Как разрабатывалась аппаратура АГДК

 В 1980 году  Спор  АГДК  Глубина  АГДК-4  Первое испытание О фоторегистраторе Станция «Контроль» Испытания Телесистема Манометр Термометр Термоанемометр Супертермостат Локатор муфт Шумомер Канал ГК Контактный резистевиметр

Ну, не было в СССР хороших микросхем в то время! Не было!

Там, на капиталистическом Западе уже были. И АЦП (преобразователи сигналов в «цифру»), и аналоговые операционные усилители, почти идеальные…

А у нас? По-прежнему, еще со времен царя Гороха – лампы.

Самые распространенные приборы для контроля  - ламповые термометры ТЭГ-36. Прекрасные, надежные! Дубовые, как говорили геофизики. Но… Но…

Но задачи уже усложнились. И решать их надо было не одноканальными приборами, а комбинированными, а лучше – комплексными. Да если бы еще и с использованием ЭВМ…

А у нас – только первый интегральный операционный усилитель (ОУ) К1УД401А. Ну, а первый блин – сами знаете, какой!

В 1980 году кимрскому предприятию под редким названием ЦОМЭ было поручено выпускать модификацию уже упомянутого ТЭГ-36. Очень хорошую модернизацию наземного пульта прибора провел по инициативе профессора ГАНГ Л.З. Позина его аспирант С.А Арабей. И точность аппаратуры стала выше всяких похвал, и чувствительность измерений повысилась. В 5 раз выросла!

Но усилители К1УД401А все испортили…

В Оренбурге во время испытаний вдруг выяснилось, что новая высокочувствительная наземная панель не любит изменения температуры. Летом во время длительной (с ночи и до полудня) работы на скважине появилась погрешность, целых 2 градуса. Анализ показал, что виноваты те самые ОУ.

И разговоры пошли, мол, для скважинных приборов можно использовать только лампы, лампы, и только лампы. И никаких там полупроводников, микросхем, если они даже на поверхности, в каротажной станции температуру не держат.

И в опытно-методической партии, руководимой М.И. Багринцевым была сделана комбинирванная четырехпараметровая  аппаратура для газогидродинамических исследований газовых скважин под названием «Комплекс». На лампах, по хорошо отработанной схеме ТЭГа. Были проведены скважинные испытаний, получены прекрасные результаты, и эту аппаратуру должны были начать выпускать серийно в ЦОМЭ.

Но, и, снова, но!

Вообще-то, такое «но» будет звучать достаточно часто. Очень быстро развивалась техника! Даже, кажется иногда, слишком быстро. И если вчера что-то казалось недостижимым, то сегодня оно становилось будничным, само собой разумеющимся.

И вот – новый поворот.

А что случилось? Да, в общем-то, мелочь: началось производство новых ОУ 544УД1Б с полевыми транзисторами на входе и термонезависимой скоростью нарастания выходного напряжения.

Такая вот чисто техническая фраза, неспециалисту ничего не говорящая.

Однако не торопитесь и послушайте, к чему привели эти упомянутые особенности.

А привели они к тому, что полупроводниковые измерительно-преобразовательные схемы по устойчивости к воздействию температур практически сравнялись с ламповыми.

И уже не нужно изобретать термокомпенсацию, «примочки» - по электронницки, учитывать всякие там хитрые параметры полупроводников, усложнять, ломая себе (и другим, кстати, особенно – ремонтникам)  голову.

А так – поставил операционник, как в книжке нарисовано, так он и работает именно так, как написано!

И используя эти микросхемы, в ЦОМЭ был разработан скважинный прибор «Комплекс-5» с поочередным измерением пяти параметров. Разработан, можно сказать, даже случайно – на спор.

Началось с того, что ламповым прибором «Комплекс-4» были недовольны потребители. Переключение каналов в нем происходило довольно сложно. Сейчас уже и не вспомнить все, но точно было такое: «для включения канала манометра медленно уменьшить ток питания, а потом быстро его увеличить…». 

Не слабо?!

А это было связано с тем, что в схеме управления стояло около десятка реле. Для коммутации, напоминаю, всего лишь четырех каналов.

- А спорим, что я одним реле буду переключать пять каналов?

- Одним? Никогда! Спорим!

Спор был выигран. Так и родился «Комплекс-5».

И, хотя, прибор получился простой, о нем даже было доложено на конференции молодых специалистов в Надыме в 1983 году, в производство он не пошел.

Почему?

А это уже история аппаратуры АГДК. Но, чуть позже…

Что же с наземной панелью ТЭГ-36М? Как справились с температурной погрешностью?

Вопрос решился просто: с помощью цифровой техники был разработан и поставлен на производство блок-вставка в ИПРКУ «Преобразователь ПТ». В нем происходила цифровая обработка сигнала, и его температурный уход определялся уходом кварцевого генератора. Ну, где-то на уровне тысячных долей градуса. Кстати, эта разработка на выставке ВДНХ (помните такую?) получила Золотую медаль.

И еще к этому же.

Когда были проведены испытания, и выяснилось, что стабильность нового прибора во много раз больше, чем у старого, встал вопрос, а что же  написать в протоколе сравнительных испытаний? Как есть? Что стабильность повышена в 10 000 раз? Не поверит же начальство!

Пришлось схитрить, «ухудшить» преобразователь и написать не совсем правду: мол, достигли хорошей стабильности в две сотых процента, … Бывает же такое!

А теперь послушайте, как родился скважинный прибор будущей аппаратуры АГДК.

Разработав уже упомянутый «Комплекс-5» и выспорив пиво, победитель отправился в баню, где встретился с коллегой Николаем Ивановичем. Конечно, он тут же, в парной поделился своим успехом и получил:

- Реле? В скважине? Фи!

- Почему? Просто же получилось…

- Не нужны в приборе реле вообще!

- А как?

- Да ты поставь в приборе счетчик и переключай импульсом сверху…

Посыпать пепел на голову не удалось – кругом был только пар, но «фи!» покоя не давало: «Слишком все просто, надо было додуматься самому».

Хотя, что ж тут расстраиваться – прыгать надо! В общем, через некоторое время в приборе стоял счетчик, по кабелю побежали импульсы, каналы стали переключаться.

Испытания показали надежную работу, и АГДК-42 пошел в массы. Массы прибор оценили, замечаний практически не было.

Но… Снова «но»!

Подошло время перехода от поочередной регистрации данных к одновременной. Нужен был комплексный прибор. Надежный, точный чувствительный.

В стране уже шел бум микросхем, процессоров, в геофизике была запущена общегосударственная программа «Скважина-2» и в ЦОМЭ выполнялись работы по созданию цифрового скважинного прибора для газодинамики.

Бум был, а всей нужной электроники все еще не было. Приходилось изворачиваться, усложняя схемы, увеличивая количество деталей, монтажных проводов, в общем, создавать монстров.

Прибор «Контроль», который был разработан и изготовлен в Кимрах под руководством Е.М. Митюшина (кажется, в единственном экземпляре) был именно таким. Он выполнял все требования технического задания, прекрасно проявил себя в эксплуатации, но имел только один серьезный недостаток. Был дорог и практически неремонтопригоден из-за суперсложности.

Во всяком случае, когда он вышел из строя через несколько лет работы (действительно, хорошо был сделан!), с ним не стали даже возиться. Отправили в утиль. Впрочем, надо сказать, что к тому времени уже были скважинные приборы, как сейчас говорят, с оптимальным соотношением «цена-качество», поэтому и эта разработка оказалась промежуточным этапом

Но вернемся к АГДК.

Хотя, нет. Сначала вспомним еще одну аппаратуру, решавшую те же задачи. Аппаратуру «Глубина».

Еще раньше, чем появилась АГДК и «Контроль», в предприятии «Союзгазавтоматика» под руководством Н.А. Ефременко была разработана и выпушена опытная партия ламповой трехпараметровой аппаратуры с частотным разделением каналов. Она прекрасно работала, имела цифровую обработка сигналов, как в преобразователе «период-ток»  (Л. Корпулев весьма изящно сделал схему), но развиваться такая аппаратура не могла. Попытка ввести в нее четвертый канал окончились неудачей. Это был тупиковый путь, хотя, повторюсь, для своего времени это была прекрасная разработка. Кстати, механический расходомер от нее выпускался огромными партиями и находился в эксплуатации очень долго: расходомер «Метан-2».

Итак, АГДК. Комплексная аппаратура АГДК с одновременной регистрацией параметров.

Вначале была аппаратура АГДК-4 на четыре измеряемых параметра.

Она была разработана по инициативе начальника специальной опытно-методической партии в г. Вукыл (Коми) К.О. Левитского при максимальной и весьма заинтересованной поддержке начальника предприятия «Вуктылгазгеофизика» А.Н. Широкова и зам. директора института «СеверНИПИгаз» Е.М. Гурленова.

Разработка велась практически в поле. Каждый вариант аппаратуры после проверки и калибровки в лаборатории сразу проходил скважинные испытания. Выявленные недостатки исправлялись, как говорят, «на лету»! Хорошее было время! 

Тут надо отметить, что это не была работа с «нуля». Задел был. И большой…

Во-первых, уже выпускалась в Кимрах аппаратура АГДК-42. Ее механическая конструкция практически без переделок была использована в АГДК-4.

Стоп! Необходимо еще одно отступление. О конструкции скважинного прибора.

Представьте себе солнечный весенний день на Щелковском ПХГ. Конец апреля – начало мая. Только что закончены скважинные испытания прибора «Комплекс-4», написан протокол, и мужики греются на солнышке. Лениво течет разговор обо всем, но потихоньку он переходит на работу:

- А я бы все-таки сделал по-другому…

- Как?

- Взял бы и впаял все трубки в корпус датчиков. И никаких тебе уплотнений, и кольца менять не надо…

- А геркон Метана надо тоже на трубке всовывать…

- И к датчику манометра приварить штуцер…

Ну и все такое.

Треп? А вот и нет.

Это шло весьма компетентное обсуждение проблемы людьми, знающими свое дело, понимающими тонкости работы именно в скважине, видящими те недостатки, которые допустили конструктора, разработчики.

Результат. Через месяц Кимры уже выпускали прибор, в котором были учтены почти все пролетевшие в процессе разговора идеи, в конструкции которого вместо десятка потенциально слабых мест осталось только три или четыре уплотнения, контроль за которыми был весьма прост, и технология их обслуживания была подробно описана в документации.

И поэтому при разработке АГДК-4 конструктивной работы и не было.

И наземная панель аппаратуры была изготовлена легко.

Помните преобразователь ПТ?  Для четырех каналов аппаратуры потребовалось четыре ПТ. Они были использованы без переделок. Был добавлен только блок коммутации – наземный пульт готов!

Скважинная электроника АГДК-42 на первых порах тоже использовалась без изменений, и первые результаты были получены очень быстро, где-то через два или три месяца после начала работы.

Вот такая видовая занимательная картина запомнилась после получения результатов одного из первых (весьма удачных) скважинных испытаний, которое, кстати, было одновременно и весьма серьезным исследованием.

При исследовании газоконденсатной скважины сразу после проведения на ней ремонта по данным поочередных исследований двумя скважинными приборами получилось, что:

а) на забое – вода. Разумеется;

б) в зоне перфорации – практически чистый газ. Тоже понятно;

в) выше газа – столб воды! А еще выше – опять чистый газ. Это как?

Причем, одни измерительные методы воду отметили, а другие – нет. Особенно сбивало то, что этот столб не находится на одном месте, а перемещается…Еще не легче!

Но голову, впрочем, особо не ломали – понятно было, что где-то ошибка. Но где?

Когда же опустили в скважину АГДК-4 и записали все параметры одновременно, все стало ясно. Никакой это не столб воды, а пена от оставшегося после ремонта в скважине ПАВа. И никуда эта пена не перемещалась, а просто разбивалась постепенно проходящим сквозь нее прибором.

Но это надо было увидеть!

И прибор АГДК показал, проведя одновременный замер всеми четырьмя каналами.

Плотность по манометру выше забойной воды – маленькая. Газ. Термоанемометр пеной сильно охладился, влагомер – тоже показал наличие якобы воды, а термометр, как и манометр ничего не заметил. И именно совпадение по глубине показаний термоанемометра и влагомера окончательно прояснило все.  

И вот геофизик, прокачиваясь с пяток на носки и засунув руки в карманы, стоит возле сохнущих диаграмм и восхищенно повторяет:

- Я балдею… Я балдею…

Кстати, а почему сохнущих, помните? 

Результаты исследований тогда писались на рулоны фотобумаги. Их надо было сначала хорошо записать, чтобы диаграммы хорошо читались – не очень часто пересекались, чтобы блик не убегал за край бумаги, чтобы можно было в любой точке интервала знать не только изменение параметра, но и его абсолютное значение. А, поскольку изменение измеряемого параметра регистрировалось значительное, а бумага – узенькая, то применили способ переноса кривой с одного края бумаги на другой в момент, когда диаграмма начинала выходить из бумаги.

Те, кто имел дело с таким способом регистрации, знают, какое это муторное дело – разбираться с «переносами». Особенно, если эти переносы делались оператором вручную!

А вот кто не знает – расскажу.

Но сначала – немного о другом.

Однажды, в середине 80-х годов, кажется, в Краснодаре (прошу простить, если ошибся) мы вместе с геофизиком Юрием Ивановичем забрели в местный краеведческий музей.

Хороший музей, интересный. В одном зале попытались прочитать надпись на надгробном камне русского рыцаря – завоевателя этих мест, и почти успешно: слова непривычно написаны, но смысл в основном понятен. В другом – каменная баба печально рассматривала нас… Ну и палеолит, ледниковый период, появление людей, их история жизни, трудовые достижения в СССР. В общем, все, как во всех музеях.

Но, внезапно в одном из последних залов мы наткнулись на настоящую каротажную станцию АКСЛ-1 где-то 50-х годов. Ее заводской номер был то ли 2, то ли 7, короче – в первом десятке.

Мы всю ее облазили, осмотрели… К немалому нашему удивлению выяснилось, что за прошедшие 30 лет станция практически не изменилась!

Ну, вместо 8-канального фоторегистратора скучал одинокий перьевой самописец, блок питания – тоже стоял только один, Не было шкафа для наземных панелей аппаратуры. И, пожалуй, это все различия…

А общее: точно такое же построение, того же назначения приборы, та же панель присоединения геофизического кабеля, силовой трансформатор – один в один с виду, даже окрашена станция в то же ядовитый зеленый цвет! 

И точно такой же ГКП.

Это устройство я выделил специально. Именно с ним при записи скважинного термометра типа ТЭГ-36 работали операторы станции. Как? Это надо было видеть…

Человек сидел перед узкой щелью на передней панели фоторегистратора и пристально смотрел на светящуюся полоску, медленно перемещающуюся по разграфленному матовому стеклу. Смотрел очень внимательно, поскольку края стекла определяют ширину фотобумаги, на которой этот же блик прорисовывает ту самую диаграмму, которую после проявления будут изучать специалисты.

Бумага – рулонная, шириной около 20 см . И вдоль нее все и нарисовано.

Теперь - немного техники, чтобы понять «прелесть» работы оператора.

Уже упомянутый блик отражается от зеркальца, которое укреплено на гальванометре. При протекании тока через гальванометр, зеркальце поворачивается и блик – тоже перемещается по бумаге.

Все просто. Но если ток слишком большой, то зеркальце перекрутится слишком сильно, и световой зайчик «сбежит» с фотобумаги! Вот оператор и следит за зайчиком. Только-только он подходит к краю шкалы, оператор на ГКП поворачивает переключатель (или два) и компенсирует лишний ток встречным калиброванным током, поддерживая систему в рабочем диапазоне. Кстати, ГКП так и расшифровывается – градуированный компенсатор. П – это поляризации, но это уже неважно, что он компенсировал, все равно добавлялся-то ток…

Просто, да не просто.

Если вдруг зазевается работник и упустит блик за шкалу, да еще не заметит за какой ее край, то – беда! Попробуй, найди блик, щелкая этими (заметьте, только двумя!) переключателями ГКП… Сколько было испорчено записей таким образом! А происходили такие случаи чаще всего в самом важном месте, именно там, где та же температура изменяется очень быстро, и именно эти изменения и важны!

Помните, я рассказывал о термометре ТЭГ-36М? 

Так вот, в нем стоял свой ГКП. С четырьмя переключателями!

Я, по цензурным соображениям, разумеется, не могу привести даже толику высказываний и выражений по поводу работы с этим ГКП. Но расскажу, как было воспринято появление преобразователя ПТ, заменившего панель ТЭГа, да и все наземные панели для приборов с частотной модуляцией.

Его уже окончательные испытания проводились в Харькове.

Стояла дивная левитановская осень. Солнце, тепло, желтые березки и медные осины, грибы и орехи… Погулять бы, а тут – срочная работа.

Мы вставили преобразователь ПТ в шкаф, настроили все, и началась запись. Оператор сразу же подсел к своему «любимому» блику и контролирует. Вот блик подошел к краю шкалы:

- Край, край! Переключать надо! Где? Чем? – и руки тянет к переключателям ПТ!

Блик осторожно коснулся правой части шкалы и автоматически перепрыгнул на левый край. Оператор вдумчиво разглядел умный блик, дождался, когда тот еще раз перепрыгнул, и, повернувшись к нам, абсолютно невозмутимо спросил:

- Он всегда так будет прыгать сам?

Мы, улыбаясь, ожидая восторгов, кивнули. И он достал карты, и пошла цитата из «Кавказской пленницы»:

- Будем ждать! Сдавай… - Больше ничего, как будто так всегда было, только сломалось немного, а мы починили.

Да-а-а… Своеобразный, все-таки народ, эти геофизики.

И уже потом, после были комплименты…К чему это все?

Ах, да - к «переносам».

Так вот, комплексная аппаратура АГДК уже выпускалась в Кимрах серийно, но пока еще писала свои диаграммы на фотобумагу. Два рулона бумаги, по две дорожки для записи на каждом рулоне. Одна дорожка – шириной 10 см , другая – 8 см . Разумеется – никаких ГКП, только ПТ, только автоматический перенос!

Когда было 4 канала – разобраться в записи было довольно просто. Но для восьмипараметрового прибора АГДК это стало уже головоломкой. А если учесть, что некоторые каналы писали двумя бликами (1:1 и 1:10), то это был, как говорили, уже мрак! И не спасал даже заложенный в ПТ режим записи на бумагу начальных и конечных значений кривых. Столько переносов, такое переплетение линий!

Так, что можете себе представить вздохи облегчения, когда у геофизиков появился весьма надежный цифровой комплекс ПВК.

Стыковка скважинного прибора АГДК с ПВК произошла в течение где-то одной-двух недель. Из наземного пульта ПУМА2, а в то время АГДК работала именно с ним, исключили (просто выкинули) формирователи токов для гальванометров фоторегистратора, и из оставшейся части получился блок сопряжения ПУМА4 с цифровым интерфейсом.

Программист Евгений Курников за пару дней написал, как сейчас называется, драйвер, и далее без восторгов и оваций пошла обыкновенная будничная работа.

А когда появилась компьютеризированная станция «Контроль» (Кимры), усилиями Ю.И. Пучнина было полностью реализовано изобретение [11], на основе которого работала аппаратура АГДК, и которое  позволило записывать скважинные параметры с задаваемой для каждого канала чувствительностью. Это обеспечило, не ухудшая качества получаемого материала, для отдельных каналов, таких, как термометр и манометр, значительно повысить их информативность.

И разработка электроники аппаратуры АГДК была практически закончена.

Началась работа по оценке ее способностей и, разумеется, улучшения.

Конечно, первое, что было проверено – а до какой температуры она может в принципе работать?

В паспортах на полупроводниковые комплектующие четко написано 120 градусов и не более! Только, какая физика установила этот предел? В ферритах есть точка Кюри, когда его свойства просто резко изменяются и он перестает быть ферритом. А транзистор? Есть у него точка «термо-Кюри»? Что происходит при 120?

Да ничего не происходит! Как транзистор работал, так и работает себе. И при 150 и при 200 … Так в чем же дело?

А в том, что в транзисторе есть еще и корпус, и проводочки, которыми эта полупроводниковая «фитюлечка» припаяна к выводам в корпусе транзистора, и всякие там герметезирующие материалы… При низкой температуре все это крепко стоит на своих местах. А при нагреве – что-то расширяется,  где-то трескается, отламывается, отпаивается, да мало ли что может происходить при нагреве-то! Вот и написано, что до 120 градусов производитель гарантирует, что поползновения конструкции малы и безопасны, а если температура выше – он не гарантирует, что это так просто сойдет с рук. Поломаться транзистор-то может…

Значит, надо все проверять на практике! 

И серийную схему АГДК засунули в печку и начали греть.

Сначала испытывали при температуре 150 градусов. Конструктор-разработчик-испытатель Вадим Некрасов приходит на работу, включает нагрев и занимается своими делами. А схема АГДК греется. Ну, разумеется, записываются показания, строятся временные таблицы… Вечером все выключается, на следующий день – повторяется.

Проходит день, два, неделя. Схема работает. Стабильно работает, ничто не плывет, ничто не выходит из строя. В начале второй недели после анализа результатов (хотя – какой анализ? Ну, работает все, и работает!) решено поднять температуру до 175.

Подняли. Ждем.

Через два часа схема перестала работать. Так! Что-то все-таки сломалось. Выключаем, открываем печку…   

Печатная плата с электроникой АГДК висит в середине, как ее и повесили, а на полу печки валяется микросхема. Отпаялась, бедняга!

Все вытащили, припаяли, включили.

РАБОТАЕТ! По-прежнему работает. Только стеклотекстолит из желтого превратился в темно-коричневый, и некоторые детали на плате тоже как-то немного «перецветились», как выразился кто-то из зевак. Ну, так не специальная же плата, а серийная, на обычном текстолите!

Немного позже был сделан монолитный термометр на 180 ^ОС 

Так. Хорошо. Температуру АГДК держит. А какова дальность передачи данных по геофизическому кабелю? Он, хоть и линия связи, но такая плохая!  А работать ведь приходится и на глубоких скважинах.

Вот однажды оказалось, что на подъемнике намотан кабель длиной более 7 км . Да еще не обычный, а из «нержавейки». Сможет телесистема пробить такую линию связи, прямо скажем, весьма ухудшенную по сравнению с обычными кабелями? КСАТ-7 не смог. А АГДК даже подстраивать не пришлось. Включили – и поехали! Прописали почти всю скважину без проблем, правда, в самом низу прибор все-таки вышел из строя. Нет, не электроника - задавило его просто. Слишком высоким оказалось давление на забое.

Бывает.

С электроникой все нормально. А как с датчиками?

После примерно пяти лет эксплуатации появилась возможность проанализировать стабильность характеристик измерительных каналов. В Вуктыле в метрологии работали весьма квалифицированные и обязательные специалисты. И на просьбу помочь проанализировать данные метрологических испытаний,  В.С. Сысолятин выложил журналы с очень тщательно проведенными калибровками.

Был проведен анализ каналов термометра, термоанемометра и манометра трех скважинных приборов аппаратуры АГДК за 3-5 лет.

Вначале, так, навскидку, показалось, что все в ажуре.

Посчитали - ан, нет!

Ну,  манометры за все это время изменяли свои характеристики на одну-две десятых процента. Блеск! А ведь появились эти тензопреобразователи совсем недавно.

Первый прибор с орловским датчиком давления Д16 испытывался в Латвии на Инчукалнском ПХГ. Был изготовлен прибор термометр-манометр с поочередной записью. И было очень необычно смотреть на показания манометра.

Запись в эксплуатационной скважине. Давление с ростом глубины медленно, но монотонно растет. Растет, растет и вдруг перестает изменяться. Вообще не меняется! Через метров десять вдруг снова начинает расти, причем, очень быстро.

Как так? Почему?

Сейчас интерпретаторы без раздумий объяснят, мол, сначала шли в НКТ – там гидравлическое сопротивление создает падение давления, в конце записи вошли в воду. Плотность большая, вот и давление резко менялось с глубиной. А в середине – просто вышли из узкой НКТ в широкую часть скважины. Чего там будет давление–то меняться?

Сейчас это просто. А тогда…

Сразу же встал вопрос компенсации температурного ухода тензодатчика. Облегчало задачу то, что НИИ «Теплоприбор», который готовил датчик к производству, сделал все, чтобы этот уход был бы линейным.

И началось.

Вставляли в схему термисторы, наматывали на датчик тонюсенький медный  провод, как-то ухитрялись использовать для компенсации диоды. Что только не пробовали! А потом, вспомнили, что сам датчик же является измерителем температуры: одна диагональ тензомоста зависит от давления и немного от температуры, а вторая – наоборот, зависит от температуры и чуть-чуть от давления. Пришлось, правда, решать совместно две матрицы, но это уже было делом вторым.

Зато, какой скважинный манометр получился!       

Манометр был отличный, а вот  с термометром творилось что-то странное. Заявленная погрешность канала в полградуса выполнялась с огромным трудом. Характеристика преобразования гуляла как мартовский кот – сама по себе! Да, чаще всего в пределах допуска. Но иногда – такое творила… На градус–полтора «убегала»!

Мы голову сломали, пытаясь понять причину этого явления.

В лабораторных условиях по нескольку раз повторяли калибровку термометра – цифры ложатся «один в один»! А статистика говорит – нестабильно… Чертовщина какая-то!

На что только не грешили: и на уровень теплоносителя в термостате, и на ошибки оператора, и на скачки напряжения в сети – да только неубедительно это звучало и для нас самих. А однажды постоянно работавший с этой аппаратурой  В. Трошин вообще заявил: это, мол, гистерезис такой!

Слово, конечно, красивое! Только какой гистерезис в температуре-то?

Смешно. Да только немного позже оказалось, что именно это объяснение оказалось наиболее правдоподобным.

В Кимрах при приемочных испытаниях аппаратуры АГДК именно в канале термометра стали происходить странные события. При проведении первичной поверки сразу четырех приборов выяснилось, что характеристики преобразования отличаются от калибровки, проведенной буквально за неделю до этого, на весьма значительную величину. Повторные испытания показали дальнейший уход характеристики, причем, в одну и ту же сторону. Для выяснения причин были проведены четыре испытания подряд, и уход продолжался…

Причину нашли. «Разбор полетов» выявил, что была нарушена технология изготовления медных термодатчиков: не производилась предварительная термотренировка микропровода, из которого они изготавливались.

Тренировку провели – и все стало на место.

Тут-то и стало понятно, что за гистерезис проявлялся в Вуктыле.

При исследовании скважин прибор долгое время находился на забое при довольно высокой температуре. Когда же его поднимали на поверхность, особенно зимой, происходило резкое охлаждение датчика. Процесс закалки в чистом виде!

И, если при термоотпуске микропровода кристаллические домены разрушались, то здесь они создавались. Разумеется, удельное сопротивление меди изменялось, и характеристика преобразования датчика – ползла…

Вот и смейся после этого над безумными идеями!

В то время платиновых терморезисторов в свободном доступе еще не было, поэтому пошли другим путем.

Та же статистика показала, что при прочих равных условиях термодатчик на обычном малогабаритном полупроводниковом диоде (он стоял в канале термоанемометре АГДК) имел в 3-5 раз выше стабильность. И в приборах заменили медные датчики на диоды. А чтобы не ухудшать тепловую инерционность канала, диоды впаяли в торец защитного корпуса датчика – улучшили проводимость пути для тепла, приходящего да датчик. Ба! «Тау» стала менее полутора секунд! Кр-р-расота!

Немного еще подумали, и получился квадратный термометр с четырьмя датчиками, расположенными по окружности, имеющими инерционность около 0,2 секунды. Зачем?

А вот зачем.

Эту идею уже давно высказал В. Невечеря из Оренбурга. Идея заключается вот в чем.

Четыре малонерционных термометра расположены в фонаре прибора по окружности, каждый - в своей теплоизолирующей нише. Термометры соединены в мостовую схему.

 Поскольку прибор всегда ползет по стенке скважины, то один из термометров будет находиться вблизи металлической трубы НКТ, которая излучает тепло.Если происходит приток газа за НКТ, то тепловой поток в этом месте изменится, и термометр уловит это изменение. Конечно, изменение очень маленькое, но для этого и стоят еще три датчика. Они же не восприняли изменение потока, поэтому мост разбалансируется, и появится хорошо регистрируемый сигнал.   

Кстати, эта же конструкция позволила уменьшить мощность термоанемометра в 5 раз так, что в рекомендациях для скважинного прибора СГДК (это следующая модификация АГДК) убрали требование отключать нагрев термоанемометра при работе на воздухе. Включай, где хочешь и на сколько хочешь! Хоть на весь день - не сгорит. Гарантированно!

А чувствительность термоанемометра даже повысилась. Повысилась настолько, что термоанемометр стал чувствовать малейший поток газа, что позволило его применить при контроле герметичности пакера .

И немного рассуждений по этому поводу. Отвлеченных и не очень.

Помните прибор «Комплекс»? В нем мощность нагрева датчика достигала 20 Вт. В АГДК мощность была уменьшена в 5-6 раз и составила 3-4 Вт. В СГДК она уменьшилась еще  в те же 5-6 раз. И пришла нелепая мысль. Может быть, еще раз уменьшить мощность также в пять раз?

Нелепая мысль? А, может быть, нет?     

Опять-таки, рассматривая физику работы термоанемометра, вдруг нашли такую возможность! Разумеется, идея требует проверки, но, оснований для создания такого датчика для автономного прибора вполне достаточно. Такой датчик может быть сделан, и будет работать!

Еще одно, отсюда же.

Пока разбирались с термометром, нечаянно решили задачку создания прецизионного термостата. С чего, вдруг этим занялись?  

А вот с чего.

При снятии характеристик преобразования канала температуры оператор смотрит поочередно то на экран компьютера, то на ртутный термометр. Когда температура достигает заданного значения, оператор считывает сначала значение контрольного термометра, потом – показание канала термометра прибора. Оказалось, что проявляются какие-то расхождения. Стали разбираться, и вот что выяснили.

Пусть задали новую контрольную температурную точку: в поверочном стенде УмХ-03, который использовался при поверках, это задается вращением регулировочного винта на ртутном контактном термометре. Итак, покрутили винт, и включился нагрев жидкости в термостате. Нагрев будет продолжаться до тех пор, пока не замкнется контакт контрольного термометра. При этом автоматика сработает и отключит нагрев.

Все хорошо? А вот и нет! Нагрев отключен, а ТЭНы – еще горячие! И жидкость продолжает греться. Нагреется, потом начинает остывать. Так остынет, что автоматика включит нагрев. Ха-ха-ха! Нагрев включился, а нагреватель еще холодный! И, пока он нагреется, пока подогреет теплоноситель…

В общем, температура возле контрольной точки – колеблется. 

Ну, например, для подогрева детского питания младенцу – то, что надо! Но для калибровки и поверки точного измерительного канала надо бы что-то получше. А то, пока оператор бегает от стенда к экрану компьютера, температура «уходит». Даже, если работают при поверке два человека, снимая показания одновременно, нет никаких гарантий, что правильно сняты данные. Инерционность у ртутного термометра и у датчика температуры прибора – разные. Один уже принял температуру жидкости в термостате, а второй – еще греется.

Стали думать, что можно сделать.

- Надо уравнять инерционности!

Можно, но если придется поверять другой прибор с иной, отличной от АГДК инерционностью, то опять появится погрешность.

- Надо уменьшить колебания, а лучше их совсем убрать.

Понятно, что это решение проблемы. Но как это сделать?

Посмотрели физику работы.

Колебания возникают из-за того, что перегретый нагреватель продолжает нагревать жидкость даже после его отключения – значит, надо не перегревать. Значит надо уменьшать нагрев около контрольной точки. Как? Посадить оператора, чтобы он уменьшал нагрев? Чем? До какой степени? К тому же в термостате стенда есть только два режима нагрева: 2 кВт и 1 кВт. Даже при малом нагреве колебания остаются.

В общем, надо менять автоматику термостата и решать задачу уменьшения нагрева при приближении к контрольной точке.

Сделали схему. Заодно и избавились от ртутного контактного термометра. Получилось просто:

- контрольные температурные точки задаются переключателем, который формирует ряд задаваемых напряжений;

- установили в термостат диодный термометр (помните термометр СГДК?);

- разницу между заданным напряжением и напряжением с датчика в термостате усилили дифференциальным усилителем;

- и поставили компаратор, на одном входе которого – напряжение усилителя, а на другом – пилообразное напряжение с периодом около 1 секунды. Компаратор же включает нагрев.

Что получилось?

Пока разница между заданной температурой и температурой в термостате большая – дифференциальный усилитель находится в насыщении, на его выходе постоянно стоит напряжение питания и компаратор включает нагрев на полную мощность.

Когда разница маленькая – напряжение на выходе усилителя начинает уменьшаться, становится сравнимым с напряжением «пилы» и компаратор начинает включать и выключать нагрев с той самой частотой 1 Гц. Причем, чем ближе температура в термостате к заданной, тем  меньше времени ТЭН остается включенным. И – не перегревается! И никаких колебаний!

А, чтобы оператору было понятно, когда температура установилась – поставили неоновую лампочку на нагреватель – и она замигала. Как режим в термостате достиг стабильности – так и мигание лампочки стало стабильным.

Хорошо заработал термостат. Испытания показали, что нестабильность температуры в термостате стала не более 0,01…0,03 градусов.

И, когда проводилась сертификация АГДК, представитель Росстандарта даже чуть было не заподозрил, что его контрольный термометр вышел из строя, когда в течение  трех контрольных замеров он показал одно и то же значение с точностью до сотых долей градуса. Но, после наших объяснений… ну, в общем, получили поздравления за термостат.  Приятно!

Хорошо, когда понятна физика работы датчика. Так значит надо было пройтись и по остальным датчикам: вдруг и там она поможет улучшить характеристики? Тем более что появилась задача там, где, казалось, уже все решено.

При контроле скважины после проведения перфорации широко распространенные локаторы муфт ЛМ-42 вдруг перестали чувствовать перфорационные отверстия! Что за чертовщина?

Подумали с точки зрения магнитного поля: как оно замыкается на сплошной трубе, как – при прохождении муфтовых соединений, как при проползании над перфорационными отверстиями. Подумали, и точно – физика помогла.

По аналогии с обычным магнитофоном, точнее, с работой его считывающей головки, растекаясь мыслию по древу, ну, у нас – по металлу, приплыли к выводу, который теперь кажется очевидным: чувствительный элемент при работе с магнитным полем должен иметь геометрические размеры меньше, чем размер магнитной неоднородности, которую надо считать.

ЛМ-42 перестал чувствовать перфорацию после того, как начали применять кумулятивные перфораторы, прожигающие в трубе аккуратные, без зазубрин отверстия диаметром 6- 8 мм . А у локатора муфт длина щечек катушки-то целых 20 мм ! Вот магнитное поле и обтекало эти малюсенькие дырочки.

Тогда заузили щечки до 6 мм, и прибор стал чувствовать даже одиночные отверстия !

На планшете нефтяной скважины в зоне перфорации даны диаграммыСГДК: канала резистевиметра, ВЧ-шумомера и синтетическая диаграмма канала локатора муфт , составленная из прямой диаграммы и ее зеркального отражения.

А еще одно положение для конструкции локатора подсказала уже не физика, а практика.

Исходя из того, что чем больше изменение магнитного поля, тем больше полезный сигнал, в одной из испытательных конструкций локатора муфт были установлены очень сильные магниты, позволившие увидеть (на столе) весьма рельефный выходной сигнал от кусочка стальной проволоки размером, как говорят, с ноготок. Ура-ура! На муфте сигнал будет еще лучше! И прибор отправили на скважинные испытания.

Скважина была  еще свеженькая.

Только что проперфорировали два интервала. Обычный локатор отметил интервалы, и потом опустили новый прибор. Сделали три замера - и в задумчивости стали поднимать. 

Локатор отметил какие-то интервалы, но все три раза они не совпали друг с другом. И по длине не совпали, и по глубине. Да при подъеме отметил еще несколько… И это суперлокатор??!!

Все разъяснилось сразу же после подъема, когда прибор с хохотом принесли в каротажную станцию. Сильнейшие магниты сыграли плохую шутку! На локаторе висела огромная борода из всего того железа, которое было в колонне: опилки, ржавчина, даже откуда-то кусочки проволоки.

Какой там интервал перфорации! Этот железный шлейф, болтаясь, отрываясь, собирая что-то там еще, давал сигналы там, где он сам хотел, по собственной инициативе… Так, что после этого «представления» в локатор муфт никогда не ставились всякие там магнитные Гераклы. 

И еще. Эта же физика подсказала и еще одну модификацию конструкции высокочувствительного локатора муфт для приборов на давление до 100 МПа и выше. Именно - высокочувствительного.

Шумомер.

Несмотря на огромное количество работ по этому эффектному (шум-то и самому послушать можно, своими ушами!) методу исследований скважин, ни исследователи, ни конструкторы к консенсусу еще не пришли. Все гуляют где-то.

Но, исходя из нескольких достаточно признанных положений и из физики работы первичного сенсора, в СГДК был введен канал шумомера с весьма простым конструктивным решением по установки пьезодатчика.

Какие же исходные позиции?

Первое – наибольшая информативность шумомера достигается при записи на стоянке.

Второе – при однофазной среде поток чаще всего свистит (высокие частоты), а двухфазном потоке – булькает (низкие частоты)

Третье – акустический шум несет информацию и в диапазоне ультразвука.

Отсюда был сделан вывод: чтобы чувствительность датчика была достаточно высокой и, хотя бы, поравномернее в широком диапазоне частот, надо чтобы звук проходил из скважины к датчику по пути, на котором было бы минимальное количество переходов из материала в материал с разными акустическими свойствами.

Непонятно про переходы? Поясняю.

Попробуйте нырнуть под воду. Вы слышите, что-нибудь?

Вот! Слышно только «бу-бу-бу…». Нет высоких частот, они не прошли сквозь преграду раздела воздух-вода.    Значит и датчик нежелательно прятать в масло, а надо прислонить его к корпусу прибора. Пусть корпус будет мембраной, которая и воспримет весь звук и передаст его на датчик по звукопроводу. А чтобы не было переходов из среды в среду – звукопровод от металлического корпуса тоже должен быть металлическим!

Так шумомер СГДК и был сделан. И тут же получил название «патефон».

А ведь и вправду, похоже: стоит пьезоэлемент прямо на печатной плате, а хитро изогнутая пружина прижимается и к корпусу, и к сенсору. Звук приходит на металл и по металлу же прибегает на датчик.

Конечно, диаграммы шумомера, записанные при движении, нечитаемы. Коне-е-чно...

Зато поточечная запись – хороша! Видно то, что на ходу и не услышишь из-за грохота грузов и скрежета кабеля по стенке скважины [2, 3, 9]. А специальная программа переводит поточечную запись в диаграмму по глубине.        

И, опять, кстати.

Испытывали шумомер. Многоканальный, широкополосный, виброудароустойчивый.

В газоконденсатной скважине записали АГДК и шумомер. Обычная картина: приток газа в интервале перфорации и прямо над уровнем воды на забое немного поддувает. На диаграммах – все, как положено: отрицательная термоаномалия, спад скорости турбинного расходомера, термоанемометр выделяет радиальный приток, шумомер отмечает возрастание акустического поля в зонах притока, рельефно так отмечает. В верхнем интервале – низкочастотные каналы выделили приток, а возле воды – вообще на всех семи каналах мощные сигналы, а в низкочастотной области, и в ультразвуковой. Сидим, радуемся.

Вдруг, кто-то говорит:

- Э-э-э, постойте-ка! А что за приток внизу? Там же перфорации нет!

Как нет? Смотрим – точно, нет! А шумомер показывает! А термоанемометр охладился. И термометр тоже…

Чудес не бывает. Обнаружили приток под водой. А что же за чудеса с шумомером?

Подумали, порассуждали – поняли. Это пузыри газа при выходе из воды хлопают и создают так называемый «белый шум», у которого спектр сигнала равномерный в большом диапазоне частот. Потому-то и сработали все каналы шумомера! А охлаждение термометра и термоанемометра происходило от охлаждаемого газа, к тому же, влажного над уровнем воды от хлопков пузырей.  Ложный приток!

Канал ГК.

Здесь тоже поработала теория. Теория электрических цепей.

В стандартном ГК с кристаллом и ФЭУ в датчике полезный сигнал формируется током  величиной в единицы наноампер. Так почему модуль ГК потребляет десятки миллиампер? Кто там его кушает?

Посмотрели, посчитали… Поняли. И для пробы собрали малоточный ГК с током питания в 1 (один) миллиампер. В общем-то – получилось, но многовато деталей, и не очень стабилен в температуре.

Но принцип-то понятен! И схему поправили: 3…5 миллиампер – ток питания, стабильно работает. Заодно и конструкцию вылизали – стеклянная колба ФЭУ не разбивалась даже тогда, когда прибор СГДК падал плашмя на бетонный пол. Ну, были, были такие нечаянные испытания… 

Были и экспериментальные лабораторные работы, которые не дошли до внедрения.

Так, проверили неожиданную идею К.О. Левитского для влагомера. Сняли с датчика изоляционное покрытие и, используя этот голый электрод, стали измерять полное комплексное сопротивление флюида, т.е. одновременно и омическое сопротивление, и емкость получившегося измерительного конденсатора.

Макет разработали, провели несколько исследований в скважинах и выяснили... Точнее, это и так было почти понятно. Но мы доказали, пусть даже только себе, но доказали, что в скважинных условиях существует только два вида комплексных сопротивлений: во-первых, маленькая емкость, измеряемая в пикофарадах плюс Мегаомы сопротивления (газ) и, во-вторых, единицы-сотни Ом сопротивления и огромные значения емкостей (вода, нефтеводяные смеси). А в таких условиях и сопротивление, и емкость удобнее измерять все-таки разными методами, измерительными каналами, разными датчиками.

Но идея все же была проверена, исходя из вполне работающего правила: если все знают, что этого нельзя сделать, но кто-то этого не знает, то он это, может быть и сделает.

А почему бы и нет? Вот, для примера. Говорили, что идея телесистемы АГДК – непатентоспособна, а эксперты Роспатента с этим не согласились, и было получено авторское свидетельство [11].

А, впрочем, я кокетничаю.

Не так уж и безрезультатная оказалась работа с неизолированным электродом.

Разбор физических основ работы контактного резистевиметра в жидком флюиде (а электрод прибора измерял сопротивление именно контактным способом), так вот разбор этой физики показал, что существует режим измерений, при котором загрязнение электрода, а именно это мешало использованию конструктивно очень простых датчиков резистевиметра такого типа, на результат измерений не влияет. Этот вывод был получен теоретически, и скважинные испытания макета контактного резистевиметра показали прекрасные результаты.   

И еще один измерительный канал родился после этой работы.

Контактный влагомер

В СГДК используется обычный диэлькометрический влагомер и еще один, основанный на ином физическом принципе.

Суть его заключается в том, для определения объемного содержания нефти (конденсата) или газа в воде используется тот факт, что удельное сопротивление нефти (газа, конденсата) на несколько порядков выше, чем удельное сопротивление пластовой воды. В СГДК установлен контактный резистевиметр. Когда датчик резистевиметра находится в двухфазном потоке, электронная схема измеряет среднее значение времени, когда сопротивление окружающей среды значительно больше, чем сопротивление воды, определяя тем самым объемное содержание углеводорода в воде.

На рисунке показаны диаграммы диэлькометрического влагомера аппаратуры ГЕОТРОН и контактного влагомера СГДК.

Ну, вот, в общем-то, и все о разработке АГДК.

С 1995 года аппаратура АГДК серийно производилась в Кимрах.

Предполагалось, что через 5-6 лет ее заменит цифровая скважинная аппаратура, но, тем не менее, АГДК, практически без изменений выпускалась до 2005 года и плодотворно работала в геофизике.

В 2001 году появилась ее модификация под названием СГДК, где была сделана успешная попытка увеличить количество каналов до 15. Но уже пришло время цифровых технологий, и появился прибор ЦГДК.   

Публикации

1.                       Морозов А.М, Морозов Б.Ф., Скопинцев С.П. Метролого-методическое обеспечение измерений температуры и давления аппаратурой газодинамического каротажа.// Тверь, Издательство «АИС»,  Каротажник № 62, стр. 92-105.

2.                       Скопинцев С.П. Аппаратура СГДК.// Тверь, Издательство «АИС»,   Каротажник № 86, стр. 87-94.

3.                       Ипатов А.И., Скопинцев С.П. Эффективность шумометрии при исследовании скважин.// Тверь, Издательство «АИС»,   Каротажник № 90, стр. 32-42.

4.                       Скопинцев С.П. Манометрический плотномер.// Тверь, Издательство «АИС»,   Каротажник № 97, стр. 103-109.

5.                       Скопинцев С.П. Возможности магнитного локатора муфт при исследовании интервалов перфорации.// Тверь, Издательство «АИС», Каротажник № 105, стр. 114-119.

6.                       Скопинцев С.П. Особенности работы датчиков температуры в скважинных условиях.// Тверь, Издательство «АИС»,   Каротажник № 120, стр. 162-164.

7.                       Ипатов А.И., Городнов А.В.,  Ипатов С.И., Марьенко Н.Н., Петров Л.П., Скопинцев С.П. Исследование амплитудно-частотных спектров акуститческого и электромагнитного шума при фильтрации  флюидов в породах.// Тверь, «ИЗДАТЕЛЬСТВО ГЕРС» «Геофизика» № 2.2004, стр. 25-30.

8.                       Скопинцев С.П. Возможности термоанемометров АГДК и СГДК при исследовании скважин.// Тверь, Издательство «АИС»,   Каротажник № 121, стр. 101-106.

9.                       Скопинцев С.П. Аппаратура для исследования высокотемпературных скважин.//ЕАГО, Саратовское отделение, Приборы и системы разведочной геофизики № 02/2004, стр. 44-46.

10.                   Ипатов А.И., Городнов А.В.,   Петров Л.П., Шумейко А.Э. Скопинцев С.П. Апробация метода анализа амплитудно-частотных спектров сигналов акустического и электромагнитного шума при фильтрации  флюидов в породах.// Тверь, Издательство «АИС», Каротажник № 122, стр. 51-66.

Скопинцев С.П.  «Система передачи информации с временным разделением каналов» Патент  №1547009