Скважинный прибор для измерения диэлектрических характеристик пластового флюида

Коновалов Дмитрий Александрович; Фаттахов Я.В.; Фахрутдинов А.Р.; Шагалов В.А.; Хабипов Р.Ш.; Аникин А.Н.

ISSN 0868-5886

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 1, с. 61-66 РАБОТЫ С КОНФЕРЕНЦИИ -

УДК 550.837.63

СКВАЖИННЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАСТОВОГО ФЛЮИДА

Представлен прибор, предназначенный для измерения диэлектрических характеристик пластового флюида, необходимых для определения фильтрационно-емкостных свойств пласта и пластового флюида. Процесс измерения заключается в регистрации амплитудных и фазовых характеристик высокочастотных колебаний, проходящих через две измерительные конденсаторные ячейки, заполненные исследуемым флюидом.

Кл. сл.: диэлектрическая проницаемость, емкостной датчик, цилиндрический конденсатор, измерение емкости, влагомер, диэлькометр

ВВЕДЕНИЕ

Изучение пластовых флюидов непосредственно в скважине имеет существенное значение при подготовке любого проекта добычи углеводородов. Этим объясняется актуальность создания аппаратуры, дающей достоверные сведения о свойствах пластовых флюидов при прохождении скважины. Существует множество методов определения влажности нефти, имеющих свои достоинства и недостатки. Измерение влажности нефти может быть основано на различии в поглощении СВЧ-энергии водой и нефтью. При увеличении влажности нефти происходит ослабление СВЧ-сигнала по мощности. При этом происходит изменение напряжения на выходе сигнального детектора, которое сравнивается с напряжением на выходе опорного детектора, не зависящим от влажности нефти и служащим для компенсации временной и температурной нестабильности СВЧ-тракта, а также нестабильности напряжения питания СВЧ-генератора [1].

Существует спектрофотометрический метод измерения влажности. Он основан на зависимости между содержанием воды в эмульсии и спектральными свойствами эмульсии. Метод измерения состоит в следующем. Измеряемую пробу нефти заливают в прозрачную кювету и через нее пропускают световой луч ИК-диапазона, получаемый при помощи узкополосного оптического фильтра. Интенсивность светового сигнала, прошедшего через кювету, измеряют фотоэлементом. Зная коэффициенты поглощения воды и нефти в измеряемом спектральном диапазоне с учетом толщины слоя нефти в кювете, можно судить

о содержании воды в нефти [2].

Одним из методов получения информации о содержании влаги в нефти является измерение диэлектрической проницаемости £ пластового флюида путем измерения емкости конденсатора, заполненного флюидом. Для измерения диэлектрической проницаемости на частотах от сотен Гц до 50 МГц применяются колебательные контуры с сосредоточенными параметрами. При таких измерениях исследуемая жидкость заливается в измерительную ячейку, т.е. измерительный конденсатор. В качестве измерительных конденсаторов используются плоские, дисковые, цилиндрические и сферические конденсаторы. Наиболее широко распространены цилиндрические конденсаторы. Они могут состоять из одного цилиндра и внутреннего, коаксиально расположенного электрода, либо из трех коаксиальных цилиндров. При этом наружный и внутренний цилиндры соединены между собой и при подключении к измерительному прибору заземляются. Средний цилиндр для уменьшения краевых эффектов делается на 4-6 мм короче наружного и внутреннего цилиндров [3].

РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ

Прибор состоит из двух измерительных ячеек, детектирующего модуля, контроллера, модуля связи и блока питания (рис. 1). Работа прибора состоит в формировании высокочастотного сигнала (с помощью синтезатора частот) в диапазоне от 1 до 100 МГц, усилении его и подаче на две измерительные ячейки, заполненные исследуемым флюидом.

Рис. 1. Блок-схема скважинного прибора для измерения диэлектрических характеристик пластового флюида

Сигналы с ячеек подаются на два измерителя. Далее сигналы, пропорциональные отношению амплитуд и разности фаз, подводимых к ячейкам и прошедших через них колебаний через мультиплексор поступают на АЦП. Оцифрованные значения отношений амплитуд и разности фаз поступают в микроконтроллер для предварительной обработки, и далее обработанные данные передаются в рабочую станцию.

Прибор предназначен для работы как самостоятельно, так и в составе скважинной лаборатории в нефтяных скважинах на глубинах до 5 км, и должен работать в условиях повышенных давлений и температур. Это накладывает жесткие условия на конструкцию, материалы и элементную базу измерительного блока, который должен работать при температурах до 120 °С и давлении до 100 МПа. Поэтому в конструкции использованы высокопрочные сплавы как для наружного корпуса, так и для измерительной ячейки и шасси прибора с каналом для флюида. Блок электроники выполнен из радиодеталей в соответствующем исполнении.

Основные характеристики прибора и условий эксплуатации

Диаметр исследуемых скважин, мм — 170^300 Температура в скважине, °С — от +10 до +120 Гидростатическое давление

жидкости в скважине, МПа — до100

Длина прибора, м — не более 2

Вес прибора, кг — не более 100

Диапазон рабочих частот, МГц — 1^100

Напряжение питания, В — 150^300

Потребляемый ток, А— не более 1

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА

Как отмечалось выше, разработанный прибор основан на измерении параметров ВЧ-поля, проходящего через конденсаторные измерительные ячейки. Особенностью данного прибора является использование конденсаторного блока, состоящего из двух конденсаторов. Как отмечалось в [4], чувствительность конденсаторной ячейки существенно зависит от соотношения нефти и воды в исследуемом флюиде, а также от длины центрального электрода. При преобладании воды в исследуемом флюиде чувствительность конденсаторной ячейки увеличивается при уменьшении длины центрального электрода, в то время как при преобладании нефти в исследуемом флюиде наблюдается обратная закономерность.

В представленной в настоящей статье измерительной ячейке применены два конденсатора с электродами различной длины, что позволяет измерять содержание нефти в исследуемом флюиде с высокой точностью для различных концентраций нефти в пластовом флюиде. Эскиз измерительной ячейки представлен на рис. 2. Конструктивно измерительная ячейка представляет собой два измерительных конденсатора, состоящих из корпуса 1 (наружный электрод) и двух внутренних электродов различной длины 4 и 7, зафиксированных от радиальных перемещений с помощью диэлектрических вставок 5 с отверстиями для протекания скважинного флюида. С двух сторон к корпусу 1 с помощью резьбы и уплотнений присоединены фланцы 2 и 3, которыми блок ячеек крепится к шасси с электроникой. Во фланцах также имеются отверстия для скважинного флюида. Электрод 4 через отверстия во фланце 2 с по-

СКВАЖИННЫЙ ПРИБОР

63

мощью металлических шпилек 6 и 7 (шпилька 7 одновременно выполняет функцию короткого внутреннего электрода), размещенных в проходном изоляторе, подключены к детекторному модулю, размещенному на шасси с электроникой.

ПЛАТА ЭЛЕКТРОНИКИ

Формирование ВЧ-сигнала, прием сигнала с измерительного блока, предварительная обработка сигнала и передача полученных данных для дальнейшего использования осуществляется в блоке электроники. Основой платы электроники является микропроцессор STM32F373 [5]. Микроконтроллер формирует сигналы для управления синтезатором в заданном диапазоне частот. В приборе применен синтезатор прямого цифрового синтеза AD9851, управляемый по SPI интерфейсу [6]. Усиленный ВЧ-сигнал через коммутатор поступает на один из двух емкостных делителей, состоящих из постоянной емкости и измерительного конденсатора. ВЧ-сигналы с измерительных конденсаторов поступают на два измерителя отношения амплитуд и разности фаз, выполненных на микросхемах AD8302 [7]. Далее низкочастотные сигналы, пропорциональные отношению амплитуд и разности фаз, с измерителей поступают на 4 входа микроконтроллера и с помощью внутреннего коммутатора подключаются к АЦП микроконтроллера. Далее оцифрованные данные обрабатываются в микроконтроллере. Затем предварительно обработанные данные через преобразователь RS232-RS485 на микросхеме МАХ485 передаются в рабочую станцию [8].

Для управления прибором разработано специализированное программное обеспечение (СПО), предназначенное для реализации функций управления и цифровой обработки данных в блоке измерения диэлектрических свойств пластового флюида.

СПО обеспечивает:

• прием и обработку управляющих сигналов-директив по каротажному кабелю;

• выполнение программы управления измерительными каналами;

• предварительную цифровую обработку данных, поступающих от измерительных каналов;

• формирование массива данных для передачи в рабочую станцию;

• передачу данных в рабочую станцию.

К программируемым устройствам относится микроконтроллер STM32F373. СПО реализуется как прошивка для микроконтроллера STM32F373. Исходный текст программы на языке С разработан в среде ГОЕцУ1зюп У5.24.2.0.

7 2 6

Рис. 2. Чертеж измерительной ячейки. 1 — корпус, 2 — фланец, 3 — фланец, 4 — внутренний электрод, 5 — диэлектрические вставки, 6 — металлическая шпилька, 7 — короткий внутренний электрод / шпилька

Для тестирования и отображения визуальных данных с прибора написано прикладное программное обеспечение (ППО). Программа запускается на рабочей станции, подключенной к прибору по каналам связи. Программа состоит из модулей настройки аппаратуры и каналов связи, блока тестирования и блока исследования, в котором отображаются исследовательские данные. В блоке настройки можно установить скорость передачи данных и прочие параметры. Блок тестирования проверяет корректность получаемых данных.

16500

с я

< 15500

Ч"

ÜI

14500

t

В 13500

Я

S 12500

01

d

11500

5

10500

_ Вода

А

т \ Бензин f Этанол

=г <

10

Частота, МГц

б

а

Вода

V 3iaHOj п

Г

Бензин

16500

15500

3"

сГ

14500

01

п ■ft" 13500

л

о 12500

П

РЗ

11500

10500

Бензин

VJ / ' 3 )танол j

\

Вода

1С

Частота, МГц

г

в

Рис. 3. Частотные зависимости сигналов детекторных выходов детектирующего модуля для трех тестовых жидкостей и для двух различных длин электродов — 50 мм (а и б), 150 мм (в и г). а, в — сигнал, пропорциональный отношению амплитуд; б, г — сигнал, пропорциональный разности фаз

Блок исследования позволяет запустить процесс получения и отображения данных в виде графиков, что позволяет оператору визуально оценить корректность и целостность. Программное обеспечение также позволяет вести протокол ошибок передачи данных. Программа написана на языке высокого уровня C#.NET в среде Visual Studio и выполняется под операционной системой MS Windows.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

На рис. 3 представлены результаты проведенных предварительных испытаний прибора для двух фиксированных длин центральных электродов. Эксперименты проводились для трех тестовых жидкостей: воды, этанола и бензина

с диэлектрическими проницаемостями 80, 24 и 2 относительных единиц соответственно. Испытания проводились на частотах от 1 до 38.5 МГц.

Из приведенных данных видно, что для определения диэлектрической проницаемости необходимо учитывать сигнал от обоих выходов детектора. Для этого необходимо получить калибровочную кривую на выбранной частоте из рабочего диапазона частот. Экспериментальные точки аппроксимировались аналитической функцией, которая затем была запрограммирована в ПЗУ микроконтроллера.

Проведенные испытания показали, что тестовые вещества с различными значениями диэлектрической проницаемости уверенно дифференцируются с помощью данного скважин-ного прибора. На основании анализа полученных

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

СКВАЖИННЫИ ПРИБОР

65

Рис. 4. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости дистиллированной воды.

Прямая линия отображает теоретическую зависимость; планки относительных погрешностей экспериментальных точек соответствуют 5 %

данных можно сделать вывод, что оптимальным является диапазон рабочих частот от 4 МГц до 10 МГц, в котором наблюдается минимальная дисперсия сигнала и максимальная дифференциация.

Для проверки точности прибора были проведены измерения известной температурной зависимости диэлектрической проницаемости воды [9]. Как видно из рис. 4, экспериментальные точки для температурной зависимости диэлектрической проницаемости дистиллированной воды хорошо соответствуют теоретической температурной зависимости.

Разработка опытного образца прибора велась в кооперации с ООО "ТНГ-Групп" и КФУ по договору "Создание комплекса технических средств и программных продуктов для эффективной разработки залежей нефти в сложнопостроенных карбонатных коллекторах с использованием горизонтальных скважин и гидроразрыва пласта" в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства (Постановление Правительства РФ № 218, (6-я очередь)).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Берлинер М.А. Измерение влажности в диапазоне СВЧ. М.: Энергия, 1973. 400 с.

2. Мухитдинов М.М., Мусаев Э.С. Оптические методы и устройства контроля влажности. М.: Энергоатомиз-дат, 1986. 95 с.

3. Основы диэлектрической спектроскопии: учебное пособие для студентов физического факультета / Под ред. Ю.А. Гусева. Казань: Изд-во КГУ, 2008. 112 с.

4. Демьянов А.А. Измерительный преобразователь нефтяного влагомера. Патент РФ № 5046667/25, заявл. 06.05.1992; опубл. 15.12.1994.

5. STM32F373CCT6 Data Sheets. URL: http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/docume nt/datasheet/f0/ac/ee/70/19/13/4f/56/DM00046749.pdf/fil es/DM00046749.pdf/jcr:content/translations/en.DM00046 749.pdf (дата обращения: 22.10.2017).

6. AD9851 Data Sheets. URL: http://www. analog. com/static/imported-files/data_sheets/AD9851.pdf (дата обращения: 22.10.2017).

7. AD8302 Data Sheets. URL: http://www. analog. com/static/imported-files/data_sheets/AD8302.pdf (дата обращения: 22.10.2017).

8. MAX485 Data Sheets. URL:

https ://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX 1487-MAX491.pdf (дата обращения: 22.10.2017).

9. Эйзенберг Д., Кауфман В. Структура и свойства воды. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 280 с.

ISSN 0868-5886

NAUCHNOE PRIBOROSTROENIE, 2019, Vol. 29, No. 1, pp. 61-66

Федеральный исследовательский центр "Казанский Контакты: Коновалов Дмитрий Александрович, научный центр Российской Академии наук" [email protected]

(Коновалов Д.А.)

Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского, обособленное структурное подразделение Федерального исследовательского центра "Казанский научный центр Российской академии наук" (Коновалов Д.А., Фаттахов Я.В., Фахрутдинов А.Р., Шагалов В.А., Хабипов Р.Ш.,

Аникин А.Н.) Материал поступил в редакцию 28.06.2018

DOWNHOLE TOOL FOR MEASURING THE DIELECTRIC CHARACTERISTICS OF RESERVOIR FLUID

D. A. Konovalov1'2, Ya. V. Fattakhov2, A. R. Fakhrutdinov2, V. A. Shagalov2, R. Sh. Khabipov2, A. N. Anikin2

1 Federal research center "Kazan scientific center of the Russian Academy of Sciences", Kazan, Tatarstan, Russia 2The Kazan E. K. Zavoisky Physical-Technical Institute of the Kazan Scientific Center of the Russian Academy of

Sciences , Kazan, Tatarstan, Russia

In work the device for measurement of dielectric characteristics of a reservoir fluid is presented. This device is designed to work in a well with a depth of up to 5 km. Measurements of dielectric characteristics are made by the capacitive divider method, and both amplitude and phase changes of high frequency oscillations passing through two measuring capacitor cells filled with the investigated fluid are taken into account. Measuring cells differ in the length of the central electrode and are designed to work in different parts of the oil-water concentration range. Based on the results of the tests, the optimal range of operating frequencies of the device is determined, depending on the design of the cells used.

Keywords: dielectric constant, capacitive sensor, cylindrical capacitor, capacitance measurement, moisture meter

REFERENСES

1. Berliner M.A. Izmerenie vlazhnosti v diapazone SVCh [Measurement of humidity in the microwave oven range]. Moscow, Energy Publ., 1973. 400 p. (In Russ.).

2. Muhitdinov M.M., Musaev E.S. Opticheskie metody i us-trojstva kontrolya vlazhnosti [Optical techniques and control units of humidity]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1986. 95 p. (In Russ.).

3. Gusev Yu.A., ed. Osnovy dielektricheskoj spektroskopii: uchebnoe posobie dlya studentov fizicheskogo fakul'teta [Fundamentals of dielectric spectroscopy: manual for students of physical faculty]. Kazan, KGU Publ., 2008. 112 p. (In Russ.).

4. Demyanov A.A. Izmeritel'nyj preobrazovatel' neftyanogo vlagomera. Patent RF no. 5046667/25. [Patent for the device for measuring converter of the oil hygrometer]. Pri-oritet 06.05.1992. (In Russ.).

Contacts: Konovalov Dmitriy Aleksandrovitch, [email protected]

5. STM32F373CCT6Data Sheets. URL: http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/docume nt/datasheet/f0/ac/ee/70/19/13/4f/56/DM00046749.pdf/fil es/DM00046749.pdf/jcr:content/translations/en.DM00046 749.pdf (accessed 22.10.2017).

6. AD9851 Data Sheets. URL: http://www. analog. com/static/imported-files/data_sheets/AD9851.pdf (accessed 22.10.2017).

7. AD8302 Data Sheets. URL: http://www. analog. com/static/imported-files/data_sheets/AD8302.pdf (accessed 22.10.2017).

8. MAX485 Data Sheets. URL: https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX1487-MAX491.pdf (accessed 22.10.2017).

9. Eyzenberg D., Kaufman V. Struktura i svojstva vody [Structure and properties of water]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1975. 280 p. (In Russ.).

Article received by the editorial office 28.06.2018

DOWNHOLE TOOL FOR MEASURING THE DIELECTRIC CHARACTERISTICS OF RESERVOIR FLUID

Текст научной работы на тему «Скважинный прибор для измерения диэлектрических характеристик пластового флюида»