл 1000÷10000
Порог чувствительности, н/Тл 40÷100
Диапазон частот, кГц 0÷200
Диапазон температур, °С - 270÷300.
Зависимость выходного сигнала ПДХ от напряженности внешнего магнитного поля, созданная постоянным магнитом линейная, следовательно, и статическая характеристика предлагаемого устройства для измерения температуры в скважине, построенное на основе ПДХ также линейная, в связи с этим устройство обладает повышенной точностью.
Используемые в устройстве аналого-цифровой преобразователь, преобразователь кода в частоту импульсов и делитель частоты также выполнены по КНИ технологии и сохраняют работоспособность до 300÷400°С (см. ст. Мокрушин А.Д., Омельяновская Н.М., Леонов А.В., Мордкович В.Н., Пажин Д.М. Радиационные эффекты в КНИ магнито-чувствительных элементах при различных условиях облучения, ВАНТ. Вып. 1-2, М., 2001). Это соответствует температуре на забое сверхглубоких скважин 7÷42 тыс.метров.
Предложенное устройство отличается высокой надежностью за счет расширения температурного диапазона работы до 300°С и сокращения числа механических подвижных элементов, а также высокой точностью обусловленной высокой чувствительностью и линейностью статической характеристики, а также возможностью контроля температуры бурового раствора в процессе бурения по беспроводному электрическому каналу связи забоя с устьем скважины.