Устройство для исследования вод в скважинах

Изобретение предназначено для исследования скважин путем гидрогеохимического каротажа и может быть использовано для геофизических исследований нефтяных скважин, а также для экологического мониторинга подземных вод. Устройство содержит погружной зонд и наземный блок, соединенные каротажным кабелем. В погружном зонде электрод сравнения потенциометрических датчиков содержит жидкостный ключ, который имеет контакт с измерительными потенциометрическими электродами, но не имеет контакта с их чувствительными элементами (мембранами). Причем в потоке исследуемой воды вначале располагаются чувствительные элементы измерительных электродов, а затем на расстоянии от них - жидкостный ключ электрода сравнения. Измерительные электроды выполнены из гидрофильного материала, а жидкостный ключ электрода сравнения представляет собой множество мягких пластин из гидрофильного материала. Наземный блок содержит блок диагностики потенциометрических датчиков, вход которого подключен к дополнительному выходу вычислительного устройства, а выход - к дополнительному входу устройства индикации и регистрации. Технический результат: повышение функциональных возможностей устройства. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для дистанционного измерения параметров водной среды, в частности для измерений температуры, гидростатического давления, удельной электропроводности, водородного показателя рН, окислительно-восстановительного потенциала, концентраций различных ионов водной среды в скважинах, и может быть использовано при проведении исследований в скважинах, содержащих смесь воды и жидких углеводородов (например, нефти).

Известно устройство для исследования вод в скважинах, позволяющее выполнять измерения вышеуказанных параметров водной среды (Патент РФ №2084006, опубликован 10.07.97, бюллетень №19).

Устройство состоит из погружного зонда, в корпусе которого находится передающий многоканальный преобразователь, одни входы которого подключены к выходам датчиков, другие входы - к выходам блока формирования тестов, а выход соединен со стабилизатором напряжения, наземного блока, содержащего источник тока, вход которого подключен к выходу блока питания, а выход - к входу приемного преобразователя, блок идентификации, вход которого подключен к выходу приемного преобразователя, другой - с выходом блока идентификации, а выход - с устройством индикации и регистрации, блок хранения параметров, соединенный с вычислительным устройством, и одножильного каротажного кабеля, соединяющего стабилизатор напряжения погружного зонда с выходом стабилизатора тока наземного блока.

В описанном устройстве обеспечивается повышение точности измерений (путем идентификации реальных индивидуальных функций преобразования измерительных каналов) и расширение функциональных возможностей (расширение перечня измеряемых параметров воды, возможность быстрого изменения набора измеряемых величин в конкретном эксперименте).

Однако данное устройство также не обладает необходимым уровнем защиты от действия внешних электрических полей и электромагнитных помех. Кроме того, при проведении исследований в скважинах со смесью воды и жидких углеводородов, потенциометрические измерительные каналы, содержащие измерительные электроды (рН - электрод, Eh - электрод, ионоселективные электроды) и электрод сравнения, могут вообще терять работоспособность. Причина этого заключается в том, что нефть является изолятором, и ее наличие в электродной области может приводить к разрыву электрической цепи в жидкости между измерительным электродом и электродом сравнения.

На решение указанной проблемы направлено изобретение \Потенциометрический сенсор для применения в скважинах\ (Патент США № US 20003/0206026 А1, опубликован 06.11.03). В этом сенсоре обеспечивается непрерывный водный контакт между измерительным и опорным электродами за счет того, что внутренний раствор из опорного электрода (электрода сравнения) истекает непосредственно на измерительную (ионоселективную) мембрану измерительного электрода. Для создания такого жидкостного контакта ключ опорного электрода выполняется из пористого материала. Данный потенциометрический сенсор может быть использован в водонефтяных смесях, в частности, может применяться при исследованиях в скважинах.

Однако используемый в изобретении принцип построения потенциометрического датчика приводит к существенным искажениям результатов измерений по следующим причинам. Во-первых, истекающий из электрода сравнения внутренний электролит попадает непосредственно на ионоселективную мембрану измерительного электрода. Если ионы внутреннего электролита являются мешающими (с некоторым коэффициентом селективности) для измерительного электрода, то они оказывают влияние на его потенциал. Например, ионы внутреннего электролита KCl оказывают влияние на потенциал измерительного pNa-электрода. Во-вторых, в области расположения чувствительных элементов электродов происходит смешивание исследуемой воды с внутренним электролитом электрода сравнения. Вследствие этого изменяются потенциалы даже абсолютно селективных электродов, таких как рН-электроды.

Следует также отметить, что жидкостной ключ, выполненный из пористого шлакоподобного материала, при работе в водонефтяной смеси быстро загрязняется, что приводит к ухудшению жидкостного электрического контакта (происходит уменьшение, а иногда и прекращение истекания внутреннего электролита из электрода сравнения).

Наиболее близким к заявляемому является устройство (прототип) для исследования вод в скважинах (Патент РФ №2153184, опубликован 20.07.2000, бюллетень №20).

Устройство состоит из погружного зонда, в корпусе которого находится передающий многоканальный преобразователь, одни входы которого подключены к выходам датчиков, другие входы - к выходам блока формирования тестов, а выход соединен со стабилизатором напряжения, наземного блока, содержащего источник тока, вход которого подключен к выходу блока питания, а выход - ко входу приемного преобразователя, блок идентификации, вход которого подключен к выходу приемного преобразователя, вычислительное устройство, один вход которого соединен с выходом приемного преобразователя, другой - с выходом блока идентификации, а выход - с устройством индикации и регистрации, блок хранения параметров, соединенный с вычислительным устройством, одножильного каротажного кабеля, соединяющего стабилизатор напряжения погружного зонда с выходом стабилизатора тока наземного блока. Устройство отличается тем, что погружной блок имеет экранирующую бленду, внутри которой расположены датчики, причем окна в бленде для протока воды находятся вне области, в которой расположены чувствительные элементы потенциометрических датчиков, а наземный блок содержит блок подавления помех, вход которого подключен к выходу приемного преобразователя, а выход - к дополнительному входу вычислительного устройства.

Конструкция экранирующей бленды обеспечивает подавление влияния как поперечной, так и продольной составляющих внешнего электрического поля, а в блоке подавления помех осуществляется цифровая фильтрация и корреляционный анализ измерительных сигналов. Кроме того, при использовании двух однотипных потенциометрических датчиков различной длины выполняется обнаружение и оценка интенсивности внешнего электрического поля.

Таким образом, в данном устройстве осуществляется эффективное подавление электрических помех естественного или искусственного происхождения. Однако это устройство практически невозможно использовать в скважинах, содержащих смесь воды и жидких углеводородов, т.к. при этом возникают описанные выше проблемы, связанные с нарушением работоспособности потенциометрических каналов.

Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения устройства для исследования вод в скважинах и, в частности, обеспечение возможности его использования в водонефтяной смеси.

Для достижения указанной цели электрод сравнения потенциометрических датчиков содержит жидкостной ключ, который имеет контакт с измерительными потенциометрическими электродами, но не имеет контакта с их чувствительными элементами (мембранами), причем в потоке исследуемой воды вначале располагаются чувствительные элементы измерительных электродов, а затем на расстоянии от них - жидкостной ключ электрода сравнения. При этом наилучшая работа потенциометрических датчиков в водонефтяной смеси достигается в том случае, когда измерительные электроды выполнены из гидрофильного материала (например, стекла), а жидкостной ключ электрода сравнения представляет собой множество мягких пластин из гидрофильного материала.

Следует учитывать, что при работе в водонефтяной смеси существует возможность загрязнения электродов и нарушения их работоспособности. Для своевременного обнаружения такой ситуации необходимо непрерывно осуществлять диагностику потенциометрических датчиков. Для этого наземный блок содержит блок диагностики потенциометрических датчиков, вход которого подключен к дополнительному выходу вычислительного устройства, а выход - к дополнительному входу устройства индикации и регистрации.

Устройство для исследования вод в скважинах изображено на фиг.1.

Погружной зонд имеет герметичный корпус 3, внутри которого размещены блок формирования тестов 4, многоканальный передающий преобразователь 5 и стабилизатор напряжения 6. К корпусу 3 прикреплена экранирующая бленда 1, внутри которой на корпусе зонда устанавливаются датчики 2. Датчики 2 включают в себя две группы датчиков: 2' - датчики гидрофизических параметров (температура, гидростатическое давление, удельная электропроводность, содержание нефти); 2" - потенциометрические датчики (электрод сравнения, рН-электрод, pNa-электрод, Eh-электрод и т.п.).

Зонд соединен с наземным блоком одножильным бронированным каротажным кабелем 7.

Наземный блок включает в себя стабилизатор тока 8, блок питания 9, приемный преобразователь 10, вычислительное устройство 11, блок идентификации 12, блок подавления помех 13, блок хранения параметров 14, устройство индикации и регистрации 15, блок диагностики потенциометрических датчиков 16.

На фиг.2 схематично изображена конструкция многоканального потенциометрического датчика, содержащая несколько измерительных электродов 2″а и один общий электрод сравнения 2″б. Измерительные электроды 2″а имеют чувствительные элементы 17 (мембраны), селективные к тем или иным ионам. Электрод сравнения 2″б содержит жидкостный ключ 2″в. Внутренняя полость электрода сравнения заполнена электролитом, который истекает через жидкостный ключ 2″в. При этом жидкостный ключ 2″в имеет контакт со всеми измерительными электродами 2″а, но не имеет контакта с их чувствительными элементами 17, причем в потоке исследуемой воды вначале располагаются чувствительные элементы 17 измерительных электродов 2″а, а затем на расстоянии от них - жидкостный ключ 2″в электрода сравнения 2″б.

В изготовленном экземпляре устройства для исследования вод в скважинах погружной зонд имеет титановый корпус диаметром 48 мм. Датчики гидрофизических параметров включают в себя датчик температуры (термистор), датчик гидростатического давления (тензопреобразователь давления), датчик удельной электропроводности (четырехэлектродная кондуктометрическая ячейка), датчик содержания нефти (диэлькометрический преобразователь). Потенциометрические датчики включают рН-электрод, pNa-электрод, Eh-электрод и электрод сравнения. Для работы в водонефтяных смесях использовались стеклянные рН- и pNa-электроды, титаносиликатный Eh-электрод и хлорсеребряный электрод сравнения с внутренним электролитом KCl концентрации 3М.

В многоканальном передающем преобразователе выходной сигнал каждого датчика преобразуется в цифровой код. При этом на входах потенциомегрических каналов используются усилители напряжения с высоким входным сопротивлением (>10¹¹ Ом). Аналого-цифровые преобразователи содержат цифровые фильтры, обеспечивающие подавление помех промышленной частоты. Цифровой код с выхода многоканального передающего преобразователя поступает на стабилизатор напряжения, который обеспечивает не только электрическое питание погружного зонда, но и последовательную передачу кодов по одножильному каротажному кабелю. Кроме поочередного опроса датчиков, в многоканальном передающем преобразователе осуществляется поочередный опрос выходов блока формирования тестов.

Для защиты устройства от действия внешних электрических полей к корпусу погружного зонда прикреплена экранирующая бленда, внутри которой расположены датчики, причем окна в бленде для протока воды находятся вне области, в которой расположены чувствительные элементы потенциометрических датчиков.

Электрическое питание погружного зонда осуществляется от блока питания наземного блока через стабилизатор тока, что обеспечивает лучший (по сравнению с питанием от источника напряжения) режим работы электронных устройств зонда при изменении электрического сопротивления каротажного кабеля.

Приемный преобразователь отделяет информационный сигнал, поступающий по кабелю, от напряжения питания и преобразует его к виду, удобному для ввода в вычислительное устройство, блок идентификации и блок подавления помех.

Блок идентификации использует результаты преобразования сигналов всех датчиков и тестов и с учетом вида математической модели функции преобразования каждого измерительного канала определяет значения его параметров этой функции для каждого измерительного канала в текущий момент времени путем решения соответствующей системы уравнений. Полученные реальные параметры функций преобразования измерительных каналов вводится в вычислительное устройство, которое, используя модели измерительных каналов и индивидуальные параметры датчиков, вычисляет значения всех измеряемых величин.

Вычисленные значения измеряемых величин выдаются на устройство индикации и регистрации, а также на блок диагностики потенциометрических датчиков в виде именованных чисел в единицах измерения соответствующих величин.

Блок хранения параметров содержит индивидуальные параметры всех датчиков, которые могут быть использованы в устройстве. Оператор устанавливает в погружном зонде датчики, необходимые в конкретном эксперименте, и вводит в вычислительное устройство информацию о том, в каком измерительном канале какой датчик применен. При определении значений измеряемых величин вычислительное устройство автоматически использует индивидуальные параметры соответствующих датчиков, хранящиеся в блоке хранения параметров.

Блок подавления помех использует результаты преобразования сигналов измерительных каналов, осуществляет их цифровую обработку и анализ, в результате чего обеспечивается повышение помехозащищенности устройства. В блоке подавления помех выполняются следующие процедуры:

- цифровая фильтрация сигналов с целью подавления импульсных помех и помех промышленной частоты;

- обнаружение и оценка интенсивности внешнего электрического поля (при использовании двух однотипных электродов разной длины). Если эта интенсивность превышает установленный порог, то в вычислительное устройство выдается признак возможной аномальности результатов;

- оценка корреляции между изменениями результатов измерений по каналам температуры, удельной электропроводности и потенциометрии. Если изменения результатов измерений по каналам потенциометрии сильно коррелированы друг с другом, но практически не коррелированы с изменениями температуры и удельной электропроводности, то это является признаком наличия внешнего электрического поля. Корреляционная матрица используется как для оценки интенсивности этого электрического поля, так и для коррекции результатов потенциометрии.

Блок диагностики потенциометрических каналов использует измерительную информацию, получаемую от датчика содержания нефти, датчика удельной электропроводности и всех потенциометрических датчиков.

Принцип работы диэлькометрического датчика содержания нефти в воде основан на значительном различии диэлектрических проницаемостей воды и нефти и соответствующем изменении электрической емкости датчика. Выходной сигнал этого датчика позволяет судить о процентном содержании нефти в воде. При повышении содержания нефти растет вероятность загрязнения и отказов потенциометрических датчиков.

Косвенную информацию о содержании нефти в воде дает сигнал датчика удельной электропроводности. При этом для анализа ситуации важны не столько абсолютные значения измеренной удельной электропроводности, сколько корреляция их изменений с изменениями выходных сигналов датчика содержания нефти и потенциометрических датчиков.

При наличии нефти в воде существенные изменения (или их отсутствие) выходных сигналов потенциометрических датчиков позволяют судить об их работоспособности.

Так как в устройстве используется один электрод сравнения для всех измерительных электродов, то при загрязнении жидкостного ключа электрода сравнения (вплоть до прекращения истекания внутреннего электролита) происходят одновременные, сильно коррелированные изменения показаний всех потенциальных каналов. В том случае, когда электрод сравнения работает нормально, а загрязнен какой-либо измерительный электрод, существенно изменяются показания только этого измерительного канала, т.е. отсутствует корреляция между изменениями показаний потенциометрических каналов.

Таким образом, наличие (или отсутствие) существенных изменений показаний тех или иных потенциометрических каналов и степень коррелированности этих изменений являются критерием для диагностики как измерительных электродов, так и электрода сравнения. Если фиксируется неработоспособность одного или нескольких электродов, то соответствующая информация поступает из блока диагностики потенциометрических датчиков в устройство индикации и регистрации.

Для надежной работы в водонефтяной смеси электродная система выполнена таким образом, что жидкостный ключ электрода сравнения имеет контакт со всеми измерительными электродами, но не имеет контакта с их чувствительными элементами, причем в потоке исследуемой воды вначале располагаются чувствительные элементы измерительных электродов, а затем на расстоянии от них - жидкостный ключ электрода сравнения (см. фиг.2).

Такая конструкция многоканальной электродной системы обеспечивает следующие преимущества:

1) Истекающий из жидкостного ключа внутренний электролит электрода сравнения уносится потоком воды и не попадает в область чувствительных элементов измерительных электродов, а следовательно, не оказывает отрицательного влияния на выходные сигналы измерительных электродов.

На фиг.3 показаны результаты сравнительных исследований электродных потенциометрических систем, выполненных в соответствии с патентом США № US 20003/0206026 (вариант 1) и в соответствии с предлагаемым изобретением (вариант 2). На фиг.3 "а" приведены результаты измерений активностей pNa в растворе с pNa=3,01. Вариант 2 дает погрешность измерений, не превышающую 0,05 лог. ед., в то время как варианте 1 имеет место существенное смещение результатов измерений на 0,15...0,19 лог. ед. На фиг.3 "б" показаны результаты измерений рН в буферном растворе с рН=4,01, где в варианте 1 имеется смещение результатов измерений на 0,08 лог. ед. Таким образом, в предлагаемой конструкции электродной системы отсутствует систематическая погрешность, вызванная влиянием внутреннего электролита электрода сравнения на выходные сигналы измерительных электродов.

2) Измерительные электроды выполнены из гидрофильного материала (стекла), поэтому даже при наличии значительного содержания нефти в воде на поверхности стеклянных электродов имеется водяная пленка, обеспечивающая электрическую цепь между чувствительными элементами измерительного электрода и жидкостным ключом электрода сравнения, что обеспечивает работоспособность электродной системы. Так как жидкостной ключ касается стеклянного электрода, то нефть не проникает в место контакта. Наличие указанной водяной пленки на поверхности электрода приводит также к тому, что при попадании электродов в чистую воду после работы в водонефтяной смеси происходит быстрое их самоочищение в потоке воды.

3) Выполнение жидкостного ключа электрода сравнения из множества мягких гидрофильных пластин значительно увеличивает прямой жидкостной контакт со стеклянным измерительным электродом, что обеспечивает более надежную работу электродной системы в водонефтяной смеси по сравнению с ключом, выполненным из пористого шлакообразного материала. Кроме того, пластинчатая конструкция жидкостного ключа позволяет путем изменения зазоров между пластинами регулировать расход внутреннего электролита электрода сравнения с целью обеспечения максимальной продолжительности его работы в конкретных эксплуатационных условиях.

Изготовленный экземпляр устройства прошел лабораторные исследования и натурные испытания на различных скважинах, метрологические исследования, проведенные в Самарском центре стандартизации, метрологии и сертификации (г.Самара), показали, что устройство имеет следующие погрешности измерений: температуры - 0,01°С в диапазоне 0÷60°С; гидростатического давления - 0,15% (приведенная погрешность); удельной электропроводности - 0,05% на каждом из диапазонов 0,01÷0,1 См/м; 0,1÷1 См/м; 1÷10 См/м; рН и pNa - 0,05 лог. ед.

Лабораторные исследования помехозащищенности устройства показали, что коэффициент подавления внешнего электрического поля частотой 50 Гц составляет не менее 10 дБ по входному напряжению каналов потенциометрии, а поле постоянного тока в воде с напряженностью до 10 В/м вызывает погрешность потенциометрии, не превышающую 0,05 лог. ед.

Натурные испытания устройства в скважинах показали, что по сравнению с известными устройствами для исследования вод в скважинах оно обладает существенно более высокой работоспособностью в водонефтяной смеси.

Предлагаемое устройство предназначено для исследования скважин путем гидрогеохимического каротажа и может быть использовано для геофизических исследований нефтяных скважин, а также для экологического мониторинга подземных вод в скважинах.

1. Устройство для исследования вод в скважинах, состоящее из погружного зонда, в корпусе которого находится передающий многоканальный преобразователь, одни входы которого подключены к выходам датчиков, другие - к выходам блока формирования тестов, а выход соединен со стабилизатором напряжения, наземного блока, содержащего источник тока, вход которого подключен к выходу блока питания, а выход - ко входу приемного преобразователя, блок идентификации, вход которого подключен к выходу приемного преобразователя, вычислительное устройство, один вход которого соединен с выходом приемного преобразователя, другой - с выходом блока идентификации, а выход - с устройством индикации и регистрации, блок хранения параметров, соединенный с вычислительным устройством, блок подавления помех, вход которого подключен к выходу приемного преобразователя, а выход - к дополнительному входу вычислительного устройства, одножильного каротажного кабеля, соединяющего стабилизатор напряжения погружного зонда с выходом стабилизатора тока наземного блока, причем погружной зонд имеет экранирующую бленду, внутри которой расположены датчики, а окна экранирующей бленды для протока воды находятся вне области, в которой расположены чувствительные элементы потенциометрических датчиков, отличающееся тем, что электрод сравнения потенциометрических датчиков в погружном зонде содержит жидкостный ключ, который имеет контакт с измерительными потенциометрическими электродами, но не имеет контакта с их чувствительными элементами (мембранами), причем в потоке исследуемой воды вначале располагаются чувствительные элементы измерительных электродов, а затем на расстоянии от них - жидкостный ключ электрода сравнения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительные электроды выполнены из гидрофильного материала.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что жидкостный ключ электрода сравнения представляет собой множество мягких пластин из гидрофильного материала.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наземный блок содержит блок диагностики потенциометрических датчиков, вход которого подключен к дополнительному выходу вычислительного устройства, а выход - к дополнительному входу устройства индикации и регистрации.