Скопинцев С.П. Моделирование геофизических информационных систем

М инис т е р с т в о о б р а зо в а н ия и науки Р оссийской Федер ации РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) имени И. М. ГУБКИНА Кафедра геофизических информационных систем

C. П. Скопинцев

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ Лабораторный практикум

Москва 2017

УДК 550.832

Скопинцев С. П. Моделирование геофизических информационных систем: Лабораторный практикум. – М.: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, 2017. – 40 с. Практикум составлен впервые в соответствии с программой курса специальной дисциплины «Моделирование геофизических информационных систем» для студентов кафедры промысловой геофизики и промысловой геологии, изучающих методы ГИС и промыслово-геофизического контроля разработки месторождений нефти и газа. Практикум ставит целью обучить студентов навыкам работы как с одноканальными скважинными приборами, так и с измерительными каналами комплексных скважинных приборов.

Скопинцев С. П., 2017 РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, 2017

Содержание Введение.....................................................................................................

4

Лабораторная работа № 1. ТЕРМОСТАТ. ГРАДУИРОВКА ТЕРМОМЕТРА ................................................................................................

5

Лабораторный работа № 2. МАНОМЕТР. ГРАДУИРОВКА В ИСПЫТАТЕЛЬНОМ СТЕНДЕ .............................................................

10

Лабораторный работа № 3. ТЕРМОМЕТР. ИЗМЕРЕНИЕ ИНЕРЦИОННОСТИ ..........................................................................................

18

Лабораторный работа № 4. КАНАЛ ТЕРМОАНЕМОМЕТРА .........

22

Лабораторный работа № 5. КАНАЛ ВЛАГОМЕРА ...........................

26

Лабораторный работа № 6. МОДУЛЬ ГК. НАСТРОЙКА ................

29

Лабораторный работа № 7. ЛОКАТОР МУФТ ..................................

33

Приложение 1. КРАТКОЕ ОПИСКАНИЕ РЕГИСТРАТОРА TERMINAL 1.....................................................................................................

37

Приложение 2. ИНЕРЦИОННОСТЬ (ДЕКРЕМЕНТ ЗАТУХАНИЯ)

39

3

Введение В практикуме описано:  назначение датчиков информационных систем;  принципы их действия и конструкции;  методики оценки метрологических характеристик средств измерений, построенных на исследуемых датчиках. В лабораторных работах используют следующий комплект учебных стендов (КП):  двухканальный лабораторный термометр Т2–КП с образцовым измерителем температуры и рабочим средством измерений;  термостат лабораторный ТС–КП;  восьмиканальный лабораторный термометр Т8-КП;  термоанемометр лабораторный ТА-КП;  влагомер лабораторный ВЛ-КП;  локатор муфт на постоянных магнитах ЛМ-КП;  модуль ГК лабораторный, учебный ГК–КП;  манометр и поверочный стенд манометра, совмещенные в одном устройстве МС-КП. Учебные стенды являются макетами рабочих средств измерений и используются для знакомства с возможностями скважинных измерителей, обучения студентов практическим навыкам работы. Для нормальной работы учебных стендов необходимо скачать и установить драйвер Arduino IDE1, например, arduino-1.8.1windows.exe. Для регистрации данных используется регистратор Terminal 1.9b. Практикум составлен ст. преподавателем кафедры ГИС РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина С.П. Скопинцевым. 1

https://www.arduino.cc/en/Main/Software 4

Лабораторная работа № 1 ТЕРМОСТАТ. ГРАДУИРОВКА ТЕРМОМЕТРА Цель работы  ознакомить студентов со способом градуировки скважинного термометра на испытательном стенде. Основные положения Одним из способов создания шкалы средства измерения является градуировка. Для градуировки рабочего термометра используют термостат и образцовый термометр. Термостат включает рабочую емкость, устройство регулируемого нагрева рабочей емкости, электронную следящую систему с датчиком температуры в цепи обратной связи.

Рис. 1.1. Функциональная схема термостата

Работает термостат следующим образом. На вход электронной следящей системы регулятором R1 подается напряжение для нагрева до требуемой температуры (рис. 1.1, 1.2). Система включает нагрев рабочей емкости, и с помощью датчика обратной связи t контролирует её температуру. Если разность между заданной и полученой температурой велика, устройство нагрева постоянно включено, то температура быстро растет. Когда разница температур становится достаточно малой, электронная следящая система D1 переводит устройство в режим регулируемого нагрева. Процесс стабилизации температуры в ра5

бочей емкости отображается световым индикатором 2 на панели термостата, который начинает мигать с изменяемыми интервалами включения/выключения. Такой режим нагрева обеспечивает высокую стабильность температуры в рабочей емкости. После установления стабильного режима образцовым термометром С измеряют точное значение температуры в рабочей емкости термостата.

Рис. 1.2. Общий вид двухканального термометра Т2–КП и термостата ТС–КП

В лабораторной работе используется двухканальный термометр 3 (рис. 1.2), с образцовым датчиком температуры (в С) и градуируемым термометром (АЦП), совмещенными в единое устройство. Оба термометра обладают линейными характеристиками преобразования: С = A ∙ АЦП + B. Формат выходных данных В первом канале телесистемы передается текущее время, во втором – показания образцового датчика температуры, в третьем – показания градуируемого термометра. 6

Задание 1. Установить датчик двухканального термометра в отверстие 4 термостата. Подключить двухканальный термометр к разъему USB регистратора на передней панели системного блока. Запустить программу регистрации (см. приложение 1), включить режим регистрации. 2. Повернуть регулятор термостата 1 «Задание» против часовой стрелки в крайнее положение. Подключить термостат к разъему USB на задней панели системного блока. 3. Дождаться стабильного режима термостата, когда изменения показаний образцового термометра С за 30 с не превышают +0,1 С и записать в журнал номер строки и данные образцового термометра в контрольной точке. 4. Повторить пункт 3, поочередно устанавливая регулятор «Задание» в промежуточные положения, равномерно расположенные в диапазоне поворота регулятора. 5. Выключить режим записи данных. Ввести полученные данные в Excel (рис. 1.3, табл. 1), выделить столбцы №…ADC, построить график 1. Закрепить области таблицы Excel примерно на 20 строке. 6. Внутри таблицы 1 сформировать из 20 строк №…ADC таблицу 3, построить график 2. Используя записи журнала, заполнить столбцы С и ADC таблицы 2, перемещая таблицу 3 по таблице 1 по записанным контрольным точкам (№ строки) и контролируя С в таблице 3 все одинаковые значения. В качестве ADC принимать среднее значение по графику 2. 7. В таблице 2 выделить столбцы С и ADC, построить график, провести линию тренда, вывести на экран её уравнение и

7

Рис. 1.3. Обработка градуировки термометра

значение достоверности R2. Для подписи линии тренда выбрать числовой формат с 4 десятичными знаками. 8. Используя коэффициенты линии тренда и соответствующие им значения АЦП средствами Excel, рассчитать и ввести в таблицу 2 значения температуры СРАСЧ. 9. Рассчитать разности показаний температуры образцового и градуируемого датчиков (∆ = С – СРАСЧ). 10. Оценить погрешность градуируемого термометра в абсолютных единицах, учитывая, что у градуируемого термометра она в 3…5 раз больше, чем у образцового термометра. 11. Какую погрешность должен иметь образцовый термометр для градуировки рабочего термометра, имеющего полную погрешность  1 С? 8

Отчет по лабораторной работе должен содержать: a) в электронном виде: log-файл с именем «LR1_GIXY2», полученный при выполнении лабораторной работы; b) текст А4 (1 лист), в том числе:  диаграммы и таблицы, аналогичные рис. 1.3;  номер группы, бригады, фамилии студентов и название logфайла.

2

GIXY – номер бригады. 9

Лабораторная работа № 2 МАНОМЕТР. ГРАДУИРОВКА В ИСПЫТАТЕЛЬНОМ СТЕНДЕ Цель работы  ознакомить студентов со способом градуировки скважинного манометра в испытательном стенде. Основные положения Особенностью наиболее широко распространенных тензометрических датчиков давления, применяемых в скважинном приборостроении, является зависимость их характеристики преобразования не только от измеряемого давления, но и от температуры окружающей среды. Эта повышенная чувствительность к температуре объясняется следующим. На рисунке 2.1 показана конструкция датчика давления. Чувствительным элементом тензодатчика является мембрана 2. При воздействии давления снизу она изгибается, при этом изменяется величина сопротивления тензорезисторов, выращенных на верхней поверхности мембраны (вид справа).

Рис. 2.1. Конструкция датчика давления (манометра)

При изменении температуры окружающей среды, изменяется сопротивление кремниевых тензорезисторов и изгиб мембраны. Поэтому, для корректного преобразования единиц АЦП мано10

метра в единицы давления необходимо учитывать еще и показания термометра манометра. Скважинный манометр обычно градуируется в специальном стенде, обеспечивающем требуемые значения давления и температуры датчика.

Рис. 2.2. Градуировочный стенд манометра МС-КП

В лабораторной работе используется устройство, в котором испытуемый и образцовый манометры находятся внутри корпуса градуировочного стенда (рис. 2.2). Кнопкой включения насоса 1 запускается давление. При этом встроенным воздушным насосом создается верхнее его значение, которое затем с малой скоростью снижается до нуля. Необходимая температура датчика давления лабораторного манометра задается с помощью регулятора 2 в течение одной–двух минут. Метод градуировки манометра по 4 точкам При неизменной рабочей температуре измеряемое давление Р линейно связано с показаниями манометра М: P = а ∙ М + b. 11

(2.1)

В рабочем диапазоне температур константы а и b линейно зависят от температуры манометра ТМ, что в общем случае приводит к системе уравнений: Р(i) = А0 + А1 · ТМ(i) + А2 · М(i) + А3 · ТМ(i) · М(i).

(2.2)

Для их решения нужны четыре уравнения. Их можно получить с помощью метрологических испытаний в четырёх точках рабочего поля манометра, стабилизируя крайние значения температуры и давления. Используя полученные значения Р(i), ТМ(i), М(i), ТМ(i)·М(i), решают систему уравнений (2.2) преобразования А0, А1, А2 и А3. Уровень современной техники позволяет значительно увеличить количество рабочих точек при градуировке манометра, улучшая тем самым метрологические характеристики измерителя. Для этого метрологические испытания проводят при двух и более стабилизированных значениях рабочей температуры, в том числе вверху и внизу их рабочего диапазона. Метод градуировки манометра по нескольким градуировочным массивам При каждом значении температуры задают медленно изменяющееся давление во всем диапазоне измерений и постоянно фиксируют его рабочим и образцовым манометром. Дальнейшая обработка результатов, в принципе, аналогична таковой по четырем точкам, однако в расчёте используют практически все полученные данные.

12

Пример градуировки манометра На рисунке 2.3 показан исходный файл Excel градуировки манометра c тремя градуировочными массивами данных. Файл содержит показания рабочего (Ман_АЦП) и образцового (МПа) манометров, а также данные влияющего фактора  температуры, т.е. показания термометра манометра (ТМан_АЦП).

Рис. 2.3. Пример градуировки манометра. Исходный файл

При обработке файла градуировку проводят следующим образом:  выделяют двухмерные массивы Ман_АЦП и МПа, снятые при неизменных значениях температуры. Здесь выбраны массивы 531, 606 и 670;  для каждого их массива создают линейную диаграмму, проводят линии тренда и выводят формулы (рис. 2.4); 13

Рис. 2.4. Расчет коэффициентов a(i) и b(i) массивов

 заполняют таблицу значений температуры ТМан_АЦП и коэффициентов a(i), b(i), строят две диаграммы и находят по два коэффициента для aТМ и bТМ линейных зависимостей a(i) и b(i) от температуры (рис. 2.5). На этом расчет градуировочных коэффициентов заканчивается.

Рис. 2.5. Расчет коэффициентов aТМ и bТМ

Измеряемое давление по показаниям манометра, например, 142 (рис. 2.6, ячейка В2) и термометра манометра (ячейка D2) рассчитывают поэтапно: 14

 коэффициент А формулы (2.1): А = G2 = $L$2 ∙ D2 + $L$3 = 0,999173;  коэффициент В формулы (2.1): В = Н2 = $M$2 ∙ D2 + $M$3 = –141,875;  величину измеряемого давления: МПАрас = А ∙ Ман_АЦП + В = G2 ∙ B2 + H2. МПАрас = 0,0. Для верхнего значения диапазона измерений (здесь 200) приведенное отклонение измеренного давления от заданного рассчитывают по формуле Δ, % = (МПа – МПАрас) / 2 = 0 %. Формат выходных данных Время (с) передается в первом канале телесистемы, показания рабочего манометра Ман_АЦП – во втором образцового манометра МПа – в третьем, а термометра манометра ТМан_АЦП – в четвертом. Задание 1. Регулятор температуры установить в одно из крайних положений. Подключить стенд к разъему USB-регистратора. Запустить программу регистрации (приложение 1). Включить режим регистрации. 2. Выдержать время, пока скорость изменения показаний канала ТМан_АЦП не станет менее 1 за 30 секунд. Нажать (2 с) кнопку включения насоса 1 и подождать, когда показания канала МПа уменьшатся до 1. 15

16 Рис. 2.6. Расчет измеренного значения давления МПАрас

3. Регулятор температуры установить в среднее положение. Повторить п.2. 4. Регулятор температуры установить в другое крайнее положение. Повторить п.2. 5. Выключить режим регистрации. Экспортировать файл в Excel. 6. Пользуясь текстом лабораторной работы и приведенными диаграммами, провести градуировку манометра. Вопросы к заданию 1. Какой диапазон измерений и какую величину погрешности можно присвоить рабочему манометру, исследованному в данной работе? 2. Какое давление измеряет скважинный манометр: избыточное или абсолютное? Отчет по лабораторной работе должен содержать: a) в электронном виде: log-файл, полученный при выполнении лабораторной работы с именем «LR2_GIXY3»; b) текст на А4 (1 лист):  с распечаткой листа Excel по рис. 2.6;  с номером группы, бригады, фамилий студентов и названием log-файла.

3

GIXY – номер бригады. 17

Лабораторная работа № 3 ТЕРМОМЕТР. ИЗМЕРЕНИЕ ИНЕРЦИОННОСТИ Цель работы  ознакомить студентов с типовой конструкцией датчика температуры, влиянием конструкции на инерционность измерителя, с технологией измерения инерционности датчика температуры в единицах времени. Основные положения Инерционность термометра определяет его информативность при исследовании быстроизменяющихся входных сигналов. Для скважинного термометра это означает: чем меньше инерционность сенсора измерителя, тем больше скорость исследования и информации и тем меньше время задолженности скважины.

Рис. 3.1. Конструкция датчика термометра Т8-КП

Уменьшить инерционность термометра можно за счет снижения теплового сопротивления канала, по которому тепловой поток доходит от измеряемой среды к сенсору. Например, у малоинерционого фольгового скважинного датчика тепло от металлического защитного кожуха проходит на сенсор сквозь тон18

кий слой теплопроводящего изолятора, вызывая его быстрый прогрев. На рисунке 3.1 показан вариант малоинерционного термодатчика, у которого «заземленный» вывод полупроводникового сенсора припаян к защитному кожуху. Принято определять инерционность датчика термометра, перемещением его из воздуха в подвижную водную среду с другой температурой. В данной работе в качестве рабочей емкости используют лабораторный стакан, наполненный водой, температура которой на 5…10 градусов больше или меньше комнатной. Формула изменения температуры датчика при его переходе в среду с другой температурой – экспоненциальная: С(t) = CO + (СВ – CO) ∙ (1exp(t/ ))

(3.1)

или С(t) = CO + (CO – СВ) ∙ exp(t/ ),

(3.2)

где С(t) – текущее значение температуры; CO – значение комнатной температуры; СВ – температуры воды; – константа (инерционность, постоянная времени, тепловая инерция), зависящая от конструкции датчика и тепловых характеристик окружающей среды.

Рис. 3.2. Термограммы переходного процесса 19

Формат выходных данных 1 канал – время (с), 2…9 каналы – термограммы 1…8. Задание 1. Подключить восьмиканальный датчик температуры к разъему USB регистратора. Запустить программу регистрации (см. приложение 1), включить режим регистрации. 2. Через 10 секунд быстро опустить термометр в воду и в течение 60 с помешивать её. Выключить регистрацию. 3. Экспортировать файл в Excel, построить диаграммы. Из полученного семейства выбрать термограмму с номером своей бригады. Определить примерное значение температуры воды CВ. 4. Рассчитать и построить диаграмму изменения значений параметра ln(CВ – С(t)) (из формулы 3.1) или ln(С(t) – CВ) (из формулы 3.2) в зависимости от времени (приложение 2). Построить линию тренда, вывести на график формулу линии тренда (y = ax + b) и величину достоверности R2. Изменяя значение CВ, добиться максимального значения достоверности R2. Рассчитать величину инерционности по формуле: 1/а. 5. Рассчитать значение инерционности Для этого:  примерно определить её величину;

графически.

 провести на графике константу CO + (CВ –CО) ∙ 0,63 или CO  (CО –CВ) ∙ 0,37;  из точки пересечения константы и графика С(t) опустить перпендикуляр на ось t и рассчитать величину инерционности датчика, равную временному интервалу между моментом пересечения оси перпендикуляром и началом экспоненты на графике. 20

Вопросы к заданию 1. Как влияет на инерционность датчика толщина стенки защитного корпуса? 2. Почему при выполнении п.5 используют число 0,63? Отчет по лабораторной работе должен содержать: a) в электронном виде: log-файл с именем «LR3_GIXY4», полученный при выполнении лабораторной работы; b) текст на А4 (1 лист), включающий:  диаграмму математического расчета инерционности ;  диаграмму графического расчета инерционности ;  номер группы, бригады, фамилии студентов и название logфайла.

4

GIXY – номер бригады. 21

Лабораторная работа № 4 КАНАЛ ТЕРМОАНЕМОМЕТРА Цель  ознакомить студентов с принципом метода термоанемометрии, методикой обработки данных канала термоанемометра. Основные положения Принцип работы термоанемометра основан на эффекте охлаждения нагретого объекта потоком флюида. Конструктивно датчик скважинного термоанемометра имеет форму цилиндра 2, расположенного вдоль потока, внутри которого установлены нагреватель 3 и термометр 1. Тепло от нагревателя по стенке датчика проходит к термометру. Определяя разницу температур термоанемометра ТА и окружающей среды Т, можно рассчитать охлаждение СТА, пропорциональное дебиту: СТА = А/(ТА – Т) +В.

(4.1)

В комплексной скважинной аппаратуре температуру термоанемометра ТА и окружающей среды Т измеряют одновременно, что позволяет получить большой объем информации за короткое время. Недостатком здесь является повышенная погрешность измерений, т.к. ТА и Т измеряются разными датчиками. Можно измерять одним датчиком в режиме, при котором нагреватель периодически включается, нагревая датчик (при этом измеряется температура ТА), и затем, охлаждая его (при этом измеряется температура Т). Недостатком такого способа является увеличенное время измерений. В лабораторном термоанемометре ТА-КП применен режим 22

периодического нагрева, когда последний отключается на 200 с, а затем включается на 1500 с.

Рис. 4.1. Конструкция датчика термоанемометра

Испытания проводят на испытательном стенде, в котором по трубе 1 вентилятором 2 прогоняется поток воздуха с разными скоростями, измеренными турбинным расходомером 3. В отверстие 4 трубы устанавливают испытуемый термоанемометр.

Рис. 4.2. Термоанемометр в испытательном стенде 23

Формат выходных данных Первый канал – текущее время (с), второй канал – значения АЦП термоанемометра, третий канал – индикация режима нагрева/остывания (1/0). Задание 1. Включить регулятор 5 в сеть и установить максимальную скорость потока. Поместить термоанемометр в отверстие 4 стенда, подключить его к разъему USB регистратора. Запустить программу регистрации (см. приложение 1), включить режим регистрации. На 190 секунде записать в журнал текущее время и показание АЦП (Т) в журнал. 2. На 390 секунде записать в журнал текущее время, показания АЦП (ТА) и показания расходомера [м/с]. Регулятором уменьшить скорость потока на 1 м/с. 3. Повторить п.2 на 590 с, 790 с и т.д. По окончании испытаний на последнем режиме вентилятора выключить режим регистрации, а также стенд. 4. Экспортировать файл в Excel, построить графики изменения по времени параметров ТА и СТА. Последний параметр рассчитать по формуле (4.1), приняв А = 1000, В = 0. 5. По данным журнала и п.4 составить таблицу СТА и м/с, построить график их взаимозависимости и определить диапазон измерений, в котором характеристика преобразования близка к линейной. Вопросы к заданию 1. Что покажет параметр СТА термоанемометра в нефтяной фонтанирующей скважине с двумя интервалами притока? В нагнетательной скважине? 24

2. Почему в скважинах диаграммы термоанемометра имеют резкие «всплески» в интервалах притока? Отчет по лабораторной работе должен содержать: a) в электронном виде: log-файл с именем «LR4_GIXY5», полученный при выполнении работы; b) текст на А4 (1 лист), включающий:  планшет параметров ТНАГР (i) и СТА(i), м/с (i);  таблицу и график СТА(i), м/с (i);  номер группы, бригады, фамилии студентов и название logфайлов.

5

GIXY – номер бригады. 25

Лабораторная работа № 5 КАНАЛ ВЛАГОМЕРА Цель  ознакомить студентов с возможностями диэлькометрического влагомера. Основные положения Принцип работы диэлькометрического влагомера основан на измерении емкости измерительного конденсатора. Типовая конструкция скважинного датчика влагомера (цилиндрического конденсатора) показана на рис. 5.1. Центральный электрод конденсатора 1 изолирован от корпуса 3 (второй электрод) диэлектриком 2.

Рис. 5.1. Конструкция цилиндрического сенсора скважинного влагомера и внешний вид лабораторного влагомера ВЛ-КП

Емкость цилиндрического датчика можно определить по формуле: С = ε ε0 К, где ε – относительная диэлектрическая проницаемость; ε0 – электрическая постоянная; К – конструктивный коэффициент. 26

Для большинства скважинных влагомеров емкость датчика в газе составляет 8…10 пФ. Это означает, что изменение емкости датчика при переходе из газа с диэлектрической проницаемостью ε = 1 в нефть или конденсат с ε = 2…3 в любых влагомерах крайне мало и не превышает 10…30 пФ. Изменение емкости при переходе из газа (нефти) в воду зависит от толщины диэлектрика 2. На практике конструктивно устанавливают это изменение в диапазоне 100…300 пф. В лабораторном влагомере ВЛ-КП металлические электроды датчика расположены на разных сторонах диэлектрической пластины, что для первого приближения эквивалентно цилиндрическому сенсору. Градуировка влагомера Заключается в определении соответствия показаний канала в единицах АЦП (или иных условных единицах) трем средам  воздуха (газа), нефти или любому жидкому углеводороду и воде. Формат выходных данных Время (с) передается в первом канале телесистемы, показания влагомера – во втором канале. Задание 1. Подключить датчик влагомера к разъему USB регистратора и опустить его в испытательный стакан. Запустить программу регистрации (см. приложение 1). Включить режим регистрации. 2. Добавив в стакан воды до уровня 1 см, записать в журнал это значение глубины и показание прибора. Повторять испытания, добавляя воду по 1 см при полном погружении датчика. Ре27

зультаты представить в виде таблицы и графика зависимости показаний от глубины. 3. Провести испытания влагомера по п.2, снимая показания прибора и продувая воздух сквозь воду (в барботирующей жидкости). Глубину погружения датчика измерять без продувания воздуха. Результаты представить в виде таблицы и графика п.2. 4. Добавив в стакан четверть чайной ложки стирального порошка, провести испытания по п.2 в барботирующей жидкости. Глубину погружения датчика измерять без учета высоты пены. Результаты представить в виде таблицы и графика п.2. 5. Выключить режим регистрации. 6. Объяснить поведение диаграмм влагомера. 7. Нарисовать диаграмму влагомера в эксплуатируемой двухпластовой наклонной обводненной нефтяной скважине. Объяснить её. Вопросы к заданию 1. Как изменятся показания диэлькометрического влагомера в газе, нефти и в воде, если в конструкции датчика не будет диэлектрика 2? Отчет по лабораторной работе должен содержать: a) в электронном виде: log-файл с именем «LR5_GIXY6», полученный при выполнении лабораторной работы; b) текст на А4 (1 лист), включающий:  три таблицы и три диаграммы изменения показаний влагомера в зависимости от глубины;  ожидаемую диаграмму влагомера в эксплуатируемой двухпластовой наклонной обводненной нефтяной скважине;  номер группы, бригады, фамилии студентов. 6

GIXY – номер бригады. 28

Лабораторная работа № 6 МОДУЛЬ ГК. НАСТРОЙКА Цель работы  ознакомить студентов с основами построения модуля ГК, помочь им приобрести практические навыки настройки модуля. Основные положения Модуль ГК-КП работает следующим образом (рис. 6.1). Сенсор BD1 (обычно, это монокристалл NaI, в который для увеличения световыхода введен активатор тaллий), преобразует гамма-кванты в световые вспышки, которые воздействуют на катод фотоэлектронного умножителя  ФЭУ (VL1).

Рис. 6.1. Электрическая схема и конструкция модуля ГК

Кванты света выбивают из катода электроны, которые под действием ускоряющего электрического поля, поданного на диноды ФЭУ, запускают лавинообразный процесс умножения тока. 29

В результате на аноде (вывод 9) формируется импульсы тока большой амплитуды и короткой длительности (1–2 нс), которые через VT3 направляются в счетчик ГК.

Рис. 6.2. Внешний вид лабораторного модуля ГК

Ускоряющее электрическое поле создается формирователем высоковольтного напряжения (В/в), рабочая величина которого выбирается так:  изменяя резистором R30 (рис.6.2) величину В/в, подсчитывают число зарегистрированных импульсов N в единицу времени;  строят график N = f(В/в), находят плато (участок АВ с мало изменяющимся значением счета) и устанавливают на нем рабочую точку С (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Рабочая точка на плато счетной характеристики

Наличие плато на счетной характеристике ФЭУ объясняется тем, что в интервале АВ модуль ГК подсчитывает каждый гаммаквант, попавший в кристалл. До точки А напряжения питания ФЭУ недостаточно, чтобы заставить все выбитые из катода электроны направиться к динодам. А после точки В напряжение пи30

тания ФЭУ настолько велико, что и без квантов света «вырывает» из катода электроны и направляет их на диноды, т.е. формирует автоэмиссию. Местоположение рабочей точки С определяют по рекомендациям производителя ФЭУ или выбирают в середине «плато». Примечание. Лабораторный модуль ГК–КП полностью экранирован от внешних воздействий, в т.ч. от естественного фона гамма-излучения. Внутреннее излучение также не выходит на пределы экрана лабораторного гамма-модуля. Формат выходных данных В первом канале передается текущее время, во втором – измеренное модулем ГК значение В/в, в третьем – показания счетчика импульсов. Задание 1. Подключить модуль ГК–КП к разъему USB регистратора. Запустить программу регистрации (см. приложение 1), включить режим регистрации. 2. Устанавливая резистором R30 значения высокого напряжения (В/в) равными 0%, 10%, 20%...100% от максимального, контролируя их по показаниям второго канала регистратора, зарегистрировать интенсивность ГК. Выключить режим регистрации. 3. С помощью программы Excel и зарегистрированного файла построить счетную характеристику и выбрать на ней рабочую точку.

31

Вопросы к заданию 1. Для чего используют подпружиненный консольный способ крепления чувствительного узла к шасси скважинного прибора пружиной КОНСОЛЬ? Отчет по лабораторной работе должен содержать: a) в электронном виде: log-файл с именем «LR6_GIXY7», полученный при выполнении работы; b) текст на А4 (1 лист), включающий:  планшет счетной характеристики с рабочей точкой;  номер группы, бригады, фамилии студентов и название logфайла.

6

GIXY – номер бригады. 32

Лабораторная работа № 7 ЛОКАТОР МУФТ Цель работы – ознакомить студентов с конструкцией модуля локатора муфт ЛМ, принципами его работы. Основные положения Основная функция скважинного локатора муфт – контроль и регистрация изменений магнитных характеристик прилегающих к прибору элементов конструкции скважины – муфтовых соединений и перфорационных отверстий. Как создается сигнал о наличии и состоянии муфтового соединения, когда прибор проходит зазор между соседними трубами внутри муфты? Рассмотрим конструкцию локатора муфт и процессы формирования выходного сигнала ЛМ (рис. 7.1). В приборе, упираясь в крайние железные башмаки, встречно стоят магниты 3 и 4, между которыми установлен индуктивный датчик – катушка W, намотанная на железном сердечнике с выступающими «щечками». Когда прибор движется по стенке трубы 1, то цепь магнитопровода неразрывается, и магнитные линии замыкаются в противоположных частях магнитной системы (рис. 7.1а). При этом в катушке магнитное поле отсутствует. Когда первая щечка катушки проходит мимо зазора труб в муфтовом соединении 2 (рис. 7.1b), в этом месте создается разрыв магнитной цепи нижнего магнитопровода, и магнитные линии перераспределяются на другую щечку. Затем она выходит из зазора, и магнитные линии возвращаются на прежнее место (рис. 7.1с). 33

Рис. 7.1. Внешний вид и принцип работы магнитного локатора муфт

Рис. 7.2. Формирование сигнала датчиком ЛМ на муфтовом соединении

Описанное изменение магнитного поля F формирует в катушке W электрический сигнал UВЫХ, пропорциональный скорости этого изменения UВЫХ = dF/dt (рис. 7.2). Когда вторая щечка проходит мимо зазора, процесс зеркально повторяется, создавая сигнал 2. Суммируясь, сигналы 1 и 2 формируют узнаваемую двугорбую диаграмму 3. Амплитуда сигнала локатора муфт пропорциональна числу витков катушки, мощности магнитов, скорости движения прибора и зазору между трубами в муфте. 34

Форма сигнала в зоне перфорации зависит от диаметра отверстий, их расположения (относительно локатора муфт) и чистоты краев прострелянных дырок. В лабораторной работе изменения магнитного поля внутри катушки формируется обратным процессом: не уменьшением проводимости магнитной цепи, а ее локальным увеличением. Формат выходных данных Время (с) передается в первом канале телесистемы, показания локатора муфт – во втором канале, Задание 1. Подключить лабораторный локатор муфт ЛМ-КП к разъему USB регистратора. Запустить программу регистрации (см. приложение 1), включить режим регистрации. 2. Зарегистрировать диаграмму ЛМ, несколько раз перемещая стальную пластину по локатору муфт: вначале со скоростью 4 см/с8, затем – 15 см/с. 3. Повторить п.2, перемещая пластину над локатором муфт на высоте 5 мм, положив на него тетрадь или часть книги требуемой толщины. Выключить регистрацию. 4. Сформировать планшеты испытаний и объяснить поведение кривых. Вопросы к заданию 1. Из какого материала выполнены катушка датчика, верхняя и нижняя опоры магнитов? 8

Т.е., по всему прибору ЛМ длиной 20 см пластина должна пройти за

5 с. 35

2. По какой причине на диаграмме могут отсутствовать метки муфтовых соединений? Отчет по лабораторной работе должен содержать: a) в электронном виде: log-файл с именем «LR7_GIXY9», полученный при выполнении работы; b) текст на А4 (1 лист), включающий:  планшет испытаний локатора муфт;  рисунок перераспределения магнитных линий;  номер группы, бригады, фамилии студентов и название logфайлов.

9

GIXY – номер бригады. 36

Приложение 1 КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РЕГИСТРАТОРА TERMINAL 1.9B:

Основные возможности Terminal 1.9b:  работает без инсталляции. Вся программа — один exe-файл размером около 300 кб;  есть счетчик переданных и принятых байтов;  есть возможность сохранять и отправлять файлы;  помимо стандартных скоростей (Вaud rate), можно так установить свою нестандартную;  поддерживает до 64 COM-портов.

Рис. 1. Регистратор Terminal 1.9b

37

Порядок работы c регистратором 1. Подключить к разъему USB компьютера учебный стенд (термометр, модуль ГК и пр.) Запустить программу регистрации Terminal.exe (рис. 1). 2. Зажечь кликом кнопку DTR. Программа должна автоматически настроиться на протокол обмена с устройством. Если нет настройки, необходимо проверить соответствие всех цифровых значений на рисунке и на экране и, при необходимости, установить: a) Baud rate = 9600; b) номер COM Port  уточнить в диспетчере устройств. Нажать клавишу «Connect».

Рис. 2. Диспетчер устройств

3. В окне визуализатора должны появиться текущие значения значений выходного сигнала испытуемого устройства. 4. Командой StartLog и заданием пути и имени файла регистрации включить регистрацию в файл. Выключать же её нужно кнопкой StopLog. Внимание! Во время режима регистрации данных лабораторной работы выходить из рабочего окна регистратора Terminal 1.9b нельзя! 38

Приложение 2 ИНЕРЦИОННОСТЬ (ДЕКРЕМЕНТ ЗАТУХАНИЯ)

Рис. 3. Экспонента 1

В природе переход из одного стабильного состояния системы в другое (рис. 3) чаще всего происходит по экспоненциальной зависимости, которая описывается формулой вида: , где τ – декремент затухания. В частности, при переходе термометра из холодного воздуха в теплую воду величина τ характеризует инерционность датчика температуры. Численно она равна интервалу времени от начала экспоненты до момента, когда время t станет равно τ. При этом: , что графически выглядит, как показано на рисунке 3. Переход от 0 к 1 также происходит по экспоненте, а графическое определение τ (рис. 4)  на уровне 1–0,37 = 0,63. В измерительных устройствах данный параметр является весьма важным. Для рисунка 4 аналитически τ может быть расчитан следующим образом. 39

Рис. 4. Экспонента 2

1. Задать приблизительное значение исследуемого параметра С2, к которому стремится экспонента Т (здесь С2=1). 2. Рассчитать массив данных, равный разностям между заданным значением параметра С2 и измеренными значениями диаграммы перехода Т. 3. Рассчитать значения натурального логарифма этих разностей, провести прямую линию тренда и вывести на экран уравнение линии и значения достоверности R2.

Рис. 5. Расчет параметра «постоянная времени»

4. Подбирая значение параметра С2, к которому стремится экспонента, добиться максимального значения достоверности R2. 5. Рассчитать значение инерционности (рис. 5). Здесь τ = 1/0,01 = 100 с. 40

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

СКОПИНЦЕВ Сергей Петрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ Редактор: Л. А. Суаридзе Компьютерная верстка: И. В. Севалкина

Подписано в печать 02.11.2017. Формат 60×841/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура «Таймс». Усл. п. л. 2,5. Тираж 80 экз. Заказ № 527

Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, дом 65 тел./факс: (499) 507 82 12