EA037631B1 - Method for determining physical values in a well based on piezoresonance sensors without electronics and a device for its implementation - Google Patents
Method for determining physical values in a well based on piezoresonance sensors without electronics and a device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- EA037631B1 EA037631B1 EA202000233A EA202000233A EA037631B1 EA 037631 B1 EA037631 B1 EA 037631B1 EA 202000233 A EA202000233 A EA 202000233A EA 202000233 A EA202000233 A EA 202000233A EA 037631 B1 EA037631 B1 EA 037631B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- frequency
- sensors
- low
- piezoresonance
- signal
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 30
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 28
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 28
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000013016 damping Methods 0.000 abstract 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 11
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 4
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
- E21B47/06—Measuring temperature or pressure
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
- E21B47/12—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/22—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of acoustic effects
- G01K11/26—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of acoustic effects of resonant frequencies
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnology area
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к приборам, используемым в промышленных скважинах для определения физических величин в одной или множестве точек. Более конкретно настоящее изобретение относится к приборам, используемым в скважине для определения давления, температуры, состава флюида, индикации расхода, определения распределения физических величин по длине скважины и измерения других величин, которые можно свести к изменению давления, температуры или импеданса.The invention relates to measuring technology, namely to instruments used in industrial wells to determine physical quantities at one or a plurality of points. More specifically, the present invention relates to instruments used downhole for determining pressure, temperature, fluid composition, indicating flow rate, determining the distribution of physical quantities along the length of the well, and measuring other quantities that can be reduced to pressure, temperature or impedance changes.
Уровень техникиState of the art
Из уровня техники известен способ измерения пространственного распределения температуры и устройство для его осуществления (см. RLJ 2194956, G01K 7/00, опубликовано 20.12.2002). Известен способ измерения пространственного распределения температуры путем помещения в контролируемые точки множества термочувствительных датчиков, соединенных параллельно двухпроводной линией, подачи на один из входов линии сигнала переменного напряжения и регистрации входного переменного тока ibx(t). В качестве термочувствительных датчиков используют кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами ωp1, ωp2, ..., ωpi, ..., ωpN, в качестве сигнала переменного напряжения, подаваемого на один из входов двухпроводной линии, используют сигнал со спектром, перекрывающим частотный диапазон кварцевых пьезорезонансных датчиков. Способ измерения пространственного распределения температуры (его второй вариант) осуществляется путем помещения в контролируемые точки множества термочувствительных датчиков, причем в качестве сигнала переменного напряжения, подаваемого на один из входов двухпроводной линии, используют сигнал с частотной модуляцией в диапазоне резонансных частот кварцевых пьезорезонансных датчиков. Устройство, реализующее способ измерения пространственного распределения температуры, содержит множество термочувствительных датчиков, параллельно соединенных двухпроводной линией, соединенной с регистратором, который соединен с источником переменного напряжения. В качестве термочувствительных датчиков использованы кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами ωp1, ωp2, ..., ωpi, ..., ωpN, регистратор содержит последовательно соединенные схему согласования, регистратор амплитуды переменного тока, анализатор спектра, блока обработки и индикации, в качестве источника переменного напряжения использован генератор сигнала со спектром, перекрывающим частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков.A method for measuring the spatial distribution of temperature and a device for its implementation is known from the prior art (see RLJ 2194956, G01K 7/00, published on 20.12.2002). A known method of measuring the spatial distribution of temperature by placing a plurality of temperature-sensitive sensors connected in parallel with a two-wire line at the monitored points, supplying an AC voltage signal to one of the line inputs and registering an input AC current ibx (t). As temperature-sensitive sensors, quartz piezoresonance sensors with different resonant frequencies ω p1 , ω p2 , ..., ω pi , ..., ω pN are used , as an alternating voltage signal supplied to one of the inputs of a two-wire line, a signal with a spectrum covering the frequency range of quartz piezoresonance sensors. The method for measuring the spatial distribution of temperature (its second version) is carried out by placing a plurality of temperature-sensitive sensors at the controlled points, and as a signal of an alternating voltage supplied to one of the inputs of a two-wire line, a signal with frequency modulation in the resonant frequency range of quartz piezoresonance sensors is used. A device that implements a method for measuring the spatial distribution of temperature contains a plurality of temperature-sensitive sensors connected in parallel by a two-wire line connected to a recorder connected to an alternating voltage source. Quartz piezoresonance sensors with different resonant frequencies ω p1 , ω p2 , ..., ω pi , ..., ω pN are used as temperature-sensitive sensors; the recorder contains a series-connected matching circuit, an alternating current amplitude recorder, a spectrum analyzer, a processing unit, and indication, a signal generator with a spectrum overlapping the frequencies of quartz piezoresonance sensors was used as a source of alternating voltage.
Из уровня техники также известен способ измерения пространственного распределения температуры и устройство для его осуществления (RU 2206878, G01K 7/00, опубликовано 20.06.2003). Способ измерения пространственного распределения температуры осуществляется путем помещения в контролируемые точки N термочувствительных датчиков, соединенных параллельно двухпроводной линией. В качестве термочувствительных датчиков используют кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами. После регистрации входного переменного тока ibx(t) вычисляют его амплитудно-частотный спектр S(ω). Далее осуществляют первое измерение резонансных частот кварцевых пьезорезонансных датчиков по положению максимумов амплитудно-частотного спектра S(ω). Затем регистрируют входной переменный ток ibx(t) двухпроводной линии, вычисляют его амплитудно-частотный спектр S(ω) и осуществляют второе измерение резонансных частот кварцевых пьезорезонансных датчиков по положению максимумов амплитудно-частотного спектра S(ω), исходя из которых определяют искомую температуру в контролируемых точках по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям резонансной частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков от температуры ωpi(t). Устройство для измерения пространственного распределения температуры содержит N термочувствительных датчиков, параллельно соединенных двухпроводной линией, регистратор и источник переменного напряжения. В качестве термочувствительных датчиков использованы кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами. В качестве источника переменного напряжения использован генератор многочастотного сигнала. Технический результат, на выполнение которого направлено данное изобретение, выражается в повышении точности, помехоустойчивости и расширении температурного диапазона измерения пространственного распределения температуры.A method for measuring the spatial distribution of temperature and a device for its implementation is also known from the prior art (RU 2206878, G01K 7/00, published 20.06.2003). The method of measuring the spatial distribution of temperature is carried out by placing N temperature sensors connected in parallel by a two-wire line at the controlled points. Quartz piezoresonance sensors with different resonant frequencies are used as temperature-sensitive sensors. After registering the input alternating current ibx (t), calculate its amplitude-frequency spectrum S (ω). Next, the first measurement of the resonant frequencies of quartz piezoresonance sensors is carried out according to the position of the maxima of the amplitude-frequency spectrum S (ω). Then, the input alternating current ibx (t) of the two-wire line is recorded, its amplitude-frequency spectrum S (ω) is calculated, and the second measurement of the resonance frequencies of quartz piezoresonance sensors is carried out by the position of the maxima of the amplitude-frequency spectrum S (ω), based on which the desired temperature in controlled points according to previously experimentally found or theoretically known dependences of the resonant frequency of quartz piezoresonance sensors on the temperature ω pi (t). The device for measuring the spatial distribution of temperature contains N temperature-sensitive sensors connected in parallel by a two-wire line, a recorder and an alternating voltage source. Quartz piezoresonance sensors with different resonant frequencies are used as heat-sensitive sensors. A multifrequency signal generator is used as an alternating voltage source. The technical result, which the present invention is aimed at, is expressed in increasing the accuracy, noise immunity and expanding the temperature range of measuring the spatial distribution of temperature.
Из уровня техники также известен скважинный кварцевый датчик с минимальным применением электроники (патент РФ № 2648390, E21B 47/06, G01L 9/00, G01L 19/00, G01H 13/00, опубликован 26.03.2018). Известное решение направлено на контроль давления, температуры и/или вибрации при неблагоприятных окружающих условиях, не требующих применения активных электронных устройств или контура генератора в таких условиях. В предлагаемой системе и способе предусматривается получение информации от резонансного датчика давления и резонансного или пассивного датчика температуры, соединенных с линией передачи и расположенных на глубине по меньшей мере 100 футов (30,48 м) от установленного на поверхности анализатора цепи. В системе и способе для определения давления, температуры и/или вибрации используются частоты отраженных сигналов от датчиков. Если датчики объединены в одну схему линией передачи или сетевым фильтром, отраженная часть энергии может содержать отраженную энергию передачи. Подаваемый сигнал и отраженная часть проходят по линии передачи, импеданс которой предпочтительно соответствует импедансу системы. При использовании много- 1 037631 жильного кабеля компенсация влияния длины и температуры кабеля в условиях эксплуатации осуществляется посредством тарировки.A downhole quartz sensor with minimal use of electronics is also known from the prior art (RF patent No. 2648390, E21B 47/06, G01L 9/00, G01L 19/00, G01H 13/00, published 03/26/2018). The known solution is directed to the control of pressure, temperature and / or vibration under adverse environmental conditions that do not require the use of active electronic devices or a generator circuit in such conditions. The proposed system and method provides for obtaining information from a resonant pressure sensor and a resonant or passive temperature sensor connected to the transmission line and located at a depth of at least 100 feet (30.48 m) from the surface-mounted circuit analyzer. The system and method uses the frequencies of the reflected signals from the sensors to determine pressure, temperature and / or vibration. If the sensors are combined into a single circuit by a transmission line or a line filter, the reflected part of the energy may contain the reflected transmission energy. The applied signal and the reflected portion pass along a transmission line, the impedance of which preferably matches the impedance of the system. When using a multicore 1 037631 cable, the compensation of the influence of the cable length and temperature in the operating conditions is carried out by means of calibration.
В приведенных выше аналогах в качестве первичного чувствительного элемента используется пьезорезонатор, резонансная частота которого связана с измеряемой величиной. При этом ввод измерительного сигнала осуществляется в режиме вынужденных колебаний. Это приводит к необходимости тщательного согласования импедансов резонаторов и кабеля, а также тарировки системы. Полное согласование невозможно, поэтому возникают дополнительные погрешности измерения, связанные с остаточным рассогласованием, которое, в свою очередь, зависит от множества факторов: температуры кабеля, градиента температуры по длине кабеля, старения кабеля и т.п. Кроме того, приходится выделять слабый отраженный сигнал резонаторов на фоне сильного сигнала возбуждения, что также приводит к дополнительным погрешностям измерения. Все эти недостатки принципиально устраняются при использовании режима свободных колебаний.In the above analogs, a piezoresonator is used as the primary sensitive element, the resonant frequency of which is related to the measured value. In this case, the input of the measuring signal is carried out in the forced oscillation mode. This leads to the need for careful matching of the impedances of the resonators and the cable, as well as the calibration of the system. Full matching is impossible, therefore, additional measurement errors arise associated with residual mismatch, which, in turn, depends on many factors: cable temperature, temperature gradient along the cable length, cable aging, etc. In addition, it is necessary to separate the weak reflected signal of the resonators against the background of a strong excitation signal, which also leads to additional measurement errors. All these disadvantages are fundamentally eliminated by using the free vibration mode.
Отличительными особенностями заявленного изобретения от приведенных аналогов является разделение во времени процессов возбуждения и съёма измерительного сигнала, одновременное возбуждение пьезорезонаторов в режиме вынужденных колебаний и съём измерительного сигнала в режиме свободных колебаний, использование НЧ-резонаторов.Distinctive features of the claimed invention from the above analogs are the separation in time of the processes of excitation and removal of the measuring signal, the simultaneous excitation of piezoresonators in the forced vibration mode and the removal of the measuring signal in the free vibration mode, the use of LF resonators.
Из уровня техники также известен резонансный датчик давления и температуры (патент US 7299678 B2, 2007) или набор параллельно соединённых резонансных датчиков, различающихся по используемой полосе частот. Каждый резонансный датчик содержит (металлический) вибрирующий элемент, возбуждение и съём измерительного сигнала которого осуществляется с помощью пьезоэлектрических элементов. Съём измерительного сигнала осуществляется в режиме свободных колебаний, но одновременно возбуждается только один из резонаторов, поиск резонансных частот осуществляется с фиксированным шагом, при этом на каждом шаге проверяется одна фиксированная частота.A resonant pressure and temperature sensor (US patent 7299678 B2, 2007) or a set of parallel-connected resonance sensors, differing in the used frequency band, is also known from the prior art. Each resonant sensor contains a (metallic) vibrating element, which is excited and measured by piezoelectric elements. The measurement signal is taken in the free oscillation mode, but at the same time only one of the resonators is excited, the search for resonant frequencies is carried out with a fixed step, while at each step one fixed frequency is checked.
Существенным отличием нашего подхода является использование пьезорезонаторов, в которых вибратор и цепи возбуждения и съёма измерительного сигнала объединены в один конструктивный элемент. Пьезорезонансные датчики по сравнению с резонансными имеют более высокую добротность, что позволяет при том же разрешении по измеряемой величине соединить однопроводным кабелем большее число датчиков.A significant difference between our approach is the use of piezoresonators, in which the vibrator and the excitation and pickup circuits of the measuring signal are combined into one structural element. Piezoresonance sensors have a higher Q-factor in comparison with resonant ones, which makes it possible to connect a larger number of sensors with a single-wire cable with the same measured value resolution.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является удаление электроники, необходимой для получения и обработки измерительного сигнала, из зоны повышенных температур и расширение диапазона рабочих температур датчика, увеличение максимального расстояния между датчиком и упомянутой электроникой, повышение точности и помехоустойчивости измерений.The problem solved by the claimed invention is to remove the electronics necessary for receiving and processing the measuring signal from the zone of elevated temperatures and expanding the operating temperature range of the sensor, increasing the maximum distance between the sensor and said electronics, increasing the accuracy and noise immunity of measurements.
Технический результат заявленного изобретения заключается в расширении диапазона рабочих температур, в увеличении максимального расстояния между датчиком и вынесенной электроникой, а также в повышении точности и помехоустойчивости измерений.The technical result of the claimed invention is to expand the range of operating temperatures, to increase the maximum distance between the sensor and the external electronics, as well as to improve the accuracy and noise immunity of measurements.
Указанный технический результат достигается тем, что размещают в контролируемые точки скважины один и более низкочастотных пьезорезонансных датчиков, соединенных параллельно между собой соединительным кабелем с вынесенной электронной аппаратурой, осуществляют генерацию сигнала возбуждения колебаний низкочастотных пьезорезонансных датчиков широкополосным электрическим сигналом посредством вынесенной электронной аппаратуры, после генерации сигнала возбуждения низкочастотных пьезорезонансных датчиков прекращают генерацию сигнала возбуждения колебаний низкочастотных пьезорезонансных датчиков и переключают вынесенную электронную аппаратуру на ввод, в режиме свободных колебаний низкочастотных пьезорезонансных датчиков осуществляют прием измерительного сигнала, содержащего затухающие синусоиды, и определяют спектр измерительного сигнала, при этом спектр содержит резонансные пики в количестве, соответствующем количеству размещенных низкочастотных пьезорезонансных датчиков, и по положению максимума каждого пика определяют резонансную частоту соответствующего низкочастотного пьезорезонансного датчика, определяют физические величины в контролируемых точках скважины по известным зависимостям резонансной частоты низкочастотных пьезорезонансных датчиков от соответствующих значений измеряемых физических величин.The specified technical result is achieved by placing one or more low-frequency piezoresonance sensors connected in parallel with each other by a connecting cable with external electronic equipment at the controlled points of the well, generating a signal for exciting oscillations of low-frequency piezoresonance sensors with a broadband electrical signal by means of external electronic equipment, after generating an excitation signal low-frequency piezoresonance sensors stop generating a signal for excitation of oscillations of low-frequency piezoresonance sensors and switch the external electronic equipment to the input, in the free oscillation mode of low-frequency piezoresonance sensors, they receive a measuring signal containing damped sinusoids, and determine the spectrum of the measuring signal, while the spectrum contains resonance peaks in the amount, corresponding to the number of placed low-frequency piezoresonance sensors, and according to the position of the maxi The resonance frequency of the corresponding low-frequency piezoresonance sensor is determined, the physical quantities at the controlled points of the well are determined according to the known dependences of the resonance frequency of the low-frequency piezoresonance sensors on the corresponding values of the measured physical quantities.
В частном случае реализации заявленного изобретения вынесенную электронную аппаратуру размещают на устье скважины или размещают в зоне скважины, свободной от воздействия повышенных температур.In the particular case of the implementation of the claimed invention, the removed electronic equipment is placed at the wellhead or placed in the well area free from the effects of elevated temperatures.
В частном случае реализации заявленного изобретения соединение низкочастотных пьезорезонансных датчиков с вынесенной электронной аппаратурой осуществляют посредством одножильного соединительного кабеля или посредством соединительного кабеля, выполненного в виде экранированной витой пары.In the particular case of the implementation of the claimed invention, the connection of low-frequency piezoresonance sensors with external electronic equipment is carried out by means of a single-core connecting cable or by means of a connecting cable made in the form of a shielded twisted pair.
В частном случае реализации заявленного изобретения дополнительно осуществляют диагностику обрыва и замыкания соединительного кабеля.In the particular case of the implementation of the claimed invention, the diagnostics of the break and short circuit of the connecting cable is additionally carried out.
В частном случае реализации заявленного изобретения разделяют на несколько диапазонов общую полосу частот, занимаемую датчиками, и осуществляют последовательное возбуждение и съём измери- 2 037631 тельного сигнала последовательно диапазон за диапазоном, при этом в каждом диапазоне все резонаторы возбуждаются одновременно.In the particular case of the implementation of the claimed invention, the total frequency band occupied by the sensors is divided into several ranges, and sequential excitation and removal of the measuring signal are carried out sequentially range by range, while in each range all resonators are excited simultaneously.
В частном случае реализации заявленного технического решения дополнительно контролируют работоспособность низкочастотных пьезорезонансных датчиков по уровню и затуханию полезного сигнала.In the particular case of the implementation of the claimed technical solution, the performance of the low-frequency piezoresonance sensors is additionally monitored by the level and attenuation of the useful signal.
В частном случае реализации заявленного изобретения физические величины измеряют в одной точке скважины.In the particular case of the implementation of the claimed invention, the physical quantities are measured at one point in the well.
В частном случае реализации заявленного изобретения физические величины измеряют в разных точках скважины.In the particular case of the implementation of the claimed invention, physical quantities are measured at different points in the well.
В частном случае реализации заявленного изобретения в качестве физических величин измеряют давление и температуру.In the particular case of the implementation of the claimed invention, pressure and temperature are measured as physical quantities.
В частном случае реализации заявленного изобретения измеряют поле температуры по рабочему интервалу скважины с использованием множества датчиков температуры, расположенных с заданным шагом в этом интервале.In a particular case of the implementation of the claimed invention, the temperature field is measured along the working interval of the well using a plurality of temperature sensors located at a given step in this interval.
В частном случае реализации заявленного изобретения по измеренному полю температуры на разных режимах работы скважины вычисляют профили притока и приемистости.In the particular case of the implementation of the claimed invention, the inflow and injectivity profiles are calculated from the measured temperature field at different well operation modes.
В частном случае реализации заявленного изобретения дополнительно устанавливаются опорные низкочастотные пьезорезонансные датчики в качестве идентификатора системы скважинных датчиков.In the particular case of the implementation of the claimed invention, reference low-frequency piezoresonance sensors are additionally installed as an identifier of the downhole sensor system.
Указанный технический результат также достигается тем, что устройство определения физических величин в скважине содержит размещенные в скважине множество соединенных параллельно низкочастотных пьезорезонансных датчиков и вынесенную электронную аппаратуру получения и обработки измерительного сигнала, соединенную с упомянутыми датчиками посредством соединительного кабеля, при этом вынесенная электронная аппаратура состоит из микроконтроллера, соединенного с цифроаналоговым преобразователем, который соединен с буферным усилителем, который в свою очередь соединен с аналоговым коммутатором, соединенным с входным усилителем измерительного сигнала, который соединен с аналого-цифровым преобразователем, соединенным с упомянутым микроконтроллером, а аналоговый коммутатор посредством соединительного кабеля подключен к скважинным пьезорезонансным датчикам, причем низкочастотные пьезорезонансные датчики выполнены с рабочей полосой частот, лежащей внутри рабочей полосы частот упомянутого соединительного кабеля.The specified technical result is also achieved in that the device for determining physical quantities in the well contains a plurality of low-frequency piezoresonance sensors connected in parallel, located in the well, and an external electronic equipment for receiving and processing a measuring signal, connected to the said sensors by means of a connecting cable, while the external electronic equipment consists of a microcontroller connected to a digital-to-analog converter, which is connected to a buffer amplifier, which in turn is connected to an analog switch connected to an input amplifier of the measuring signal, which is connected to an analog-to-digital converter connected to the said microcontroller, and the analog switch is connected to the downhole piezoresonance sensors, and the low-frequency piezoresonance sensors are made with an operating frequency band lying within the operating frequency band of the said connector foot cable.
В частном случае реализации заявленного изобретения соединительный кабель выполнен одножильным или выполнен в виде экранированной витой пары.In the particular case of the implementation of the claimed invention, the connecting cable is single-core or made in the form of a shielded twisted pair.
В частном случае реализации заявленное изобретение выполнено с возможностью эксплуатации при температурах до 500-1000°C.In a particular case of implementation, the claimed invention is designed to operate at temperatures up to 500-1000 ° C.
В качестве первичных чувствительных элементов используются низкочастотные пьезорезонансные датчики, рабочая полоса частот которых лежит внутри рабочей полосы частот соединительного кабеля, длина которого может составлять несколько километров, съём измерительного сигнала осуществляется в режиме свободных колебаний, что исключает из спектра измерительного сигнала спектр сигнала возбуждения, что в свою очередь устраняет влияние соединительного кабеля на результаты измерения (за исключением ослабления сигнала) и повышает точность измерений.Low-frequency piezoresonance sensors are used as primary sensing elements, the working frequency band of which lies within the working frequency band of the connecting cable, the length of which can be several kilometers, the measuring signal is picked up in free oscillation mode, which excludes the excitation signal spectrum from the measuring signal spectrum, which in in turn eliminates the influence of the connecting cable on the measurement results (excluding signal attenuation) and increases the measurement accuracy.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:Details, features, and advantages of the present invention follow from the following description of embodiments of the claimed technical solution using the drawings, which show:
фиг. 1 - структурно-функциональная схема измерительной системы;fig. 1 - structural and functional diagram of the measuring system;
фиг. 2 - пример измерительной системы на параллельно соединённых пьезорезонансных датчиках (ПРД):fig. 2 - an example of a measuring system based on parallel-connected piezoresonance sensors (PRD):
а) характеристика преобразования;a) characteristics of the transformation;
б) амплитудно-частотная характеристика (спектр);b) amplitude-frequency characteristic (spectrum);
в) схема соединений.c) connection diagram.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:In the figures, the following positions are indicated by numbers:
- вынесенная аппаратура; 2 - соединительный кабель; 3 - скважинные пьезорезонансные датчики; 4 - микроконтроллер; 5 - АЦП; 6 - ЦАП; 7 - буферный усилитель; 8 - аналоговый коммутатор; 9 - входной усилитель.- carried out equipment; 2 - connecting cable; 3 - downhole piezoresonance sensors; 4 - microcontroller; 5 - ADC; 6 - DAC; 7 - buffer amplifier; 8 - analog switch; 9 - input amplifier.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Устройство определения физических величин в скважине состоит из вынесенной аппаратуры (1) получения и обработки измерительного сигнала пьезорезонансных датчиков (3), скважинных пьезорезонансных датчиков (3), соединённых параллельно, и соединительного кабеля (2), соединяющего вынесенную аппаратуру (1) и упомянутые пьезорезонансные датчики (3), размещенные в скважине.A device for determining physical quantities in a well consists of an external equipment (1) for receiving and processing a measurement signal of piezoresonance sensors (3), downhole piezoresonance sensors (3) connected in parallel, and a connecting cable (2) connecting the external equipment (1) and the aforementioned piezoresonance sensors (3) located in the well.
Вынесенная аппаратура (1) состоит из микроконтроллера (4) вынесенной аппаратуры. Выходы микроконтроллера (4) соединены со входом цифроаналогового преобразователя (6). Выходы цифроаналогового преобразователя (6) соединены с входом буферного усилителя (7), выходы которого соединены с аналоговым коммутатором (8).The external equipment (1) consists of a microcontroller (4) of the external equipment. The outputs of the microcontroller (4) are connected to the input of the digital-to-analog converter (6). The outputs of the digital-to-analog converter (6) are connected to the input of the buffer amplifier (7), the outputs of which are connected to the analog switch (8).
- 3 037631- 3 037631
Выходы аналогового коммутатора (8) посредством соединительного кабеля (2) подключены к скважинным пьезорезонансным датчикам (3). Пьезорезонансные датчики (3) соединены параллельно.The outputs of the analog switch (8) are connected to the downhole piezoresonance sensors (3) by means of a connecting cable (2). Piezoresonance sensors (3) are connected in parallel.
Аналоговый коммутатор (8) также соединен с входным усилителем (9) измерительного сигнала, выходы которого соединены с входами аналого-цифрового преобразователя (5), выходы которого соединены с входами микроконтроллера (4).The analog switch (8) is also connected to the input amplifier (9) of the measuring signal, the outputs of which are connected to the inputs of the analog-to-digital converter (5), the outputs of which are connected to the inputs of the microcontroller (4).
Работает устройство следующим образом. Микроконтроллер (4) формирует сигнал возбуждения, который преобразуется в аналоговый вид при помощи цифроаналогового преобразователя (6), усиливается буферным усилителем (7) и через аналоговый коммутатор (8) подаётся в кабель (2).The device works as follows. The microcontroller (4) generates an excitation signal, which is converted into analog form using a digital-to-analog converter (6), amplified by a buffer amplifier (7) and fed into the cable (2) through an analog switch (8).
По завершении интервала возбуждения кабель (2) отсоединяется от буферного усилителя (7) и подключается ко входному усилителю (9) измерительного сигнала.At the end of the excitation interval, the cable (2) is disconnected from the buffer amplifier (7) and connected to the input amplifier (9) of the measuring signal.
Измерительный сигнал представляет собой сумму затухающих синусоид с частотами собственных колебаний пьезорезонансных датчиков (3).The measuring signal is the sum of damped sinusoids with the natural frequencies of piezoresonance sensors (3).
Усиленный измерительный сигнал оцифровывается при помощи аналого-цифрового преобразователя (5) и поступает в микроконтроллер (4). Микроконтроллер (4) записывает реализацию измерительного сигнала, вычисляет спектр этого сигнала, по максимумам спектра определяет частоты собственных колебаний пьезорезонансных датчиков (3), далее по измеренным значениям частоты и известным характеристикам преобразования датчиков определяются оценки измеряемых физических величин.The amplified measuring signal is digitized using an analog-to-digital converter (5) and enters the microcontroller (4). The microcontroller (4) records the implementation of the measuring signal, calculates the spectrum of this signal, determines the frequencies of natural oscillations of the piezoresonance sensors (3) from the spectrum maxima, then estimates of the measured physical quantities are determined from the measured frequency values and the known characteristics of the sensor transformation.
При этом точность измерений повышается за счёт использования пьезорезонансных датчиков, исключения вклада сигнала возбуждения в измерительный сигнал, упрощения цепи ввода сигнала (исключения схем согласования), использования на входе малошумящего усилителя, упрощения модели измерительного сигнала и использования связанных с ним точных методов оценки частоты, всё это обеспечивается в конечном итоге за счёт использования режима свободных колебаний.At the same time, the measurement accuracy is increased due to the use of piezoresonance sensors, exclusion of the contribution of the excitation signal to the measurement signal, simplification of the signal input circuit (elimination of matching circuits), use of a low-noise amplifier at the input, simplification of the measurement signal model and the use of associated accurate methods of frequency estimation, all this is ultimately achieved through the use of the free vibration mode.
В качестве пьезорезонансных датчиков использованы низкочастотные пьезорезонаторы камертонного типа с колебаниями изгиба. Используемые низкочастотные резонаторы согласованы с полосой пропускания соединительного кабеля.Low-frequency piezoresonators of a tuning fork with bending vibrations are used as piezoresonance sensors. The low frequency resonators used are matched to the bandwidth of the connecting cable.
Помехоустойчивость дополнительно может быть улучшена за счёт использования вместо одножильного кабеля (жила плюс броня) экранированной витой пары.Noise immunity can be additionally improved by using a shielded twisted pair instead of a single-core cable (core plus armor).
Низкочастотные резонаторы имеют, как правило, частоты от 30 до 70 кГц. Это позволяет значительно увеличить максимально возможную длину кабеля. Так, при применении высокочастотных пьезорезонаторов возможная длина кабеля составляет от 30 до 600 м. При использовании низкочастотных резонаторов возможно использование кабеля с длиной порядка 3 км, и имеется потенциальная возможность увеличения длины кабеля до 6-10 км. Увеличение длины кабеля возможно за счёт использования пьезорезонаторов с меньшими рабочими частотами и/или соединительного кабеля с более широкой полосой частот, что, в свою очередь, достигается снижением погонного сопротивления кабеля, например, за счёт увеличения его диаметра, за счет использования проводников с меньшим удельным сопротивлением, снижения потерь в изоляторе, а также переходом от одножильного кабеля к двухжильному на основе витой пары, что дополнительно снижает уровень помех.Low-frequency resonators usually have frequencies between 30 and 70 kHz. This allows you to significantly increase the maximum possible cable length. So, when using high-frequency piezoresonators, the possible cable length is from 30 to 600 m. When using low-frequency resonators, it is possible to use a cable with a length of about 3 km, and there is a potential for increasing the cable length to 6-10 km. An increase in the cable length is possible due to the use of piezo resonators with lower operating frequencies and / or a connecting cable with a wider frequency band, which, in turn, is achieved by reducing the linear resistance of the cable, for example, by increasing its diameter, due to the use of conductors with a lower specific resistance, reducing losses in the insulator, as well as the transition from a single-core cable to a two-core twisted pair cable, which further reduces the level of interference.
Также в заявленном изобретении применяют высокотемпературные пьезорезонансные датчики. За счёт использования высокотемпературных пьезорезонансных датчиков и удаления электроники из зоны повышенных температур расширяется диапазон рабочих температур заявленного устройства.Also in the claimed invention used high-temperature piezoresonance sensors. Due to the use of high-temperature piezoresonance sensors and the removal of electronics from the high-temperature zone, the operating temperature range of the claimed device is expanded.
Достигается возможность эксплуатации заявленного устройства в широком диапазоне рабочих температур (от -270 до 500-1000°C) и в других сложных условиях.Achieved the possibility of operating the claimed device in a wide range of operating temperatures (from -270 to 500-1000 ° C) and in other difficult conditions.
Существуют другие пьезоматериалы, например лангасит, расширяющие потенциальный диапазон температур до примерно 1000°C. Перечень сложных условий этим не ограничивается. Например, пьезорезонансные датчики также устойчиво работают при повышенном уровне радиации, при пониженных (криогенных) температурах (вплоть до -269°C).Other piezo materials exist, such as langasite, which extend the potential temperature range to about 1000 ° C. The list of difficult conditions is not limited to this. For example, piezoresonance sensors also work stably at elevated levels of radiation, at low (cryogenic) temperatures (down to -269 ° C).
Кроме того, низкочастотные резонаторы характеризуются намного более чистым моночастотным спектром в широкой полосе частот в отличие от высокочастотных резонаторов, спектр которых изобилует множеством трудно контролируемых побочных резонансов в области рабочих частот, в результате чего трудно подобрать несколько резонаторов, которые могут быть подключены к одному и тому же кабелю. На низкочастотных резонаторах, напротив, можно строить системы, в которых к одному и тому же одножильному кабелю подключены 100 и более резонаторов.In addition, low-frequency resonators have a much cleaner monofrequency spectrum over a wide frequency band, in contrast to high-frequency resonators, the spectrum of which is replete with many hard-to-control spurious resonances in the operating frequency region, as a result of which it is difficult to find several resonators that can be connected to the same the same cable. On the other hand, low-frequency resonators can be used to build systems in which 100 or more resonators are connected to the same single-core cable.
Другая полезная особенность пьезорезонансных датчиков заключается в том, что информация об измеряемой величине заключена в значении резонансной частоты датчика, причём относительное изменение этой частоты в диапазоне измеряемых величин, как правило, невелико (1-10% от номинальной частоты). Это позволяет соединить множество датчиков с разными частотами параллельно при помощи одного и того же кабеля.Another useful feature of piezoresonance sensors is that information about the measured value is contained in the value of the resonant frequency of the sensor, and the relative change in this frequency in the range of measured values is usually small (1-10% of the nominal frequency). This allows multiple sensors with different frequencies to be connected in parallel using the same cable.
Вынесенная электронная аппаратура может располагаться на устье скважины (наземный вариант) или в зоне скважины, свободной от воздействия повышенных температур (скважинный вариант).The removed electronic equipment can be located at the wellhead (surface option) or in the well zone free from the effects of elevated temperatures (downhole option).
Принцип действия измерительной системы на основе параллельно соединённых низкочастотных пьезорезонансных датчиков поясняется на фиг. 2. Частота каждого резонатора в цепочке связана со своей измеряемой величиной. Зависимость определяется на этапе калибровки.The principle of operation of the measuring system based on parallel-connected low-frequency piezoresonance sensors is illustrated in FIG. 2. The frequency of each resonator in the chain is related to its measured value. The dependence is determined at the calibration stage.
- 4 037631- 4 037631
Предполагается, что диапазоны изменения частот не перекрываются, что позволяет однозначно идентифицировать каждый резонанс. Цикл измерения включает возбуждение колебаний в резонаторах с помощью широкополосного электрического сигнала, оценку резонансных частот (например, по положению максимумов амплитудного спектра суммарного выходного сигнала) и восстановление значений измеряемых величин.It is assumed that the frequency ranges do not overlap, which allows each resonance to be uniquely identified. The measurement cycle includes the excitation of oscillations in the resonators using a broadband electrical signal, the estimation of the resonant frequencies (for example, by the position of the maxima of the amplitude spectrum of the total output signal) and the restoration of the values of the measured quantities.
Базовая концепция получения и обработки измерительного сигнала вместе с исходными свойствами пьезорезонансных датчиков, их потенциальными возможностями и дополнительными улучшениями позволяет получить набор ключевых свойств измерительной системы, в том числе следующие:The basic concept of receiving and processing a measuring signal, together with the initial properties of piezoresonance sensors, their potential capabilities and additional improvements, allows you to obtain a set of key properties of the measuring system, including the following:
возможна эксплуатация в широком диапазоне рабочих температур (от -270 до 500-1000°C) и в других сложных условиях;operation in a wide range of operating temperatures (from -270 to 500-1000 ° C) and in other difficult conditions is possible;
высокая точность и стабильность пьезорезонансных датчиков позволяют выполнять точные измерения длительное время без промежуточных поверок и калибровок;high accuracy and stability of piezoresonance sensors allow accurate measurements for a long time without intermediate verifications and calibrations;
длина соединительного кабеля может составлять несколько (3 и более) км;the length of the connecting cable can be several (3 or more) km;
параллельно можно соединить множество датчиков (100 и более);many sensors can be connected in parallel (100 or more);
опрос всех пьезорезонансных датчиков осуществляется одновременно;interrogation of all piezoresonance sensors is carried out simultaneously;
не требуется использование многожильного кабеля;does not require the use of a multicore cable;
можно единообразно измерять множество различных физических величин (давление, температуру, состав флюида, расход и другие величины, которые можно свести к изменению давления, температуры или импеданса);many different physical quantities (pressure, temperature, fluid composition, flow rate, and other quantities that can be reduced to a change in pressure, temperature or impedance) can be measured uniformly;
не требуется специальное согласование импедансов резонаторов и кабеля и принятие специальных мер по подавлению вспомогательных сигналов (возбуждения);no special matching of resonator and cable impedances is required and no special measures are required to suppress auxiliary signals (excitation);
возможно точное измерение как частоты, так и добротности резонаторов, что, в частности, позволяет различать полезные резонансы и периодические помехи;it is possible to accurately measure both the frequency and the Q-factor of the resonators, which, in particular, makes it possible to distinguish between useful resonances and periodic interference;
возможен контроль работоспособности датчиков по уровню и затуханию полезного сигнала;it is possible to monitor the performance of the sensors by the level and attenuation of the useful signal;
как показала практика, работоспособность системы сохраняется при нарушении герметизации (протекании) прибора и/или кабеля и уменьшении параллельного сопротивления (короткого замыкания) до 50-100 Ом;as practice has shown, the operability of the system remains in case of violation of the sealing (leakage) of the device and / or cable and a decrease in the parallel resistance (short circuit) to 50-100 Ohm;
имеются способы диагностики обрывов и замыкания кабеля, защиты от замыканий в нижнем сегменте кабеля подключённых к нему датчиков, что сохраняет частичную работоспособность измерительной системы.there are methods for diagnostics of cable breaks and short-circuits, protection against short-circuits in the lower cable segment of the sensors connected to it, which preserves the partial operability of the measuring system.
Простейшая диагностика на обрыв или замыкание кабеля может быть осуществлена измерением сопротивления между проводниками на конце кабеля. Для диагностики обрыва на конце кабеля устанавливается резистор с сопротивлением, превышающим суммарное сопротивление кабеля. В случае обрыва сопротивление на конце кабеля возрастает, а в случае замыкания - уменьшается.The simplest diagnostics for a cable break or short circuit can be carried out by measuring the resistance between the conductors at the end of the cable. To diagnose a break at the end of the cable, a resistor with a resistance exceeding the total resistance of the cable is installed. In the event of a break, the resistance at the end of the cable increases, and in the event of a short circuit, it decreases.
Для защиты от замыкания в нижнем сегменте кабеля и подключённых к нему датчиках они отделяются от верхнего сегмента кабеля и подключённых к нему датчиков резисторами с сопротивлением порядка 100 Ом. Это, с одной стороны, не приводит к значительному уменьшению полезного сигнала от датчиков, подключенных к верхнему сегменту кабеля, с другой стороны, позволяет получить измерительный сигнал от датчиков, подключенных к верхнему сегменту кабеля в случае замыкания в нижнем сегменте.To protect against short circuits in the lower segment of the cable and the sensors connected to it, they are separated from the upper segment of the cable and the sensors connected to it by resistors with a resistance of about 100 Ohm. This, on the one hand, does not lead to a significant decrease in the useful signal from the sensors connected to the upper segment of the cable; on the other hand, it allows obtaining a measuring signal from the sensors connected to the upper segment of the cable in the event of a short circuit in the lower segment.
В отличие от многих других датчиков, таких как термометр сопротивления, термопара, тензопреобразователь давления и т.п., в пьезорезонансных датчиках выходная величина недоступна для непосредственного измерения (омметром, вольтметром и т.п.), а является параметром измерительного сигнала.Unlike many other sensors, such as a resistance thermometer, thermocouple, pressure transducer, etc., in piezoresonance sensors, the output value is not available for direct measurement (with an ohmmeter, voltmeter, etc.), but is a parameter of the measuring signal.
Таким образом, возникает задача получения и обработки этого сигнала. Сигнал представляет собой электрические колебания с частотой, близкой к собственной частоте пьезорезонансного датчика. Если к одному кабелю подключено множество датчиков, то выходным сигналом будет сумма колебаний с разными частотами. Помимо полезного сигнала следует иметь в виду наличие помех и шумов, которые, в свою очередь, разделяются на внешние и внутренние. К числу (неизбежно возникающих) внутренних помех относится сигнал возбуждения пьезорезонаторов. Для его подавления осуществляют тарировку кабеля, включающую определение его амплитудно-частотной характеристики, определяют математическую или физическую модель кабеля и/или сигнала возбуждения для его вычитания из измерительного сигнала и т.п.Thus, the problem arises of receiving and processing this signal. The signal is electrical vibrations with a frequency close to the natural frequency of the piezoresonance sensor. If many sensors are connected to one cable, then the output signal will be the sum of oscillations with different frequencies. In addition to the useful signal, it should be borne in mind the presence of interference and noise, which, in turn, are divided into external and internal. Among the (inevitably arising) internal interference is the excitation signal of the piezoresonators. To suppress it, the cable is calibrated, including the determination of its amplitude-frequency characteristic, the mathematical or physical model of the cable and / or the excitation signal is determined to subtract it from the measuring signal, etc.
Различают три режима работы пьезорезонатора:There are three modes of operation of the piezoresonator:
а) автоколебательный;a) self-oscillating;
б) вынужденных колебаний;b) forced fluctuations;
в) свободных колебаний.c) free vibrations.
В автоколебательном режиме пьезорезонатор включается в контур обратной связи усилителя. Режим автоколебаний создаёт наиболее мощный (помехоустойчивый) и удобный для дальнейшей обработки измерительный сигнал, но наименее пригоден для рассматриваемой системы, поскольку связан с двумя существенными ограничениями:In the self-oscillating mode, the piezoresonator is included in the feedback loop of the amplifier. The self-oscillation mode creates the most powerful (noise-immune) and convenient for further processing measuring signal, but the least suitable for the system under consideration, since it is associated with two significant limitations:
а) требует сравнительно близкого размещения электроники (в большинстве случаев расстояние между усилителем и резонатором не может превышать 1 м);a) requires a relatively close placement of electronics (in most cases, the distance between the amplifier and the resonator cannot exceed 1 m);
- 5 037631- 5 037631
б) имеются сложности с одновременным возбуждением колебаний на нескольких частотах.b) there are difficulties with the simultaneous excitation of oscillations at several frequencies.
В режиме вынужденных колебаний источником сигнала возбуждения является внешний генератор качающейся частоты, а пьезорезонатор играет роль полосового фильтра, изменяющего амплитуду и фазу сигнала на частотах вблизи собственной резонансной частоты. Он позволяет заметно (в сотни раз) увеличить длину соединительного кабеля. При этом требуется тщательное согласование импедансов кабеля и пьезорезонатора либо использование других методов снижения влияния кабеля на выходной измерительный сигнал.In the forced oscillation mode, the source of the excitation signal is an external oscillator of the sweeping frequency, and the piezoresonator plays the role of a band-pass filter that changes the amplitude and phase of the signal at frequencies near the natural resonance frequency. It allows you to noticeably (hundreds of times) increase the length of the connecting cable. This requires careful matching of the impedances of the cable and the piezoresonator or the use of other methods to reduce the influence of the cable on the output measurement signal.
В режиме свободных колебаний пьезорезонатор выполняет свободные затухающие колебания, т.е. резонатор играет роль активного источника измерительного сигнала. Предварительно возбуждают данные колебания, для чего может использоваться режим автоколебаний или вынужденных колебаний. В режиме свободных колебаний осуществляют разделение во времени процессов возбуждения колебаний в пьезорезонансных датчиках и съём выходного измерительного сигнала, возбуждение в режиме вынужденных колебаний, съём в режиме свободных колебаний.In the free oscillation mode, the piezoresonator performs free damped oscillations, i.e. the resonator plays the role of an active source of the measuring signal. These oscillations are pre-excited, for which the mode of self-oscillations or forced oscillations can be used. In the free oscillation mode, the processes of excitation of oscillations in piezoresonance sensors are separated in time and the output measuring signal is removed, excitation in the forced oscillation mode, and the removal in the free oscillation mode.
Заявленный способ характеризуется разделением во времени процессов возбуждения и съёма измерительного сигнала, одновременным возбуждением пьезорезонаторов в режиме вынужденных колебаний и съёмом измерительного сигнала в режиме свободных колебаний.The claimed method is characterized by the separation in time of the processes of excitation and removal of the measuring signal, the simultaneous excitation of the piezoresonators in the forced vibration mode and the removal of the measuring signal in the free vibration mode.
Заявленный способ позволяет осуществлять измерение физических полей (температуры, давления и других) по длине скважины или контролируемого интервала скважины. Для этого в контролируемом интервале скважины с требуемым шагом по глубине размещается множество пьезорезонансных датчиков, измеряющих требуемую физическую величину. Контролируемый интервал скважины и шаг по глубине выбирается исходя из условий измерительной задачи и требуемого разрешения по глубине. В простейшем случае выбирается постоянный шаг по глубине. Может быть также реализован переменный шаг по глубине, что позволяет увеличить разрешение по глубине в интервалах, представляющих наибольший интерес по условию измерительной задачи.The claimed method makes it possible to measure physical fields (temperature, pressure and others) along the length of the well or the controlled interval of the well. For this, a plurality of piezoresonance sensors are placed in the controlled interval of the well with the required depth step, measuring the required physical quantity. The controlled interval of the well and the step in depth are selected based on the conditions of the measurement task and the required depth resolution. In the simplest case, a constant depth step is chosen. A variable depth step can also be implemented, which makes it possible to increase the depth resolution in the intervals that are of the greatest interest in terms of the measurement problem.
По результату измерения поля температур можно судить о герметичности скважинных труб (в месте негерметичности возникают аномалии температурного профиля), интервалах протока скважинной жидкости. По измеренным распределениям температур на разных режимах работы скважины (работающая скважина, кратковременно и длительно остановленная скважина) с учётом теплопроводности и теплоемкости пород и по аналитическим формулам либо при помощи термомоделирования можно вычислить профили притока и приемистости.By the result of measuring the temperature field, it is possible to judge the tightness of the well pipes (in the place of the leak, anomalies of the temperature profile occur), the intervals of the flow of the well fluid. Based on the measured temperature distributions at different operating modes of the well (operating well, short-term and long-term shut-in well), taking into account the thermal conductivity and heat capacity of the rocks and using analytical formulas or using thermal modeling, it is possible to calculate the inflow and injectivity profiles.
При этом существенно, что измерение профилей давления и температуры осуществляются при помощи множества параллельно соединённых пьезорезонансных датчиков изложенным выше способом. Измерения производятся на разных режимах работы скважины (при разном дебите скважины). В результате определяются два или более набора измерений профилей давлений и температур при разном дебите скважины. Далее в термогидродинамическом симуляторе изменением модельных параметров скважины добиваются воспроизведения полученных профилей давления и температуры. Значения модельных параметров (профиля притока или приёмистости) являются итоговыми результатами.At the same time, it is essential that the measurement of the pressure and temperature profiles is carried out using a plurality of parallel-connected piezoresonance sensors in the manner described above. Measurements are performed at different well operating modes (at different well flow rates). As a result, two or more sets of measurements of pressure and temperature profiles are determined at different well flow rates. Further, in the thermohydrodynamic simulator, by changing the model parameters of the well, reproduction of the obtained pressure and temperature profiles is achieved. The values of the model parameters (inflow profile or injectivity) are the final results.
Рассмотрим конкретные примеры реализации способа измерения.Let's consider specific examples of the measurement method implementation.
Пример 1. Скважинный датчик давления и температуры, содержащий пьезорезонансные чувствительные элементы давления (один резонатор с диапазоном частот 50.0-52.4 кГц в диапазоне давлений 0-60 МПа), температуры (два резонатора, один из которых выполняет функцию горячего резерва, с номинальными частотами 32.5 и 33.5 кГц и диапазоном изменения частоты 210 Гц в диапазоне температур 0-100°C), а также один опорный резонатор (используемый для идентификации скважинного датчика с частотой 35.7 кГц). Датчик устанавливается на глубине 2 км. Для возбуждения колебаний вынесенная электронная аппаратура генерирует сигнал с частотой, изменяющейся в интервале частот от 32 до 53 кГц. После возбуждения резонаторов вынесенная электронная регистрирующая аппаратура переключается на ввод и оцифровку измерительного сигнала. Измерительный сигнал включает четыре затухающие синусоиды и шум измерения. Определяется спектр реализации измерительного сигнала. Спектр содержит четыре резонансных пика по числу резонаторов. По положению максимума каждого пика определяется резонансная частота соответствующего резонатора. По известной характеристике преобразования определяются значения измеряемых величин.Example 1. Downhole pressure and temperature sensor containing piezoresonance pressure sensing elements (one resonator with a frequency range of 50.0-52.4 kHz in a pressure range of 0-60 MPa), temperature (two resonators, one of which acts as a hot standby, with nominal frequencies of 32.5 and 33.5 kHz and a frequency range of 210 Hz in the temperature range of 0-100 ° C), as well as one reference resonator (used to identify the downhole sensor with a frequency of 35.7 kHz). The sensor is installed at a depth of 2 km. To excite oscillations, the external electronic equipment generates a signal with a frequency varying in the frequency range from 32 to 53 kHz. After excitation of the resonators, the external electronic recording equipment switches to input and digitization of the measuring signal. The measurement signal includes four damped sinusoids and measurement noise. The spectrum of realization of the measuring signal is determined. The spectrum contains four resonance peaks according to the number of resonators. The position of the maximum of each peak is used to determine the resonant frequency of the corresponding resonator. The values of the measured quantities are determined from the known conversion characteristic.
Пример 2. Сборка из двух скважинных датчиков давления и температуры. Каждый датчик содержит по 4 резонатора так же, как в примере 1. Первый датчик содержит резонатор давления с диапазоном частот 46.7-49.4 кГц в диапазоне давлений 0-60 МПа, резонаторы температуры с номинальными частотами 32.0 и 33.0 кГц, опорный резонатор с частотой 34.4 кГц. Второй датчик содержит резонатор давления с диапазоном частот 50.0-52.4 кГц в диапазоне давлений 0-60 МПа, резонаторы температуры с номинальными частотами 32.5 и 33.5 кГц, опорный резонатор с частотой 35.7 кГц. Датчики устанавливаются на глубине 2 км. Один из датчиков используется для определения параметров флюида внутри насоснокомпрессорной трубы, второй - снаружи насосно-компрессорной трубы. Получение и обработка измерительного сигнала осуществляется так же, как в примере 1.Example 2. An assembly of two downhole pressure and temperature sensors. Each sensor contains 4 resonators in the same way as in example 1. The first sensor contains a pressure resonator with a frequency range of 46.7-49.4 kHz in a pressure range of 0-60 MPa, temperature resonators with nominal frequencies of 32.0 and 33.0 kHz, a reference resonator with a frequency of 34.4 kHz ... The second sensor contains a pressure resonator with a frequency range of 50.0-52.4 kHz in a pressure range of 0-60 MPa, temperature resonators with nominal frequencies of 32.5 and 33.5 kHz, and a reference resonator with a frequency of 35.7 kHz. The sensors are installed at a depth of 2 km. One of the sensors is used to determine the parameters of the fluid inside the tubing, the other is used outside the tubing. Receiving and processing the measuring signal is carried out in the same way as in example 1.
Пример 3. Сборка скважинных датчиков, включающая два резонатора давления и 100 резонаторов температуры, расположенных с шагом 1 м по длине контролируемого участка ствола скважины (100 м).Example 3. Assembly of downhole sensors, including two pressure resonators and 100 temperature resonators, located with a step of 1 m along the length of the monitored section of the wellbore (100 m).
- 6 037631- 6 037631
Первый резонатор давления имеет диапазон частот 46.7-49.4 кГц в диапазоне давлений 0-60 МПа, второй резонатор давления имеет диапазон частот 50.0-52.4 кГц в диапазоне давлений 0-60 МПа, номинальные частоты резонаторов температуры распределены в полосах частот 30-46 кГц, и 53-70 кГц с постоянным отношением номинальных частот соседних резонаторов. Первый резонатор давления устанавливается на глубине 1.1 км, второй резонатор давления устанавливается на глубине 1.0 км, между ними с шагом 1 м устанавливаются резонаторы температуры в порядке увеличения их номинальных частот. Получение и обработка измерительного сигнала осуществляется так же, как в примере 1.The first pressure resonator has a frequency range of 46.7-49.4 kHz in the pressure range of 0-60 MPa, the second pressure resonator has a frequency range of 50.0-52.4 kHz in the pressure range of 0-60 MPa, the nominal frequencies of the temperature resonators are distributed in the frequency bands of 30-46 kHz, and 53-70 kHz with a constant ratio of the nominal frequencies of adjacent resonators. The first pressure resonator is installed at a depth of 1.1 km, the second pressure resonator is installed at a depth of 1.0 km, between them, with a step of 1 m, temperature resonators are installed in the order of increasing their nominal frequencies. Receiving and processing the measuring signal is carried out in the same way as in example 1.
Пример 4. Сборка скважинных датчиков, включающая два резонатора давления и 100 резонаторов температуры, расположенных в эксплуатационной скважине, добывающей нефть из пласта, расположенного на глубинах от 1050 (кровля пласта) до 1070 м, с шагом 1 м в интервале глубин от 1.1 км (забой скважины) до 1.0 км, как в примере 3. Получение и обработка измерительного сигнала осуществляется так же, как в примере 1, при этом определяются забойное давление, давление на кровле пласта и профиль температур. На первом режиме с дебитом 50 м3/сут. скважина работает постоянно. На втором режиме скважина временно (на 3 суток) переводится на повышенный дебит 70 м3/сут. В результате определяются два набора измерений профилей температур и давлений на разных дебитах в установившемся режиме работы скважины. В термогидродинамическом симуляторе, на основе полученных данных, оцениваются относительные дебиты нефти совместно работающих пластов.Example 4. An assembly of downhole sensors, including two pressure resonators and 100 temperature resonators, located in a production well producing oil from a reservoir located at depths from 1050 (top of the reservoir) to 1070 m, with a step of 1 m in the depth interval from 1.1 km ( bottomhole) up to 1.0 km, as in example 3. Receiving and processing the measurement signal is carried out in the same way as in example 1, while determining the bottomhole pressure, pressure at the top of the reservoir and the temperature profile. In the first mode, a flow rate of 50 m 3 / day. the well works constantly. In the second mode, the well is temporarily (for 3 days) transferred to an increased flow rate of 70 m 3 / day. As a result, two sets of measurements of the temperature and pressure profiles at different flow rates in the steady-state well operation are determined. In a thermohydrodynamic simulator, based on the data obtained, the relative oil production rates of jointly working formations are estimated.
Пьезорезонансные датчики могут быть классифицированы по занимаемой области частот. Для достижения заявленного технического результата используются низкочастотные (НЧ) резонаторы, позволяющие (по сравнению с высокочастотными резонаторами) использовать более длинный соединительный кабель, характеризующийся более узкой полосой рабочих частот (рабочая полоса частот кабеля уменьшается при увеличении его длины). Дополнительное преимущество НЧ-резонаторов заключается в том, что они имеют чистый спектр, что упрощает параллельное соединение множества пьезорезонансных датчиков.Piezoresonance sensors can be classified according to their frequency range. To achieve the claimed technical result, low-frequency (LF) resonators are used, which allow (in comparison with high-frequency resonators) to use a longer connecting cable, characterized by a narrower operating frequency band (the operating frequency band of the cable decreases with increasing its length). An additional advantage of woofer resonators is that they have a clear spectrum, which makes it easy to connect multiple piezoresonance transducers in parallel.
Собственно возможность разделить во времени процессы возбуждения и съема колебаний также обусловлена применением низкочастотных резонаторов (для высокочастотных такое разделение осложняется тем, что переходные процессы при переходе от одного режима к другому сравнимы по длительности с временем затухания собственных колебаний).Actually, the ability to separate in time the processes of excitation and removal of oscillations is also due to the use of low-frequency resonators (for high-frequency resonators, such a separation is complicated by the fact that the transient processes during the transition from one mode to another are comparable in duration with the decay time of natural oscillations).
Claims (15)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA202000233A EA037631B1 (en) | 2020-07-14 | 2020-07-14 | Method for determining physical values in a well based on piezoresonance sensors without electronics and a device for its implementation |
| PCT/RU2020/000594 WO2022015193A1 (en) | 2020-07-14 | 2020-11-10 | Method for determining physical parameters in a borehole |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA202000233A EA037631B1 (en) | 2020-07-14 | 2020-07-14 | Method for determining physical values in a well based on piezoresonance sensors without electronics and a device for its implementation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA202000233A1 EA202000233A1 (en) | 2021-04-22 |
| EA037631B1 true EA037631B1 (en) | 2021-04-23 |
Family
ID=75817403
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA202000233A EA037631B1 (en) | 2020-07-14 | 2020-07-14 | Method for determining physical values in a well based on piezoresonance sensors without electronics and a device for its implementation |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA037631B1 (en) |
| WO (1) | WO2022015193A1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1698864A1 (en) * | 1988-12-30 | 1991-12-15 | Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт геологических, геофизических и геохимических информационных систем | Acoustic well logging device using lamb waves |
| US20030101822A1 (en) * | 2000-03-27 | 2003-06-05 | Eric Atherton | Sensor apparatus |
| CN1570351A (en) * | 2004-04-27 | 2005-01-26 | 西安交通大学 | Low-frequency sound wave stacked piezo-electric transducer |
| RU2249690C1 (en) * | 2003-12-10 | 2005-04-10 | Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина | Device for controlling gas flow and admixtures amount in gas wells product |
| RU2474688C1 (en) * | 2011-09-30 | 2013-02-10 | Шлюмберже Текнолоджи Б.В. | Method for determining acoustic characteristics of clay cake |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2194956C1 (en) * | 2001-07-04 | 2002-12-20 | Открытое акционерное общество "Завод электроники и механики" | Procedure measuring spatial distribution of temperature ( versions ) and facility for its realization |
| CA2495342C (en) * | 2002-08-15 | 2008-08-26 | Schlumberger Canada Limited | Use of distributed temperature sensors during wellbore treatments |
| RU2431868C1 (en) * | 2010-04-09 | 2011-10-20 | Сергей Яковлевич Суконкин | Method for seismic exploration when searching for hydrocarbons and seismic system for realising said method |
| CA2817593C (en) * | 2010-11-12 | 2018-09-18 | Chevron U.S.A. Inc. | System and method for remote sensing |
| US9535185B2 (en) * | 2012-12-04 | 2017-01-03 | Schlumberger Technology Corporation | Failure point diagnostics in cable telemetry |
| US10450855B2 (en) * | 2016-04-04 | 2019-10-22 | Sercel-Grc Corp. | System and method for parameter measurement in well |
| RU180725U1 (en) * | 2018-01-22 | 2018-06-21 | Открытое акционерное общество "ФОМОС-МАТЕРИАЛС" | HIGH TEMPERATURE MASS-SENSITIVE ELEMENT FOR Piezoresonance sensors |
-
2020
- 2020-07-14 EA EA202000233A patent/EA037631B1/en not_active IP Right Cessation
- 2020-11-10 WO PCT/RU2020/000594 patent/WO2022015193A1/en active Application Filing
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1698864A1 (en) * | 1988-12-30 | 1991-12-15 | Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт геологических, геофизических и геохимических информационных систем | Acoustic well logging device using lamb waves |
| US20030101822A1 (en) * | 2000-03-27 | 2003-06-05 | Eric Atherton | Sensor apparatus |
| RU2249690C1 (en) * | 2003-12-10 | 2005-04-10 | Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина | Device for controlling gas flow and admixtures amount in gas wells product |
| CN1570351A (en) * | 2004-04-27 | 2005-01-26 | 西安交通大学 | Low-frequency sound wave stacked piezo-electric transducer |
| RU2474688C1 (en) * | 2011-09-30 | 2013-02-10 | Шлюмберже Текнолоджи Б.В. | Method for determining acoustic characteristics of clay cake |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA202000233A1 (en) | 2021-04-22 |
| WO2022015193A1 (en) | 2022-01-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6698269B2 (en) | Transducer in-situ testing apparatus and method | |
| US10393921B2 (en) | Method and system for calibrating a distributed vibration sensing system | |
| RU2733343C2 (en) | Method and system for measuring parameters in well | |
| US7042228B2 (en) | Transducer in-situ testing apparatus and method | |
| US20190041469A1 (en) | Low-noise fluxgate magnetometer with increased operating temperature range | |
| US20130257435A1 (en) | System and method for measurement incorporating a crystal resonator | |
| AU2013239660B2 (en) | System and method for measurement incorporating a crystal resonator | |
| RU2648390C2 (en) | Own hole quartz gauge with minimal electronics | |
| US4035763A (en) | Wireline tool for measuring bottom-hole pressure in pumping wells | |
| EA037631B1 (en) | Method for determining physical values in a well based on piezoresonance sensors without electronics and a device for its implementation | |
| EP0106470B1 (en) | Moisture measuring devices and methods | |
| US4193290A (en) | Steam quality acoustic monitoring system and method | |
| WO2013009932A2 (en) | Reducing fluid capacitance and conductance effects on piezoelectric resonator measurements | |
| RU166657U1 (en) | COMPLEX DEVICE FOR RESEARCHING WELLS | |
| US9513239B2 (en) | Tool casing detection | |
| CN108613748B (en) | Temperature measurement system and method based on piezoelectric ceramic resonant inductor | |
| RU2230344C1 (en) | Device for electromagnetic logging of wells | |
| US10072494B2 (en) | Remote sensing using transducer | |
| Nöther et al. | P8. 8-Application of Distributed Optical Fiber Sensors to Borehole Temperature and Strain Monitoring | |
| US20180328830A1 (en) | Using Offset Parameters in Viscosity Calculations | |
| RU2199008C2 (en) | Method of electromagnetic well logging in course of drilling and device for method embodiment |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM |