RU2100595C1

RU2100595C1 - Downhole thermometer

Info

Publication number: RU2100595C1
Application number: RU96106633/03A
Authority: RU
Inventors: В.И. Уткин; А.К. Юрков; В.В. Николаев; В.А. Щапов
Original assignee: Институт геофизики Уральского отделения РАН
Priority date: 1996-04-08
Filing date: 1996-04-08
Publication date: 1997-12-27

Abstract

FIELD: precision monitoring of temperature in wells in geophysical investigations. SUBSTANCE: downhole thermometer has temperature sensitive element located in internal of three inserted in one another capsules filled with low-melting materials having different melting temperatures. EFFECT: higher efficiency. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры в буровых скважинах. The invention relates to devices for measuring temperature in boreholes.

Основное назначение устройства высокоточное измерение температуры в скважинах с целью решения следующих геофизических задач: определение величины теплового потока, построение температурного разреза верхней части земной коры, обнаружение аномальных изменений температуры в скважинах, вызванных притоками и перетоками флюидов внутри скважины. The main purpose of the device is high-precision temperature measurement in wells in order to solve the following geophysical problems: determining the magnitude of the heat flux, building a temperature section of the upper part of the earth's crust, detecting abnormal changes in temperature in the wells caused by inflows and flows of fluids inside the well.

Область применения устройства геофизические исследования скважин. The scope of the device is geophysical research of wells.

Известны скважинные термометры, содержащие чувствительный элемент в виде термистора или термосопротивления, который включен в мостовую или другую измерительную схему [1] Указанные термометры имеют, как правило, достаточно высокую чувствительность, что предопределило их широкое применение. Well-known thermometers are known that contain a sensitive element in the form of a thermistor or thermoresistance, which is included in a bridge or other measuring circuit [1]. These thermometers have, as a rule, a fairly high sensitivity, which predetermined their widespread use.

Основным недостатком скважинных термометров, использующих указанные температурные датчики, является то, что градуировочная характеристика их, как правило, нелинейна и может изменяться во времени. Поэтому, несмотря на высокую чувствительность, например, термисторов, практически невозможно повысить точность измерений температуры в скважинах. Вместе с тем известно, что снижение погрешности измерений температуры до 0,01-0,005^oC позволяет решить ряд важных геолого-геофизических задач. Не меньшее значение имеет и стабильность резистивно-температурной характеристики термометра, особенно при сопоставлении данных измерений по разным регионам, произведенным в разное время.The main disadvantage of downhole thermometers using these temperature sensors is that their calibration characteristic, as a rule, is non-linear and can change over time. Therefore, despite the high sensitivity of, for example, thermistors, it is almost impossible to increase the accuracy of temperature measurements in wells. However, it is known that reducing the temperature measurement error to 0.01-0.005 ^o C allows you to solve a number of important geological and geophysical problems. Equally important is the stability of the resistive-temperature characteristics of the thermometer, especially when comparing the measurement data for different regions produced at different times.

Все эти обстоятельства привели к разработке специальных устройств для градуировки термометров [2,3,4,5] В основном, используются два принципа построения этих устройств. Во-первых, использование контролируемых генераторов стабильной температуры [2] которые, как правило, весьма сложны в плане метрологического обеспечения, и поэтому не могут рассматриваться как основа для широкого применения. Во-вторых, использование температуры фазовых переходов, как реперных точек для градуировки термометров. При этом используется, например, принцип расплавления перемычки из определенного типа металла [3] использование специальных сосудов, заполненных расплавленным веществом с определенной температурой плавления, в которых последовательно во времени размещается градуируемый термометр [4] использование одновременно двух чувствительных элементов, один из которых располагается последовательно в одном из двух реперных материалов [5]
Наиболее близким по получаемому эффекту является устройство для измерения температуры [5] содержащее два идентичных термоэлектрических преобразователя (ТЭП). Первый ТЭП снабжен калибратором, содержащим первый и второй реперные материалы с различными, но известными температурами фазовых переходов. В устройстве получают две оценки погрешности второго измерительного канала, вычисляют коэффициент поправочной функции, в режиме измерения вычисляют скорректированное значение измерительного сигнала и осуществляют его индикацию.All these circumstances led to the development of special devices for calibrating thermometers [2,3,4,5]. Basically, two principles of construction of these devices are used. First, the use of controlled stable temperature generators [2] which, as a rule, are very difficult in terms of metrological support, and therefore cannot be considered as the basis for widespread use. Secondly, the use of the temperature of phase transitions as reference points for graduating thermometers. In this case, for example, the principle of melting a lintel from a certain type of metal [3] is used; in one of two reference materials [5]
The closest to the obtained effect is a device for measuring temperature [5] containing two identical thermoelectric converters (TEC). The first TEC is equipped with a calibrator containing the first and second reference materials with different but known phase transition temperatures. The device receives two estimates of the error of the second measuring channel, calculates the coefficient of the correction function, in the measurement mode calculates the corrected value of the measuring signal and carries out its indication.

К существенным недостаткам прототипа следует отнести наличие двух чувствительных элементов. Хотя в описании [5] указано, что эти элементы идентичны, известно, что временное старение термочувствительных элементов всегда индивидуально и со временем расхождение показаний этих, первоначально идентичных элементов, может существенно превышать требуемую погрешность измерений. Кроме того, сопоставление показаний термочувствительных элементов в двух точках не корректно ввиду присущей этим элементам нелинейности. Затруднена также реализация данного устройства, при всей его перспективности, для целей оперативной калибровки скважинных термометров. Significant disadvantages of the prototype include the presence of two sensitive elements. Although the description [5] indicates that these elements are identical, it is known that the temporary aging of thermosensitive elements is always individual and, over time, the discrepancy between the readings of these initially identical elements can significantly exceed the required measurement error. In addition, the comparison of the readings of thermosensitive elements at two points is not correct due to the inherent nonlinearity of these elements. Implementation of this device, for all its prospects, is also difficult for the purpose of operational calibration of downhole thermometers.

Целью предлагаемого изобретения скважинного термометра является обеспечение его калибровки непосредственно в процессе измерений. Это достигается тем, что термометр содержит не менее трех капсул, расположенных одна в другой и заполненных легкоплавкими материалами, имеющими различную температуру плавления, а чувствительный элемент термометра расположен в пределах внутренней капсулы. The aim of the invention is a downhole thermometer is to ensure its calibration directly in the measurement process. This is achieved by the fact that the thermometer contains at least three capsules located one in the other and filled with fusible materials having different melting points, and the sensitive element of the thermometer is located within the inner capsule.

Общий вид скважинного термометра представлен на фиг.1. Три капсулы 1, 2, 3, имеющие различный диаметр, расположены одна в другой. Внутреннее пространство капсул 1, а также внутренний объем между стенками капсул 1 и 2, 2 и 3 заполнены различными легкоплавкими веществами с добавками активаторов, имеющими различную температуру плавления. Все три капсулы жестко удерживаются на термоустойчивом каркасе 7. В объеме внутренней капсулы 1 распложен термочувствительный элемент 8. A general view of a downhole thermometer is shown in FIG. Three capsules 1, 2, 3, having different diameters, are located one in the other. The internal space of the capsules 1, as well as the internal volume between the walls of the capsules 1 and 2, 2 and 3, are filled with various fusible substances with additives of activators having different melting points. All three capsules are rigidly held on a heat-resistant frame 7. In the volume of the inner capsule 1, a heat-sensitive element 8 is located.

Принцип работы скважинного термометра с автоматической калибровкой состоит в следующем. При проведении температурных исследований в скважинах измерения температуры производят последовательно при спуске термометра. Температура флюида в скважине с глубиной увеличивается и, наконец, достигает величины, равной температуре фазового перехода вещества, расположенного, например, в первой (внутренней) капсуле. Вещество начинает плавиться, и термометр фиксирует первую реперную точку. При дальнейшем повышении температуры (увеличении глубины исследования) расплавившееся вещество продолжает нагреваться, и следующая реперная точка будет только тогда, когда температура достигнет точки плавления второго вещества, расположенного, например, в пространстве между первой и второй капсулами. При дальнейшем увеличении температуры аналогично будет зафиксирована и третья реперная точка. Таким образом, непосредственно в процессе измерений получены три реперных точки, стабильность температуры в которых фиксируется с высокой точностью, поскольку эти точки отражают температуру фазовых переходов различных веществ. Кроме того, в процессе калибровки задействована вся система измерений, включающая в себя соединительный кабель, измерительные мосты, АЦП, устройства обработки и отображения информации, то есть производится сквозная калибровка всей измерительной системы. Поэтому данная калибровка успешно работает при любых изменениях отдельных элементов системы, например, при изменении длины кабеля или его типа, при замене типа регистрирующего устройства и т.п. The principle of operation of a downhole thermometer with automatic calibration is as follows. When conducting temperature studies in wells, temperature measurements are taken sequentially when the thermometer is lowered. The temperature of the fluid in the well increases with depth and finally reaches a value equal to the phase transition temperature of the substance located, for example, in the first (inner) capsule. The substance begins to melt, and the thermometer captures the first reference point. With a further increase in temperature (increase in the depth of investigation), the molten substance continues to heat up, and the next reference point will only be when the temperature reaches the melting point of the second substance, located, for example, in the space between the first and second capsules. With a further increase in temperature, the third reference point will be similarly fixed. Thus, directly in the measurement process, three reference points were obtained, the temperature stability of which is recorded with high accuracy, since these points reflect the temperature of phase transitions of various substances. In addition, the entire measurement system is involved in the calibration process, including a connecting cable, measuring bridges, ADCs, information processing and display devices, that is, through calibration of the entire measuring system is performed. Therefore, this calibration works successfully with any changes in individual elements of the system, for example, when changing the cable length or its type, when changing the type of recording device, etc.

Увеличение тепловой инерции термометра за счет увеличения массы несущественно, так как возможно использование достаточно малых количеств реперных веществ. The increase in thermal inertia of the thermometer due to the increase in mass is not significant, since it is possible to use sufficiently small amounts of reference substances.

Испытания предлагаемого устройства проводились на рабочей модели термометра, в которой в качестве реперных веществ использовалась три металла: 1. Сплав калия и натрия, T 7,8^oC. 2. Галлий, T 29,78^oC. 2. Калий, T 63,55^oC.The tests of the proposed device were carried out on the working model of the thermometer, in which three metals were used as reference substances: 1. Potassium and sodium alloy, T 7.8 ^o C. 2. Gallium, T 29.78 ^o C. 2. Potassium, T 63 , 55 ^o C.

Результаты градуировки термометра на калориметре представлены на фиг.2. Испытания проводились как при постоянном повышении температуры, так и при остывании калориметра. Как видно из графика фиг.2, все три реперные точки отчетливо фиксируются термометром. The results of the calibration of the thermometer on the calorimeter are presented in figure 2. The tests were carried out both with a constant increase in temperature and with cooling of the calorimeter. As can be seen from the graph of figure 2, all three reference points are clearly recorded by a thermometer.

На графиках фиг. 3. представлены результаты градуировки термистора на калориметре. Температурные градуировочные характеристики термистора, построенные по двум реперным температурным точкам (график 1) и по трем реперным точкам (график 2), показывают, что нелинейность температурной характеристики термистора достигает 26% Невозможность учета этого эффекта по градуировке в двух точках, как это предлагается в [5] очевидно должно приводить к большим погрешностям измерения температуры. In the graphs of FIG. 3. presents the results of the calibration of the thermistor on the calorimeter. The temperature calibration characteristics of the thermistor, built on two reference temperature points (Figure 1) and three reference points (Figure 2), show that the non-linearity of the temperature characteristic of the thermistor reaches 26%. It is impossible to take this effect into account at two points as proposed in [ 5] obviously should lead to large temperature measurement errors.

Результаты испытания термометра в условиях скважины представлены на фиг. 4. Так же, как и при лабораторных испытаниях, на кривой фиг.4 отчетливо наблюдаются реперные точки. При этом для любых отклонений параметров измерительной системы возможно построение независимой градуировочной кривой. Well test results for the thermometer are shown in FIG. 4. As in laboratory tests, the reference points are clearly observed in the curve of FIG. 4. Moreover, for any deviations of the parameters of the measuring system, it is possible to construct an independent calibration curve.

Таким образом, применение данного устройства позволяет существенно снизить погрешность температурных измерений в скважинах, а также проводить сопоставительный анализ данных, полученных при разновременных измерениях, и исследований, проведенных, например, с другим типом регистрирующей аппаратуры. Thus, the use of this device can significantly reduce the error of temperature measurements in wells, as well as carry out a comparative analysis of the data obtained during the simultaneous measurements, and studies conducted, for example, with another type of recording equipment.

Литература
1. Казанцев С.А. Дучков А.Д. Чазов С.И. Устройство для измерений температуры в скважинах. /А.С. 1148992, СССР, кл. E 21 B 47/06, Б.И. 1985, N 13.Literature
1. Kazantsev S.A. Duchkov A.D. Chazov S.I. Device for measuring temperature in wells. / A.S. 1148992, USSR, cl. E 21 B 47/06 B.I. 1985, N 13.

2. Котельников Л.И. Устройство для градуировки скважинных преобразователей. /А.С. 1061118, СССР, кл. G 05 D 23/30, 1984. 2. Kotelnikov L.I. Device for calibrating downhole transducers. / A.S. 1061118, USSR, class G 05 D 23/30, 1984.

3. Bongiovanni G. Perissi R. Thermocouple calibration by the wire brige technique./ 2 Symp. Temp. Meas. Ind. Sci. Suhl. Ilmenau, 1984, s. 245-255. 3. Bongiovanni G. Perissi R. Thermocouple calibration by the wire brige technique./ 2 Symp. Temp. Meas. Ind. Sci. Suhl. Ilmenau, 1984, s. 245-255.

4. Moser A. Bonner G.-Etalonnage des capteurs de temperature par la methode des micro-cellules: Application aux thermocoples gaines. /Bull. Nat. Metrol./ 1988, V. 19, N 74, s. 7-10. 4. Moser A. Bonner G.-Etalonnage des capteurs de temperature par la methode des micro-cellules: Application aux thermocoples gaines. / Bull. Nat. Metrol./ 1988, V. 19, N 74, s. 7-10.

5. Поздняков Ю. В. Рак И.С. и др. Устройство для измерения температуры /А.С. 1434279, СССР, кл. G 01 K 7/02, Бюлл. N 40, 1988. 5. Pozdnyakov Yu. V. Cancer I.S. et al. A device for measuring temperature / A.C. 1434279, USSR, cl. G 01 K 7/02, Bull. N 40, 1988.

Claims

1. A downhole thermometer containing a thermosensitive element and a recording circuit, characterized in that the sensitive element is located in the inner volume of three capsules inserted one into the other, which are filled with fusible materials having different melting points.

2. The thermometer according to claim 1, characterized in that an alloy of potassium and sodium, gallium and potassium is used as materials for filling the capsules.