С.П.Скопинцев

ООО «Нефтегазсистемы»

ssp5@yandex.ru

Особенности работы датчиков температуры в скважинНых условиях

Поводом для написания этой статьи послужили результаты анализа поведения метрологических характеристик измерительных каналов термометра, термоанемометра и манометра аппаратуры АГДК за несколько лет работы.

На предприятии Вуктылгазгеофизика к моменту сбора статистических данных аппаратура АГДК использовалась уже более 5 лет. Все это время проводились ежеквартальные лабораторные испытания всех скважинных приборов с регистрацией калибровочных характеристик вышеназванных измерительных каналов. Результаты оказались следующие.

Как и ожидалось, стабильность метрологических характеристик канала манометра аппаратуры АГДК оказалась весьма высокой: за 5 лет работы на всех исследованных скважинных приборах максимальный уход калибровочных данных от первоначальных не превысил  +0,2 %. Это позволяло использовать приборы без дополнительных калибровочных испытаний этого канала, проводя только поверку канала.

Неожиданности начались при обращении к каналу термометра.

Оказалось, что поверочные испытания достаточно часто выявляли значения погрешностей канала выше паспортных, что приводило к проведению повторных калибровок, причем это повторялось во время всего исследуемого периода. Для выявления причин этого явления были собраны, систематизированы и обработаны результаты испытаний аппаратуры за несколько лет. Для большей информативности дополнительно были использованы и результаты одновременной поверки датчика температуры  канала термоанемометра, у которого при испытаниях был отключен нагрев.

Обработка полученных данных проводилась следующим образом.

Поскольку в аппаратуре АГДК используются датчики с линейными характеристиками преобразования (меднопроволочный терморезистор в канале термометра и полупроводниковый диод в канале термоанемометра), то табличные данные поверок переводились в формульный вид типа Y=A+B*X (1), и затем анализировалась поведение коэффициентов А и В во времени.

 На рис. 1 приведены гистограммы изменения значений коэффициентов А [^oC] и В [% от диапазона измерений] скважинного прибора АГДК №23 относительно среднего значения за период 1996-1999 гг. при ежеквартальных поверках. Из гистограмм видно, что разброс значений коэффициентов формулы (1) для термометра (At, Вt) от поверки к поверке весьма велик. Аналогичные по поведению гистограммы приведены и для скважинных приборов АГДК №  36 (рис.2) и №42 (рис.3). В то же время соответствующие коэффициенты (Aq, Вq) для каналов термоанемометра этих же приборов значительно более стабильны во времени.

Такие возможные причины нестабильности калибровки канала термометра скважинных приборов с меднопроволочными терморезисторами, как нестабильность электронной схемы, ошибки оператора, неисправность поверочной установки или несоблюдение технологии проведения поверки были сразу же исключены, поскольку все измерительные каналы  (термометр, манометр и термоанемометр) поверялись одновременно по принципу работы комплексной аппаратуры АГДК. Осталась только одно объяснение – нестабильность характеристик медного датчика.

Неожиданное доказательство нестабильности именно медного датчика было получено  при анализе лабораторных испытаниях нескольких приборов АГДК, которые были проведены в НПФ «Центргазгеофизика» (г. Кимры) для выяснения плохой работы каналов термометра выпускаемой партии аппаратуры (рис.4.).

Испытания этих приборов проводились ежедневно одним и тем же оператором без изменения положения приборов в поверочной установке. Как видно на рисунке – результаты примерно аналогичны тем, что были получены в Вуктыле. Позже выяснилось, что при производстве датчиков не была соблюдена технология - медный провод, из которого изготавливался чувствительный элемент, не был предварительно «состарен», что и явилось причиной нестабильности его характеристик.

«Старение» медного провода состоит в том, что вначале катушка с проводом  нагревается в печке до высокой температуры, а затем медленно в течение примерно суток остывает вместе с печкой. При этом происходит отпуск металла, разрушаются кристаллические домены, и металл становится более однородным и стабильным.

Но!

Но при испытаниях скважин практически никогда не бывает медленных монотонных изменений температуры!

Даже летом прибор из температуры +10…20 ^оС на поверхности земли в течение 1-2 часов перемещается в забойную зону, где температуры могут достигать  100 ^оС и более. А зимой (особенно на Севере) производится самый настоящий процесс закалки металла. Из горячей скважины - на 20-ти, а то и 40-градусный мороз! Конечно, ни о каком «старении» датчика речь уже не идет, и все даже наоборот. 

Кстати, именно это может объяснить, например, высказывание, приведенное в [1]: “…термограммы, зарегистрированные в стационарном тепловом поле (например, в неперфорированной наблюдательной скважине) с интервалом в несколько суток, могут оказаться сдвинутыми по оси температур относительно друг друга на + 1 ^ОС». 

К сожалению, у автора нет статистического материала по другим типам металлических датчиков температуры, например, никелевым, но косвенно эту точку зрения доказывает тот факт, что госстандарт относит термометры сопротивлений из неблагородных металлов только к рабочим средствам измерений и устанавливает нижний предел погрешности для этого класса равным 0,3 ^оС, в то время как полупроводниковые термометры (а в канале термоанемометра прибора АГДК использован как раз полупроводниковый диод) имеют нижний предел – 0,1 ^оС.

Таким образом, потребителям необходимо осторожнее относиться и к заявленным изготовителями паспортным значениям погрешностей термометрических каналов, и уж тем более к рекомендациям по повышению точности измерений скважинными термометрами [2], проверяя их практикой и статистическими данными.

Можно также  считать, что аппаратура АГДК с медным датчиком в канале термометра не всегда обеспечивает паспортную точность измерений +0,5 ^оС, а канал термоанемометра с полупроводниковым датчиком напротив имеет меньшую погрешность измерений, чем это дано в технических данных аппаратуры.

Исходя из вышеописанных результатов, на предприятии ООО «Нефтегазсистемы» (г. Кимры) были разработаны и применены в скважинных приборах СГДК и ЦГДК полупроводниковые датчики термометра и термоанемометра со следующими техническими характеристиками.

Диапазон измерений – от 0 до 120 ^ОС.

Время термической инерции – не более 1,3 с.

Нелинейность характеристики преобразования – не более 0,5 ^ОС.

Чувствительность датчика – около 1 мВ/ ^ОС.

Максимальное внешнее давление – 80 МПа.

Мощность нагревателя термоанемометра – не более 0,4 Вт.

Примеры калибровки каналов термометра аппаратуры СГДК приведены в таблице

* - точка исключена, как ошибочная

Рис.1. Гистограммы изменений значений коэффициентов формулы (1) для меднопроволочного (At, Вt) и полупроводникового (Aq, Вq) термодатчиков скважинного прибора АГДК №23. 

      Рис.2. Гистограммы изменений значений коэффициентов формулы (1) для меднопроволочного (At, Вt) и полупроводникового (Aq, Вq) термодатчиков скважинного прибора АГДК №36.

 
       Рис.3. Гистограммы изменений значений коэффициентов формулы (1) для меднопроволочного (At, Вt) и полупроводникового (Aq, Вq) термодатчиков скважинного прибора АГДК №42.

Рис.4. Гистограммы изменений значений коэффициентов формулы (1) для меднопроволочного (At, Вt) и полупроводникового (Aq, Вq) термодатчиков скважинного прибора АГДК №92, полученные на пяти последовательных ежедневных испытаниях.

ЛИТЕРАТУРА

1.   Р.М.Тер-Саркисов, А.А.Захаров, Е.М.Гурленов, К.О.Левитский, А.Н.Широков. Контроль за разработкой газоконденсатного месторождения прим нагнетании сухого газа в пласт. Геофизические и газогидродинамические методы. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001, стр. 69.

2. А.М.Морозов, Б.Ф.Морозов. Технология цифровой регистрации данных ГДК и качество результатов измерений.// «Каротажник». Тверь: ГЕРС. 1997. Вып.38. С.98.