Индикатор профиля фазы среды в горизонтальных и наклонных скважинах и его емкостный датчик

Изобретение относится к области промысловой геофизики и предназначено для идентификации флюидной фазы в горизонтальных и наклонных скважинах. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и точности измерения диэлектрической проницаемости среды. Индикатор содержит корпус, шарнирно соединенные с ним подпружиненные рычаги в «n» количестве, на каждом из которых помещен емкостной датчик. В непосредственной близости от емкостного датчика расположен преобразователь «емкости в частоту», вход которого подключен к выходу емкостного датчика, а выход преобразователя подключен через первый ввод гермоввода к тактовому входу "m"-разрядного счетчика, выходы которого подключены параллельно к "m"-разрядному регистру, установленному в корпусе и входящему в состав специализированной микросхемы. Причем напряжение питания для преобразователя «емкость-частота» подведено через второй ввод этого же гермоввода. Емкостный датчик входит в состав индикатора и представляет собой каркас с основанием и боковыми стенками, образующими емкостную пару. Каркас датчика выполнен из немагнитного материала, например из пластмассы. Боковые стенки каркаса профилированы, образуют между собой угол более 90° и открыты с торцов. На внутренней поверхности каждой из стенок наклеены пластины из керамики, на которых напылен металл с высокой проводимостью, например серебро. Внешняя поверхность каждой из боковых стенок покрыта веществом с низкой адгезией, например фторопластом. С внутренней стороны стенки на металл напаян гибкий многожильный провод с литой изоляцией из фторопласта, который подводится к преобразователю «емкость-частота». 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предложение относится к области промысловой геофизики и предназначено для идентификации флюидной фазы в горизонтальных и наклонных скважинах.

Известна емкостная установка (САТ006), предназначенная для решения проблемы точной идентификации фазы в горизонтальных или сильно искривленных скважинах. (Прибор емкостной установки. Многоемкостный прибор с 12-ю расстанавливаемыми датчиками. Каталог / ф. Sondex Ltd, Великобритания, 2000 г.).

Модель САТ006 имеет установку из 12 датчиков или два круга по 6 датчиков в каждом, установленных на прижимных рычагах вокруг общего корпуса. Каждый датчик отмечает одновременно емкостные величины, связанные с диэлектрической проницаемостью флюида, окружающего его, позволяя производить многоточечную идентификацию флюида. Эти величины передаются на поверхность одновременно при помощи мультиплексной телеметрии (многопараметровая).

Недостаток устройства заключается в том, что в этой конструкции измерительные датчики установлены на рычагах, выполненных в виде штампованного профиля, в теле которого уложены провода от датчика к регистрирующей системе, которая удалена от датчика, что вызывает эффект «паразитной длинной линии» (паразитная емкость и индуктивность), который приводит к тому, что паразитная емкость проводов значительно превосходит емкость датчиков.

Задача предлагаемого устройства - ликвидация паразитных влияний, повышение чувствительности и точности измерений диэлектрической проницаемости.

Указанная задача решается тем, что в предложенном индикаторе профиля фазы среды, содержащем корпус, шарнирно соединенные с ним подпружиненные рычаги в «n» количестве, на каждом из которых установлен емкостный датчик, установленный в корпусе микроконтроллер, включающий «n» «m»-разрядных счетчиков, «n» «m»-разрядных регистров, оперативное запоминающее устройство, схему управления и центральный процессор, на каждом рычаге в непосредственной близости от емкостного датчика установлен преобразователь «емкости в частоту», при этом выходы всех емкостных датчиков подключены к входам соответствующих преобразователей «емкости в частоту», выходы которых подключены к тактовым входам «m»-разрядных счетчиков, подключенных выходами к «m»-разрядным регистрам, выполненным с защелкой с тремя состояниями 1, 0, Z, где 1 - логическая единица, 0 - логический ноль, Z - высокоомное состояние, и подключенным к оперативному запоминающему устройству, все «m»-разрядные счетчики и регистры подключены к схеме управления и к центральному процессору. Связь между преобразователем «емкости в частоту» и «m»-разрядным счетчиком осуществлена посредством экранированной витой пары проводников, имеющей на входе и выходе гермовводы.

Кроме того, возможен вариант, когда в индикаторе профиля фазы среды в горизонтальных и наклонных скважинах, содержащем корпус, шарнирно соединенные с ним подпружиненные рычаги в «n» количестве, на каждом из которых установлен емкостный датчик, и снабженном установленным в корпусе микроконтроллером, включающим «n» «m»-разрядных счетчиков, «n» «m»-разрядных регистров, оперативное запоминающее устройство, схему управления и центральный процессор, в корпусе индикатора установлены преобразователь «емкости в частоту» и преобразователь-компенсатор паразитных емкостей и индуктивности, соединенный с емкостным датчиком посредством экранированной витой пары проводников, имеющей на входе и выходе гермовводы, и преобразователем «емкости в частоту». Выходы всех преобразователей «емкости в частоту» подключены к тактовым входам «m»-разрядных счетчиков микроконтроллера, подключенных выходами к «m»-разрядным регистрам, выполненным с защелкой с тремя состояниями 1, 0, Z, где 1-логическая единица, 0 - логический ноль, Z - высокоомное состояние, и подключенным к оперативному запоминающему устройству, при этом все «m»-разрядные счетчики и регистры подключены к схеме управления и к центральному процессору.

Суть заявляемого устройства поясняется чертежами.

На фиг.1«А» и 1«Б» представлена часть индикатора с выносным рычагом.

На фиг.2 представлена блок-схема устройства.

На фиг.3 показано устройство емкостного датчика этого индикатора.

На фиг.1«А» представлена часть корпуса индикатора 1 с прижимным рычагом 2, на конце которого помещен емкостный датчик 3. В непосредственной близости от емкостного датчика 3 установлен преобразователь «емкости в частоту» 4. Таких рычагов вокруг корпуса можно расположить «n» количество (например, 3-12). Рычаг к корпусу крепится при помощи шарнира 5. В корпусе индикатора 1 установлен «m»-разрядный счетчик 6. Связь между преобразователем «емкости в частоту» 4 и «m»-разрядным счетчиком 6 осуществлена посредством экранированной витой пары проводников 7, которые подключены к преобразователю «емкости в частоту» 4 при помощи первого гермоввода 8 с защитным резиновым колпачком 9, а к «m»-разрядному счетчику 6 - через второй гермоввод 8' с резиновым колпачком 9', «m»-разрядный счетчик подключен к «m»-разрядному регистру, установленному также в корпусе индикатора 1 и входящему в состав микросхемы, называемой микроконтроллером. На фиг.1«Б» представлено устройство индикатора, в котором преобразователь «емкости в частоту» 4 помещен в корпусе индикатора 1. Причем для компенсации паразитных емкостных влияний и индуктивности между преобразователем «емкости в частоту» 4 и емкостным датчиком 3 установлен преобразователь-компенсатор паразитных емкостей и индуктивности 10, уравновешивающий эти паразитные влияния. Э - экран из проволочной оплетки. Связь между преобразователем-компенсатором паразитных емкостей и индуктивности 10 и емкостным датчиком 3 осуществлена посредством экранированной витой пары проводников 7, имеющей на входе и выходе гермовводы 8, 8'.

На фиг.2 представлена блок-схема индикатора. Емкостные датчики Д в количестве «n» штук подключены к преобразователям «емкости в частоту» Пр (емкость х частота С→F) также в «n» количестве таким образом, что выход емкостного датчика Д подключен ко входу преобразователя «емкости в частоту» Пр, выход которого подключен к тактовому входу «m»-разрядного счетчика Сч в «n» количестве (где С - тактовый вход, CS -вход разрешения, К - вход сброса), выходы которого параллельно подключены к «m»-разрядному регистру RG в «n» количестве (где D - входной сигнал записи данных) с защелкой Зщ с тремя состояниями 1, 0, Z (где 1 - логическая единица, 0 - логический ноль, Z - высокоомное состояние), m - «m»-разрядная шина данных, установленная в цепи между выходом «m»-разрядного счетчика Сч и входом «m»-разрядного регистра RG.

Все «m»-разрядные счетчики Сч^1-N, «m»-разрядные регистры RG^1-N связаны с оперативно запоминающим устройством (ОЗУ), со схемой управления и центральным процессором ЦП и входят в состав микросхемы.

Индикатор работает следующим образом.

Постоянные изменения емкости Д отслеживаются преобразователем «емкости в частоту» (Пр.), выходной сигнал которого подается на тактирующий вход m-разрядного счетчика (Сч.), при этом одновременный подсчет импульсов на всех «m»-разрядных счетчиках происходит только при поступлении общего сигнала разрешения CS. По истечении времени действия сигнала CS приходит сигнал сброса на входы R «m»-разрядных счетчиков и этот же сигнал является сигналом записи D в «m»-разрядные буферные регистры RG.

Таким образом, происходит один цикл накопления и записи. За время второго цикла накопления ЦП (центральный процессор) микроконтроллера (МК) заносит в определенную зону ОЗУ в определенном порядке данные о профиле фазы среды, которые затем с помощью телеметрической системы передаются в наземный пульт регистрации и визуализации.

Известен прибор для измерения плотности жидкости, который содержит два электрода-конденсатора, находящихся на некотором расстоянии один от другого (Пат. США №3903478, G01C 27/26, Опубл. 02.09.1975 г.) Датчик состоит из измерительного конденсатора, образованного тремя цилиндрическими пластинами, между которыми протекает контролируемая жидкость. Внутренняя и наружная пластины конденсатора соединены между собой. Изменение плотности жидкости вызывает изменение емкости между электродами.

Прибор измеряет усредненную величину процентного водосодержания, при этом обладает низкой чувствительностью, кроме того, он не приспособлен для работы в вязких средах, т.к. в этом случае затруднено протекание жидкости между пластинами конденсатора и наблюдается эффект «насыщения», что снижает чувствительность прибора.

Известен емкостный датчик для измерения состава смеси воды и нефти (Пат. Франции №1427818, кл. G01N, опубл. 3.01.1966 г.). Измерительный электрод датчика представляет собой металлическую оплетку или спираль, навернутую на цилиндрический стержень из синтетической смолы и покрытую изоляционным слоем толщиной, примерно равной ширине кольцевого пространства между измерительным электродом и наружной оболочкой аппарата, служащей вторым электродом. Датчик служит для измерения диэлектрической постоянной. Недостатки данного датчика повторяют несовершенство прибора по патенту США №3903478.

Предложенный емкостный датчик решает задачу надежности его использования в средах с любой вязкостью и повышения его чувствительности.

Задача решается тем, что в емкостном датчике, представляющем собой каркас с основанием и боковыми стенками, образующими емкостную пару, каркас емкостного датчика выполнен из немагнитного материала, боковые стенки которого профилированы и открыты с торцов, на внутренней поверхности каждой из стенок наклеены пластины из керамики, на которых напылен металл с высокой проводимостью, внешняя поверхность каждой из боковых стенок покрыта веществом с низкой адгезией, а с внутренней стороны стенки на металл напаян гибкий многожильный провод с литой изоляцией из фторопласта, который является выходом емкостного датчика.

В емкостном датчике в качестве немагнитного материала используют пластмассу, в качестве металла с высокой проводимостью используют серебро, а в качестве вещества с низкой адгезией - фторопласт.

В емкостном датчике емкостная пара выполнена со стенками в виде полукруга или выполнена со стенками в виде подковы, или со стенками, образующими между собой угол более 90 градусов.

На фиг.3 представлен емкостный датчик, где каркас с основанием 11 и боковыми стенками 12, образующими между собой угол α более 90 градусов и открытыми с торцов. Стенки 12 профилированы - выполнены с углублением 13.

На внутренней поверхности стенок наклеены пластины из керамики 15, на которые напылен металл с высокой проводимостью, например серебро, а внешняя поверхность стенки покрыта веществом с низкой адгезией 16, например фторопластом, на металле напаян 17 гибкий многожильный провод 18 с литой изоляцией 19 из фторопласта.

Емкостный датчик работает следующим образом. При прохождении жидкости между изолированными обкладками (стенками) 12 емкостной пары (конденсатора) меняется емкость конденсатора в зависимости от диэлектрической проницаемости состава жидкости, протекающей между изолированными обкладками конденсатора.

Зависящая от состава жидкости емкость конденсатора изменяет частоту в преобразователе «емкости в частоту». Чувствительность преобразователя «емкости в частоту» совместно с конденсатором должна быть достаточной для построения профиля фазы среды по критерию диэлектрической проницаемости.

Изготовление емкостного датчика с боковыми стенками, образующими угол α более 90 градусов и открытыми с торцов (или со стенками в виде полукруга, или в виде подковы), позволяет пропускать жидкость без какой либо задержки и налипания слоя на обкладках конденсатора, чему способствует и применение материала с низкой адгезией.

1. Индикатор профиля фазы среды в горизонтальных и наклонных скважинах, содержащий корпус, шарнирно соединенные с ним подпружиненные рычаги в «n» количестве, на каждом из которых установлен емкостный датчик, отличающийся тем, что он снабжен установленным в корпусе микроконтроллером, включающим «n» «m»-разрядных счетчиков, «n» «m»-разрядных регистров, оперативное запоминающее устройство, схему управления и центральный процессор, а на каждом рычаге в непосредственной близости от емкостного датчика установлен преобразователь «емкости в частоту», при этом выходы всех емкостных датчиков подключены к входам соответствующих преобразователей «емкости в частоту», выходы которых подключены к тактовым входам «m»-разрядных счетчиков, подключенных выходами к «m»-разрядным регистрам, выполненным с защелкой с тремя состояниями 1, 0, Z, где 1 - логическая единица, 0 - логический ноль, Z - высокоомное состояние, и подключенным к оперативному запоминающему устройству, все «m»-разрядные счетчики и регистры подключены к схеме управления и центральному процессору, причем связь между преобразователем «емкости в частоту» и «m»-разрядным счетчиком осуществлена посредством экранированной витой пары проводников, имеющей на входе и выходе гермовводы.

2. Индикатор профиля фазы среды в горизонтальных и наклонных скважинах, содержащий корпус, шарнирно соединенные с ним подпружиненные рычаги в «n» количестве, на каждом из которых установлен емкостной датчик, отличающийся тем, что он снабжен установленным в корпусе микроконтроллером, включающим «n» «m»-разрядных счетчиков, «n» «m»-разрядных регистров, оперативное запоминающее устройство, схему управления и центральный процессор, и устновленными в корпусе преобразователем «емкости в частоту» и преобразователем-компенсатором паразитных емкостей и индуктивности, соединенным с емкостным датчиком посредством экранированной витой пары проводников, имеющей на входе и выходе гермовводы, и преобразователем «емкости в частоту», при этом выходы всех преобразователей «емкости в частоту» подключены к тактовым входам «m»-разрядных счетчиков микроконтроллера, подключенных выходами к «поразрядным регистрам, выполненным с защелкой с тремя состояниями 1, 0, Z, где 1 - логическая единица, 0 - логический ноль, Z - высокоомное состояние, и подключенным к оперативному запоминающему устройству, при этом все «m»-разрядные счетчики и регистры подключены к схеме управления и центральному процессору.

3. Емкостной датчик, представляющий собой каркас с основанием и боковыми стенками, образующими емкостную пару, отличающийся тем, что каркас емкостного датчика выполнен из немагнитного материала, боковые стенки которого профилированы, и открыты с торцов, на внутренней поверхности каждой из стенок наклеены пластины из керамики, на которых напылен металл с высокой проводимостью, внешняя поверхность каждой из боковых стенок покрыта веществом с низкой адгезией, а с внутренней стороны стенки на металл напаян гибкий многожильный провод с литой изоляцией из фторопласта, который является выходом емкостного датчика.

4. Емкостной датчик по п.3, отличающийся тем, что в качестве немагнитного материала используют пластмассу, в качестве металла с высокой проводимостью используют серебро, а в качестве вещества с низкой адгезией - фторопласт.

5. Емкостной датчик по п.3, отличающийся тем, что емкостная пара выполнена со стенками в виде полукруга.

6. Емкостной датчик по п.3, отличающийся тем, что емкостная пара выполнена со стенками в виде подковы.

7. Емкостной датчик по п.3, отличающийся тем, что емкостная пара выполнена со стенками, образующими между собой угол более 90°.