Устройство для измерения комплекса геофизических параметров в скважине

 

Изобретение относится к геофизическим измерениям. Цель -расширение функциональных возможностей и повышение информативности за счет одновременного измерения трех геофизических параметров. Устройство содержит двухполярный источник 1 тока, преобразователь 2 напряжения в код, блоки 3 и 4 вычитания и индикации, блок 5 управления, линию связи с проводами 11, 12, резистивный датчик 18, дроссель 20 с прямоугольной характеристикой перемагничивания. Для достижения цели устройство имеет мостовой тензодатчик 13 с тензорезисторами 14, 15, 16, 17, восемь диодов 21-28, дополнительный резистивный датчик 19. При подаче тока дроссель 20 имеет высокое сопротивление, а затем по мере насыщения сердечника - пренебрежимо малое. Устройство имеет четыре цикла работы. В первом цикле подается ток положительной полярности и шунтируются тензорезисторы 16, 15 тензодатчика 13. Ток протекает по датчику 18. Напряжение И, преобразуется в код преобразователем 2, фиксируется и поступает на вход блока 3 вычитания. Во втором такте дроссель 20 имеет малое сопротивление и шунтирует датчик 18. Напряжение И<SB POS="POST">2</SB> поступает на вход блока 3. Третий и четвертый такты образуют напряжения И<SB POS="POST">3</SB> и И<SB POS="POST">4</SB> при смене полярности источника 1 тока. В результате вычитания напряжений образуются коды, пропорциональные изменению сопротивлений датчиков 18, 19 и тензодатчика 13. Результаты фиксируются в блоке 4 индикации. Применение устройства позволяет исключить влияние параметров линии связи на результат измерения, повысить информативность за счет измерения трех параметров в рамках четырех циклов работы устройства. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 Е 21 В 47/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ФиЫ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

fO ИЗОБРЕ %КИЯМ И (ЛНРЫТИЯМ

APH ГКНТ СССР.

1 (21) 4358374/23-03 (22) 05. О1. 88 (46) 07.11.89. Бел. И 41 (71) Уфимский нефтяной институт (72) N.Л.Коловертнов, В.Н,федоров, А.И.Ишемгужин, Е.А.Леонидова и А.Е.Иитврев (53) 622.241(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР и 1270585, кл. С 01 К 7/16, 1985.

„„su„„ А1

2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСА ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В

СКВАЖИНЕ (57) Изобретение относится к геофи= зическим измерениям. Цель - расширение функциональных воэможностей и повышение информативности за счет одновременного измерения трех геофизических параметров. Устройство со.держит двухполярный источник 1 тока, в

1520238 преобразователь 2 напряжения в код, блоки 3 и 4 вычитания и индикации, блок 5 управления, линию связи с проводами 11, 12, резистивный датчик I8, дроссель 20 с прямоугольной характеристикой перемагничивания. Для достижения цели устройство имеет мостовой тензодатчик 13 с тензорезисторами 14, 15, 16, 17, восемь диодов 21-28, до- 10 полнительный реэистивный датчик 19.

При подаче тока дроссель 20 имеет высокое сопротивление, а затем по мере насыщения сердечника - пренебрежимо малое. Устройство имеет четыре цикла работы. Р> первом цикле подается ток положительной полярности и шунтируются тензорезисторы 16, 15 тензодатчика 13. Ток протекает по датчику 18. Напряжение U, преобразуИзоЬретение относится к дистанци- 25 онным измерениям геофизических параметров резистивными датчиками и может найти применение при измерении комплекса физических величин, преобразуемых в изменение активнога сопро- З0 тивления (температуры, давления, расхода и т.п.) в скважинах, с использованием двухпроводной линии связи.

Целью изобРетения является Расширение Функциональных возможностей и повышение информативности за счет одновременного измерения трех геофизических параметров.

На фиг.1 приведена структурноФункциональная схема устройства для измерения комплекса геофизических параметров в скважине; на Фиг.2структурная схема преобразователя напряжения в код; на Фиг.3 - структур- 45 ная схема блока управления; на Фиг,4временные диаграммы работы блока уп равления.

Устройство для измерения комплекса геофизических параметров в скважине включает источник 1 тока, преобразователь 2 напряжения в код, блок 3 вычитания, блок 4 индикации, блок 5 управления с управляющими выходами 6-10, двухпроводную линию связи с активным сопротивлением проводов 11 и 12, глубинную часть устройства, содержащую мостовой тензорезис,торный датчик 13 давления с тензореется в код преобразователем 2, фиксируется и поступает на вход блока 3 вычитания. Во втором такте дроссель

20 имеет малое сопротивление и шунтирует датчик 18, Напряжение U поступает на вход блока 3. Третий и четвертый такты образуют напряжения U> и U при смене полярности источника

1 тока. В результате вычитания напряжений оЬразуются коды, пропорциональные изменению сопротивлений датчиков

18, 19 и тензодатчика 13. Результаты фиксируются в блоке 4 индикации. Применение устройства позволяет икслючить влияние параметров линии связи на результат измерения, повысить информативность за счет измерения трех параметров в рамках четырех цик" лов работы устройства. 4 ил. зисторами 14-17, первый 18 и второй

19 резистивные датчики температуры, дроссель 20 с прямоугольной характеристикой перемагничивания и восемь диодов 21-28. Источник тока 1 подключен к проводам 11 и 12 линии связи и входам преобразователя 2 напряжения в код, который своими выходами подключен к входам блока 3 вычитания, выходы которого подключены к входам блока 4 индикации. Влок 5 управления выходом 6 подключен к управляющему входу источника 1 тока, а выходами

7-10 " к управляющим входам преобразователя 2 напряжения в код. Параллельно каждому из тензорезисторов

14-17 мостового тензореэисторного датчика 13 давления подключены каждый из диодов 21-24, причем одна из точек питающей диагонали датчика 13 (тенэомоста) подключена к катоду диода 21, аноду диода 22 и проводу 11 двухпроводной линии связи, а вторая точка питающей диагонали тензомоста

13 - к катоду диода 23, аноду диода

24, анодам диодов 25 и 27, катодам диодов 26 и 28. Две точки измерительной диагонали тензомоста 13 подключены к анодам диодов 21 и 23 и катодам диодов 22 и 24 соответственно. Второй провод 12 линии связи в глубинной части подключен к первым выводам резистивных датчиков 18 и 1 м ера уры и дРосселя 20. Второй вывод дросселя 20 подключен к катоду

5. 1520238

15 диода 27 и аноду диода 28, вторые выводы датчиков 18 и 19 температуры подключены соответственно к катоду

25 и аноду 26 диодов.

Преобразователь 2 напряжения в код содержит четыре узла 29-32 выборки-хранения (УВХ), четыре инвертора 33-36 и четыре аналого-цифровых преобразователя (АЦП) 37-40.

Блок 3 вычитания содержит три арифметико-логических блока (не показаны).

Блок 5 управления включает генератор 41 прямоугольных импульсов, делители 42-44 частоты, инверторы 45-47 и логические элементы И 48-51, выходы 7-10 которых соответственно являются управляющими входами для преобразователя 2 напряжения в код, а выход 6 делителя 44 - управляющим входом для источника 1 тока.

Устройство для измерения комплекса геоФизических параметров в скважине работает следующим образом.

Генератор 41 прямоугольных импульсов блока 5 управления вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов U4, (Фиг.4), частота которых делится на делителях 42-44 (U, U4

V„ ). По совпадению сигналов высокоГО урОвня U4q U 4 и U «на ВыхОде элемента И 48 (U< ) Формируется импульс, управляющий УВХ 29 преобразователя 2 напряжения в код. По совпадению импульсов с выходов инверторов

45 и 46 и выхода делителя 44 на выходе элемента И 49 (114 ) Формируется импульс, управляющий УР>Х 30,. По совпадению импульсов с выходов делителей 42 и 43 (U «, U 4,) и инвертора 47 на выходе элемента И 50 (U,) Формируются управляющие импульсы УВХ 3 1.

При совпадении сигналов высокого уровня с выходов инверторов 45-47 на выходе элемента И 51 (U 5,) формируются импульсы, управляющие УВХ 32.

Сигнал с выхода делителя 44 (U „) поступает на выход 6 блока 5 управления для управления двухполярным источником 1 тока.

По сигналу высокого уровня с выхода 6 (U4 ) блока 5 управления в линии связи по проводам 11 и 12 протекает ток положительной полярности.

При этом ток течет по образующимся параллельным цепям, первая из которых состоит из последовательно включенных тензорезистора 14 мостового дат25

55 чика 13 и диода 23, включенного при данной полярности тока в прямом направлении и шунтирующего вследствие этого тензореэистор 15, а вторая цепь образуется из последовательно включенных тензореэистора 17 и диода 22.

Для тензодатчиков, изготовленных по интегральной технологии, к которым относится используемый мостовой тенэодатчик 13 давления, справедливо утверждение о равенстве сопротивления всех плеч моста при отсутствии давления, т.е.

" î q5o gI o I7о Råо (1)

IAe Г14, Р, о о

R1,6, Р,7 - начальное сопротивление тенэорезисторов 14-17 тензодатчика 13 при отсутствии давления, а следовательно, равны приращения сопротивления ЬГ р тензорезисторов, образующие плечи моста, под действием давления. Обеспечивая равенство сопротивлений постоянному току всех диодов, включенных в прямом направлении

-1vai= Rv a = Р ч = R ч у1= r, (2) ! методом индивидуальной подборки, мож" но утверждать то, что ток в каждой из образующихся цепей равен половине тока I источника 1 тока. Поскольку используется дроссель 20 с прямо" угольной петлей гистереэиса, например, намотанный на кольцевом сердечнике из железноникелевых сплавов, то в процессе намагничивания и перемагничивания через его обмотку протекает ток незначительной величины (порядка

О,1 мА), т.е. его полное сопротивление Х, к. В момент, когда дроссель входит в насыщение, сопротивление его определяется сопротивлением обмотки и является пренебрежимо малым.

В начальный момент времени протекания тока I дроссель 20 начинает намагничиваться и весь ток течет по диоду 25, включенному в данном случае в прямом направлении, и резистивному датчику 18. Таким образом, в начальный момент времени напряжение на входе преобразователя 2 напряжения в код определяется выражением

I(2Rë+ ® + R„) + чы+

+ R ), (3) 1520238 где 2R„

- суммарное сопротивление проводов 11 и 12 линии связи, - активное сопротивление тен5 зорезистора с положительным приращением сопротивления при увеличении давления, которое с учетом (1) можно записать в виде

R,„К.,„= К,+ аК,; (4)

" эквивалентное сопротивление, определяемое с учетом (1) и (2) по выражению

U, = Х(2К „+ -(К + К „) + К ), (7) где К „ — сопротивление постоянному току диода 27.

Сопротивлением обмотки дросселя

20, находящегося в насыщении, можно пренебречь ввиду его незначительности. Напряжение U2 (7) импульсом с выхода 8 блока 5 управления запоминается в УВХ 30 преобразователя 2, à по окончании импульса сигналом высокого уровня на выходе инвертора 34 производится преобразование входного нап ряжения в параллельный код в АЦП 38

g = k-ц,. (8)

На фиг . 4 пока зано изменение вход-, ного для преобразователя 2 напряжения

0 „и отмечены точки, в которые происходит запоминание напряжений.

° R 15 r R r

R (5)

R + r R + r

К„, - сопротивление постоянному току диода 25, R 9 - активное сопротивление резистивного датчика 18.

Напряжение U „ (3) импульсом У я с выхода 7 блока 5 управления запоминается в УВХ 29 преобразователя 2 напряжения в код, а по окончании управляющего импульса формируется сигнал высокого уровня на- выходе инвертора 33, разрешающий работу АЦП, который формирует на своей выходной шине параллельнь1й код зв где k - -коэффициент преобразования

АЦП.

В следующий момент времени дроссель 20 входит в насыщение, шунтируя резистивные датчики 18 и 19 (весь З5 ток I течет через дроссель 20). Напряжение в этот момент определяется выражением

По команде блока 5 управления на выходе 6 (U ) формируется низкий уровень сигйала, управляющий источником 1 тока. В линию связи начинает течь ток (-I) обратной полярности, но равной амплитуды. Дроссель 20 начинает перемагничиваться и ток течет по вновь образованной цепи: резистивному датчику 19, диоду 26 и параллельным ветвям - диоду 24, тензорезистору 16 и тензорезистору 15, диоду 21, Напряжение на входе преоб" разователя 2 напряжения в код в этот момент времени определяется выражением (Ж. (К R>2) R y +

«1

19) (9) где К„

- активное сопротивление резистивного датчика 19, - сопротивление постоянному току диода 26, - активное сопротивление тензорезистора с отрицательным приращением сопротивления при увеличении давления, которое с учетом (l) и указанного можно записать в виде

1, — Rp>. (10)

- эквивалентное сопротивление, определяемое с учетом (1) и (2) по выражению

Ч26

R =R

РЭ2

К и r Е л r

R = — — — = — — - -r (»)

RN + г 1 11+

11з 1 1з. (12)

В следующий момент времени дроссель 20 входит s нHаarсbы iщ еeнHи еe, шунтируя резистивные датчики 18 и 19, и напряжение U< на входе преобразователя 2 определяется выражением

I (2R л + 2 ® + 1 9 9.) + ч 2 д 1 (13) по сигналу U 5 с выхода 10 управления запоминается в а затем по сигналу высокого которое блока 5

УВХ 2.

Напряжение Б управляющим сигналом U > с выхода 9 блока 5 управления запоминается в УВХ 31 преобразователя 2, а затем пви появлении сигнала высокого уровня на выходе инвертора 35 происходит преобразование этого напряжения в АЦП .39 в параллельный код

9. 15 уровня с выхода инвертора 36 преоб разуется в АЦП 40 в параллельный код

И, =kU (14)

Получаемые по мере преобразования коды N И поступают по своим шинам на входы трех арифметико-логических блоков (АЛБ) блока 3 вычитания, причем на входы первого АЛБ поступа" ют параллельные двоичные коды N,„ И, где производится вычитание И, — И, на ВхОды, ВтОрОгО АЛБ - кОды N g, N (осуществляется операция И вЂ” N ), а на входы третьего АЛБ - коды И2 и И, где производится вычитание

И вЂ” N„„, В результате проделанных операций на выходах АЛЬ формируются соответственно коды

12 kU„

kI(R чт5 R v2z + Rl> ) э (15)

= Из N+ = kU kU4

= kI{Rч2ы " Ry2ll+ Rlq) l {16)

И- = N2 И = 1 112 1 1!о

Э ) 2 Э2 2 (17) где И, Г, И, - коды соответственно на выходе первого, второго, третьего

АЛБ.

Диоды 27 и 28 непосредственно не являются необходимыми для процесса преобразования, т.е. не участвуют в достижении поставленной цели изобре.тения. Однако при их отсутствии в выражениях {15) и (16) есть нескомпенсированные слагаемые kIR„ 2, и

КХВ. 2„ изменение KGTopblx BHocHT дополнительную погрешность в результат измерения. В случае их использования и обеспечения равенства

= R «,= г, (18) что достигается индивидуальной õ подборкой, результаты преобразований (15) и (16) принимают вид

N, = kIR«; (19)

И 1 (20)

Используя выраиейия {4), (5), (10) и (11) и равенство (18) выражение (17) преобразуется к виду

20238

5 !

О!

40 ражаться в единицах измеряемого параметра при соответствующей градуировке устройства. Каждый из полученных результатов (19)-(21) зависит только от своего измеряемого параметра, преобразуемого в активное сопротивление соответствующего резистивного датчика, и инвариантен к параметрам линии связи.

Формула изобретения

Устройство для измерения комплекса геофизических параметров в скважине, содержащее первый резистивный датчик. температуры, дроссель, двухпроводную линию связи, источник тока, преобразователь напряжения в код, блок управления, блок вычитания и блок индикации, причем первые выводы дросселя и первого реэистивного датчика подключены через первый провод линии связи к первому выходу источника тока и первому входу преобразователя напряжения в код,.второй вход кото" рого соединен с вторым выходом источ" ника тока и вторым проводом линии. связи, выход подключен через блок вычитания к блоку индикации, при этом выходы блока управления соединены с управляющими входами преобразователя напряжения в код и источника тока, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения информа-. тивности за счет одновременного измерения трех геофизических параметров, оно снабжено вторым резистивным датчиком температуры, мостовым интегральным тенэорезисторным датчиком давления, первым - восьмым диодами, причем первый - четвертый диоды включены по мостовой схеме и подключены параллельно каждому из .четырех тензорезисторов мостового датчика давления, при этом точка соединения разноименных выводов первого и третьего диодов соединена с первым выводом питающей диагонали мостового датчика давления и с вторым проводом линии связи, а точка соединения разноименных выводов второго и четвертого диодов подключена к второму выхо"

И = kI(-(R + аК + r) — -(1 !

7 2 Р 2

- AR + r) + r — r) = Идя „(21) Полученные результаты поступают на блок 4 индикации,. где могут отобду питающей диагонали мостового датчика давления, выводы измерительной диагонали которого подключены соответственно к общим точкам соединения одноименных выводов первого - четвер1520238

12 того диодов, второй вывод питающей диода соединен с вторым выводом втодиагонали мостового датчика давления рого резистивного датчика температусоединен с анодами пятого и седьмого ры, первый вывод которого подключен диодов и катодами шестого и восьмого к первому проводу линии связи катод

5 диодов, катод пятого диода подключен седьмого диода соединен с анодом к второму выводу первого резистивно- восьмого диода и вторым выводом дросго датчика температуры, анод шестого селя.

8 l520238

Юру

Составитель А.Рыбаков.

Редактор И.Шулла Техред П.Олийнык Корректор З.Лончакова

Заказ 6734/36 Тираж 514 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, 3-35, Раушская наб., д; 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул. Гагарина, 101