Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ современного состояния технологии гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов 17
1.1 Краткое описание технологии ГРП 17
1.2 Зарубежные и отечественные системы контроля технологических параметров процесса ГРП 22
1.3 Методы измерения концентрации твердой фазы в бинарных системах (пульпах), прокачиваемых по стальным трубопроводам 39
Выводы по главе 1 46
ГЛАВА-2 Метод экспрессного определения конщнтрации проппанта в рабочих смесях с повышенной точностью 48
2.1 Влияние флуктуации плотности рабочей жидкости на точность определения концентрации проппанта методом гамма - плотиометрии 48
2.2 Связь концентрации проппанта с плотностью рабочей жидкости и рабочей смеси 50
2.3. Два способа определения величины газового фактора 54
2.4. Синхронизация во времени определения плотности рабочей жидкости и рабочей смеси 60
2.5. Анализ погрешности определения текущей концентрации проппанта по измерению текущих значений плотности рабочей жидкости и рабочей смеси 61
2.6. Проверка работоспособности физико-математической модели 62
Выводы по главе 2 68
ГЛАВА 3 Измерительный комплекс рикп-01 для экспрессного определенения концентрации проппанта в рабочих смесях 70
3.1. Структура комплекса РИКП-01 70
3.2. Конструкция и принцип действия датчика плотности рабочей жидкости и рабочей смеси 74
3.3. Программное обеспечение 84
3.4. Метрологическое обеспечение 102
3.5. Результаты производственных испытаний 106
Выводы по главе 3 108
Заключение 111
Список использованных источников
- Зарубежные и отечественные системы контроля технологических параметров процесса ГРП
- Методы измерения концентрации твердой фазы в бинарных системах (пульпах), прокачиваемых по стальным трубопроводам
- Связь концентрации проппанта с плотностью рабочей жидкости и рабочей смеси
- Конструкция и принцип действия датчика плотности рабочей жидкости и рабочей смеси
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ
В современных условиях особое значение в мире приобретает проблема истощения природных ресурсов, на использовании которых построена вся наша техногенная цивилизация, выход из которой возможен только при рациональном их использовании, особенно, таких как нефть и газ.
Современная нефтегазодобывающая промышленность сделала ставку на максимальное увеличение дебита новых и старых скважин путем экстремального воздействия на призабойную зону для разработки отдаленных от ствола скважины частей нефтегазоносного пласта.
Одно из эффективнейших средств воздействия на призабойную зону скважин - гидравлический разрыв пластов (ГРП). Это метод применяется для повышения продуктивности нефтяных и газовых месторождений.
Процесс гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов заключается в создании искусственных и расширении имеющихся трещин в породах призабойной зоны воздействием повышенных давлений жидкости, нагнетаемой в скважину. Вся эта система трещин связывает скважину с удаленными от забоя продуктивными частями пласта. Для предотвращения смыкания трещин в скважину под давлением до 1600 атмосфер закачивают жидкость (воду или нефть), обработанную соответствующим химреагентом для повышения ее вязкости, в которую добавляют проппант (спеченные из кварцевого песка шарики диаметром 0,8 - 1,6 мм). С помощью проппанта в полученной трещине формируется своеобразный ' клин' (искусственное поровое пространство), который не дает этой трещине сомкнуться. Качественно сформированный клин определяет успех всей дорогостоящей операции. Для успешного формирования этого клина необходимо экспрессно определять концентрацию проппанта в трубопроводе, по которому рабочую смесь
закачивают в скважину, с приведенной погрешностью не хуже ±(3,0 ^ 5,0)% [1,2].
Об эффективности использования гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов для повышения дебита нефтегазопромысловых скважин можно судить, исходя из следующих примеров.
Результаты анализа операций гидравлического разрыва продуктивных пластов на месторождениях ОАО "Сургутнефтегаз" показали, что дебит скважины после ГРП увеличивается в среднем на 200 %, а на Сутормииском месторождении эта цифра превышает 300% [3]. Применение гидравлического разрыва на месторождениях ПО "Юганскнефтегаз" (Салымского, Восточно-Сургутского, Асомкинского, Мамонтовского и т.д.) в добывающих скважинах увеличило дебит в среднем на 200 - 250 %, а на некоторых скважинах на 350 % [4]. Анализ результатов применения гидравлического разрыва пластов на 50 скважинах месторождений ОАО "Тюменская нефтяная компания " показал, что в среднем дебет скважин увеличился примерно с 7,7 тонн в сутки до 28,3 тонн в сутки, что составляет более 360 % а в некоторых случаях увеличение дебета доходило до 400 % [5]. На базе 2-х летнего опыта анализа гидравлических разрывов, на Яранерском месторождении произведен расчет экономических эффективности ГРП. Он показал, что время окупаемости операции ГРП всего 7 месяцев [б].
Среднее число удачных проведений гидравлического разрыва составляет около 80%. В остальных случаях причиной понижения дебита скважин, а порой выхода из строя, является некачественное формирование 'клина', обусловленное малым или большим содержанием проппанта в рабочей жидкости, что лишний раз подтверждает важность решения данной задачи. Поэтому успешное проведение ГРП главным образом зависит от качественного формирования 'клина' внутри продуктивного пласта, для чего нужно точно и с достаточной экспрессностью контролировать концентрацию проппанта в рабочей жидкости, закачиваемой в скважину.
Имея достоверную и оперативную информацию о концентрации проппанта в рабочих смесях можно с большей долей вероятности гарантировать успех всей дорогостоящей операции гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов.
Известен способ измерения концентрации проппанта в рабочих жидкостях одной из ведущих мировых фирм по выпуску оборудования для гидравлического разрыва пласта, а именно, фирмы Halliburton (США): "Система управления процессом с использованием удаленного компьютера и локальных управляющих компьютеров для смешивания проппанта с жидкостью". На базе запатентованного способа фирма разработала станцию контроля концентрации проппанта в рабочих жидкостях [7]. Также известен способ "Метод контролирования плотности рабочего раствора при гидравлическом разрыве " фирмы Stewart & Stevenson Services и оборудование, реализующее этот способ [8]. Общим недостатком этих способов является отсутствие контроля меняющихся текущих значений плотности жидкости на входе в агрегат для приготовления смеси (АПС) до смешивания с проппантом. Это приводит к тому, что они не могут обеспечить приведенную погрешность определения концентрации проппанта меньше 10%. Также известен способ определения массовой доли твердой фазы водных пульп в трубопроводах, реализованный в "Устройстве для контроля плотности и массовой доли жидкой фазы пульп в трубопроводах". Недостатком этого способа является недостаточное быстродействие (несколько минут) и большой вес, обусловленный биологической защитой от нейтронного излучения датчика массовой доли жидкой фазы. [9].
Одним из российских лидеров по производству станций для контроля гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов, является ООО "БурГеоСервис" (г. Тверь). Главный недостаток станций, выпускаемых этой фирмой заключается в большой погрешности около (20%), с которой определяют концентрацию проппанта в рабочей смеси, так как она
определяется путем постоянного взвешивания массы проппанта, находящейся в кузове автомобиля - песковоза [10].
Анализ научно-технической информации по проблеме измерения концентрации проппанта в рабочих жидкостях при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов позволяет сделать вывод, что существующие в российской и мировой практике альтернативные способы и средства контроля обладают рядом значительных недостатков, среди которых главным является большая погрешность определения концентрации проппанта в рабочих жидкостях.
Таким образом, проблема автоматизированного процесса оперативного контроля концентрации проппанта в рабочих жидкостях при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов с погрешностью, удовлетворяющей требованиям практики продолжает оставаться весьма актуальной, учитывая, что данная проблема напрямую связана с дебитом нефтегазопромысловых скважин.
Актуальность работы подтверждает Постановление Правительства РФ № 686 от 20 июля 1993 года "Об организации серийного производства отечественного оборудования для глубоко проникающего гидравлического разрыва пластов на нефтяных и газовых месторождениях".
Тема работы соответствует следующим позициям перечня "Приоритетные направления развития науки, технологий, техники и критических технологий Российской Федерации"[11]:
Производственные технологии: У Оценка, комплексное освоение месторождений и глубокая переработка стратегически важного сырья.
Топливо и энергетика: > Поиск, добыча, переработка и трубопроводный транспорт нефти и газа.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью диссертационной работы является разработка метода и аппаратуры для экспрессного определения концентрации проппанта с повышенной, по сравнению с известными аналогами, точностью в рабочих смесях, прокачиваемых по стальным трубопроводам при гидроразрыве нефтегазосодержащих пластов.
ЗАДАЧИ РАБОТЫ
Проанализировать современное состояние технологии гидроразрыва нефтегазосодержащих пластов, в том числе методы измерения концентрации проппанта в рабочих жидкостях при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов, а также методы измерения концентрации твердой фазы в трехкомпонентных системах (пульпах), прокачиваемых по стальным трубопроводам, и выявить недостатки существующих методов.
Разработать способ определения с заданной точностью текущих значений концентрации проппанта в смесях, приготовленных на основе воды (с различной степенью минерализации) или нефтей разных сортов, различающихся друг от друга по плотности.
Разработать программно-математическое обеспечение для аппаратуры контроля концентрации проппанта в рабочих смесях.
Разработать, изготовить и провести производственные испытания опытного образца аппаратуры для контроля концентрации проппанта в рабочих смесях, применяемых при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом исследования является технология приготовления рабочих смесей, содержащих в своем составе проппант, и технология нагнетания
рабочих смесей в скважину для формирования искусственного порового пространства.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Предложен и реализован в опытном образце измерительного комплекса РИКП-01 способ определения текущих значений концентрации проппаита по текущим значениям плотностей рабочей жидкости и рабочей смеси, измеренных на входе/выходе агрегата для приготовления смеси с учетом времени прохождения рабочей жидкости через агрегат для приготовления смеси при измерении плотности рабочей смеси, который обеспечивает повышенную, по сравнению с известными аналогами, точность в условиях флуктуации плотности рабочей жидкости и наличии газового фактора (патент Российской Федерации №2253856).
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
При выполнении диссертационной работы для решения поставленных задач применялись методы математического анализа, экспериментального исследования ослабления "узкого" пучка гамма - излучения стальным трубопроводом с рабочими жидкостями и рабочими смесями, ядерной электроники, программирования и метрологического обеспечения.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
> Разработан радиоизотопный метод экспрессного определения концентрации проппаита в рабочих смесях, закачиваемых при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов по стальным трубопроводам высокого давления в скважину, который обеспечивает приведенную погрешность определения концентрации проппаита не хуже ±3,5% через каждые 15 секунд (патент Российской Федерации №2253856).
Разработан опытный образец измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях РИКП-01, который реализует разработанный метод.
Разработан радиоизотопный датчик для экспрессного определения плотности пульп в трубопроводах, который использован в составе комплекса РИКП-01, станции для экспрессного контроля процесса цементирования скважин КСКЦ-01 и комплекса для экспрессного контроля параметров буровых растворов при бурении скважин КИБР (патент на полезную модель Российской Федерации № 39953).
Измерительный комплекс РИКП-01 прошел производственные испытания на "Комсомольском месторождении" ОАО "Роснефть -Пурнефтегаз" и принят в эксплуатацию ОАО "Пурнефтеотдача" с 01.02.2003г. (г. Губкинский Ямало-Ненецкого автономного округа).
РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
Разработанный метод реализован в опытном образце измерительного комплекса для экспрессного определения концентрации проппанта в рабочих смесях при гидравлическом разрыве нефтегазо содержащих пластов РИКП-01, который состоит из двух радиоизотопных плотномеров, устанавливаемых на стальную трубу диаметром 159 мм, на входе/выходе агрегата приготовления смесей, концентратора, двух выносных цифровых табло, кабельного хозяйства и транспортных контейнеров 2-й категории для перевозки и хранения радиоизотопных источников гамма-квантов. Комплекс РИКП-01 обеспечивает экспрессное измерение плотности (через каждые 15 секунд) рабочей жидкости и рабочей смеси, вычисление по текущим значениям плотности текущих значений концентрации проппанта, прием сигнала с датчика расхода рабочей смеси, вычисление объема смеси и массы проппанта, закачанных в скважину, отображение всех измеренных и вычисленных параметров в режиме реального
времени на дисплее компьютера и передачи этой информации на выносное цифровое табло.
Измерительный комплекс РИКП-01 прошел производственные испытания на "Комсомольском месторождении" ОАО "Роснефть - Пурнефтегаз" и принят в эксплуатацию ОАО "Пурнефтеотдача" с 01.02,2003г. (г. Губкинский Ямало-Ненецкого автономного округа), что подтверждается актом внедрения результатов диссертационной работы Нургалиева О.Т.
ПОЛОЖЕНИЯ ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
^ Соотношения, позволяющие вычислить текущие значения концентрации проппанта в рабочих смесях в условиях флуктуации плотности рабочей жидкости и наличии газового фактора по синхронным измерениям текущих значений плотностей рабочей жидкости и рабочей смеси в трехкомпонентных смесях.
Конструкция радиоизотопного датчика плотности для экспрессного измерения плотностей пульп в трубопроводах.
Принцип действия и конструкция опытного образца измерительного комплекса для экспрессного измерения концентрации проппанта в рабочих смесях.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Основные положения и результаты работы докладывались на шести конференциях, изложены в 11 печатных работах, опубликованных в различных региональных и центральных научно - технических изданиях. В их числе патент №2253856 "Способ определения концентрации проппанта в смесях для гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов", патент на полезную модель №39953 "Радиоизотопный датчик плотности для контроля пульп в трубопроводах".
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД
Зарубежные и отечественные системы контроля технологических параметров процесса ГРП
Идеальная система контроля процесса гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов, удовлетворяющая требованиям практики, должна в своем составе иметь ряд датчиков, которые обеспечивали бы измерение с необходимой точностью следующих параметров: уровень жидкости в цистернах, где хранится рабочая жидкость; измерение этого параметра позволяет избежать всасывания воздуха в рабочую жидкость, погрешность измерения данного параметра должна составлять ±10мм; температуру рабочей жидкости в вертикальных цистернах; измерение этого параметра позволяет избежать замерзание рабочей жидкости в вертикальных цистернах в зимнее время года, погрешность измерения данного параметра должна составлять ±0,5 С0; давление в нагнетательной линии на входе в АПС; измерение этого параметра позволяет контролировать поступление рабочей жидкости в АПС; погрешность измерения данного параметра должна составлять ±1,5 кгс/см2; объемный расход рабочей жидкости на входе в АПС (например по числу ходов поршней нагнетательного насоса); измерение этого параметра позволяет контролировать объем поступающей рабочей жидкости в АПС, чтобы в дальнейшем определять концентрацию проппанта в рабочей смеси; погрешность измерения параметра должна составлять ±1,5 л/с; концентрацию проппанта в рабочей смеси на выходе из АПС; измерение этого параметра позволяет гарантировать успех всей дорогостоящей операции ГРП; погрешность измерения данного параметра должна составлять ±(3,0+5,0) г/л с шагом на более 15 секунд; эффективную вязкость рабочей смеси на выходе из АПС; измерение этого параметра позволяет контролировать концентрацию химреагента, повышающего вязкость рабочей жидкости для того, чтобы не допустить оседания проппанта в случае низкой вязкости, погрешность измерения данного параметра должна составлять ±0,5 мПа С; давление в нагнетательной линии на выходе из АПС; измерение этого параметра позволяет контролировать поступление рабочей жидкости в манифоЛьд высокого- давления, погрешность измерения данного параметра должна составлять ±1,5 кгс/см2; давление в линии манифольда высокого давления; измерение этого параметра позволяет контролировать рабочее давление с которым закачивается рабочая жидкость и рабочая смесь через колонну насосно-компрессорных труб в тело продуктивного пласта, погрешность измерения данного параметра должна составлять ±1,5 кгс/см ; давление в затрубном пространстве; измерение этого параметра позволяет избежать выдавливания рабочей жидкости и рабочей смеси на поверхность в случае прорыва пакера, погрешность измерения данного параметра должна составлять ±2,5 кгс/см2 [1,12].
Для успешного проведения ГРП нужно знать концентрацию проппанта в рабочей смеси на выходе из агрегата приготовления смеси, минимум через каждые 15 секунд с погрешностью не более ±(3,(Н5,0) %. Если концентрация проппанта в рабочей смеси будет меньше или больше требуемой, то клин, который не дает захлопнуться трещине в продуктивном слое не будет правильно сформирован, т.е. в итоге не будет увеличения притока нефти в скважину.
Для измерения таких параметров, как уровень, температура, давление, объемный расход и вязкость в России и за рубежом серийно выпускаются датчики, которые обеспечивают погрешность, требуемую для измерения этих параметров процесса ГРП. Сложнее дело состоит с определением текущих значению концентрации проппанта в рабочей смеси, (пульпе) закачанной под большим давлением в скважину. Лучшие результаты обеспечивает гамма-метод в геометрии узкого пучка. Однако, и этот метод обеспечивает пока погрешность определения концентрации проппанта не лучше ±10%. Поэтому возникает два направления исследований для решения вопроса об определении концентрации проппанта с необходимой погрешностью: 1) усовершенствование гамма-метод узкого пучка; 2) разработка принципиально нового метода определения концентрации проппанта.
Кроме того, измерение концентрации проппанта в рабочих смесях есть частный случай определения концентрации твердой фазы в трехкомпонентных пульпах (жидкость, твердое, газ). Поэтому нужно рассмотреть не только известные системы контроля технологических параметров процесса ГРП, но и методы измерения концентрации твердой фазы в трехкомпонентных пульпах, прокачиваемых по стальным трубопроводам. После анализа всех возможных методов измерения твердой фазы в пульпах окончательно определится направление исследований
Методы измерения концентрации твердой фазы в бинарных системах (пульпах), прокачиваемых по стальным трубопроводам
Полное исключение рассеянного гамма-излучения на практике осуществить невозможно но, с помощью пороговой дискриминации можно уменьшить влияние рассеянного гамма-излучения, хотя это влечет за собой значительные снижение скорости счёта и уменьшение стабильности измерительного канала. Регистрация, наряду с первичным, некоторого количества рассеянного гамма-излучение приводит к изменению закона ослабления [19,20].
Гамма-метод узкого пучка обеспечивает погрешность измерения плотности порядка (0,01 -0,02) г/см3. Источниками систематических ошибок при измерениях плотности в узком пучке являются, прежде всего, неточности определения поправки на неполную коллимацию г) и массового коэффициента ослабления гамма-излучения ц. Чувствительность тем выше, чем больше массовый коэффициент ослабления гамма-излучения, толщина просвечиваемого слоя и величина ослабленной интенсивности [20,21].
В основном этот метод применяется для определения плотности агрессивных жидкостей находящихся в стальных трубопроводах, для химической промышленности, когда жидкость находится под давлением, просвечивание ограниченных по размерам образцов грунтов, строительных материалов и т.д. Особенно хорошо применим данный метод при измерении концентрации твердого в взвесях и суспензиях, когда использование других методов измерения затруднено, а также на нефтепроводах для определения различных сортов транспортируемых нефтепродуктов по плотности [19].
Гамма - метод измерения плотности в геометрии "узкого пучка" используемый в системах фирм Halliburton и Stewart & Stevenson Services по которому судят о концентрации проппанта в рабочих смесях, может обеспечить требуемую погрешность и время измерения. Следовательно, необходимо усовершенствовать метод измерения концентрации проппанта в рабочих смесях при ГРП гамма - методом измерения плотности таким образом, чтобы он учитывал флуктуацию плотности рабочей жидкости на входе в АПС,
Кориолисов метод определения расхода и плотности Кориолисов расходомер-плотномер состоит из датчика и преобразователя. Датчик измеряет расход и плотность. Преобразователь конвертирует полученную с сенсора информацию в стандартные выходные сигналы. Измеряемая среда, поступающая в датчик, разделяется на равные половины, протекающие через каждую из сенсорных трубок. Движение задающей катушки приводит к тому, что трубки колеблются вверх-вниз в противоположном направлении друг к другу. Сборки магнитов и катушек-соленоидов, называемые детекторами, установлены на сенсорных трубках. Катушки смонтированы на одной трубке, магниты на другой. Каждая катушка движется сквозь одномерное магнитное поле постоянного магнита, Сгенерированное напряжение от каждой катушки детектора имеет форму синусоидальной волны. Эти сигналы представляют собой движение одной трубки относительно другой. Структурная схема кориолисова датчика представлена на рисунке 10 [22, 23].
При движении измеряемой среды через сенсорные трубки проявляется физическое явление, известное как эффект Кориолиса. Поступательное движение среды во вращательном движении сенсорной трубки приводит к появлению кориолисового ускорения, которое, в свою очередь, приводит к появлению кориолисовой силы. Эта сила направлена против движения трубки, приданного ей задающей катушкой, т.е. когда трубка движется вверх во время половины ее собственного цикла, то для жидкости, поступающей внутрь, сила Кориолиса направлена вниз. Как только жидкость проходит изгиб трубки, направление силы меняется на противоположное. Таким образом, во входной половине трубки, сила действующая со стороны жидкости, препятствует смещению трубки, а в выходной способствует. Это приводит к изгибу трубки. Когда во второй фазе вибрационного цикла трубка движется вниз, направление изгиба меняется на противоположное.
Связь концентрации проппанта с плотностью рабочей жидкости и рабочей смеси
Способы определения величины газового фактора для рабочей жидкости на основе воды также справедливы и для рабочей жидкости на основе нефти, только константа к и степень п для рабочей жидкости на основе н будут иными.
На рисунке 17 приведены сравнения экспериментальной (кривая 1) и расчетных зависимостей объемной концентрации проппанта от плотности смеси для пульпы на основе воды. Кривая 2 расчитана по формуле (13), кривая 3 рассчитана по формуле (2) объемной концентрации проппанта от плотности смеси на основе воды Видно, что экспериментальная кривая 1 хорошо совпадает с кривой, расчитаной по формуле (13). Плохое совпадение кривой 3 с экспериментальной кривой 1 объясняется отсутствием учета флуктуации плотности рабочей жидкости и величины газового фактора при расчете концентрации твердой компоненты по формуле (2).
Таким образом задача определения текущих значений объемной концентрации проппанта С и массового отношения проппанта X по измерению текущих значений плотностей рсм и рж с учетом коэффициента в полностью решена.
Для повышения точности измерения концентрации проппанта в рабочих смесях предложено измерять плотность рабочей жидкости на входе в АПС, а плотность рабочей смеси на выходе из АПС измерять через некоторое время задержки, равное времени прохождения порции рабочей жидкости по стальному трубопроводу через АПС. Таким образом, измерив подручными средствами (например, рулеткой) расстояние S между плотномером №1, стоящим на входе в АПС и плотномером №2, стоящим на выходе из АПС, и вычислив скорость движения жидкости V по стальному трубопроводу с помощью расходомера, можно вычислить время т прохождения жидкости чрез АПС по формуле (17) [27, 29]. где S - расстояние между плотномерами; V - скорость движения жидкости. Схема измерения времени задержки представлена на рисунке 18.
Таким образом измеряя текущее значение плотности жидкости и плотности смеси, с учетом времени задержки, по формулам (11) и (13) можно обеспечить измерение плотности рабочей смеси именно в той порции, которая приготовлена из порции рабочей жидкости, плотность которой предварительно измерена. Следовательно будет выполнено условие применимости формул (11) и (12) [29].
Оценим погрешность определения объемной концентрации проппанта С по формуле (18). Формула для оценки полной погрешности АС(рсм,рж) имеет вид:
Результаты оценки приведенной погрешности (для рабочей жидкости на основе воды) определения объемной концентрации проппанта с использованием формулы (18) при погрешности гамма - плотномера равной ±20 кг/м" для доверительной вероятности 0,95 и времени усреднения 15 секунд, приведены в таблице 1 [27, 30].
Из таблицы 1 видно, что предложенный способ обеспечивает для рабочей жидкости на основе воды приведенную погрешность не хуже ±3,2%, т.е. полностью решает поставленную задачу.
Для проверки работоспособности разработанной физико-математической модели был разработан действующий лабораторный макет, структурная схема которого представлена на рисунке 19.
Лабораторный макет состоит из свинцового коллиматора - защиты с источником гамма - квантов, одного блока детектирования гамма-квантов, блока питания и счетного устройства. Блок детектирования состоит из блока высоковольтного напряжения, который предназначен для питания постоянным напряжением +400В трех газоразрядных счетчиков гамма-квантов СБМ-20, и блока обработки сигнала плотномера, предназначенного для выделения, суммирования, нормализации и усиления по мощности импульсных сигналов, поступающих с газоразрядных счетчиков СБМ-20 при регистрации гамма -квантов.
Конструкция и принцип действия датчика плотности рабочей жидкости и рабочей смеси
Программное обеспечение для микроконтроллера Для концентратора комплекса РИКП-01 нужно было выбрать микроконтроллер и разработать такое программное обеспечение, которое обеспечивало бы прием данных от датчиков плотности и датчика массового расхода, преобразование аналогового сигнала от датчика массового расхода в цифровой, передачу данных на персональный компьютер, прием и преобразование данных от персонального компьютера для последующей передачи на цифровые индикаторы.
При проектировании концентратора был использован микроконтроллер фирмы ATMEL (AT90S8535) - это 8-разрядный RISC микроконтроллер для встраиваемых приложений. Он привлекает внимание наилучшим соотношением показателей быстродействие/энергопотребление, удобными режимами программирования и доступностью программно-аппаратных средств поддержки. Этот микроконтроллер относится к типу Classic AVR. Все микроконтроллеры этого типа обладают возможностью перепрограммирования непосредственно в рабочей системе через последовательный SPI-интерфейс. По типу исполнения кристалла микроконтроллер относится к промышленным, питается от напряжения 5В и имеет температурный диапазон -45-Н-85С [35].
Контроллер имеет 118 команд - большинство проходят за один тактовый цикл, в состав микроконтроллера входит: 512 байтов статической оперативной памяти; 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь с 8 каналами, служит для введения в микроконтроллер сигналов от аналоговых датчиков; 32 8 разрядных универсальных рабочих регистра общего назначения, используются в микропроцессоре для хранения промежуточных данных в процессе обработки; 4 программируемые порта ввода - вывода, портами являются регистры для подключению внешних устройств. два 8-разрядных таймера и один 16-разрядный таймер; внешние и внутренние источники прерывания, они позволяют событиям реального времени управлять выполнением программы. программируемый 16-битный сторожевой таймер, следит за выполнением пользовательской программы и предотвращает зависание системы; универсальный асинхронный приемопередатчик, выполняет преобразование параллельного кода в последовательный для передачи и обратное преобразование при приеме данных; Последовательный интерфейс для перепрограммирования контроллера; три режима работы: холостой ход, экономичный и выключенный; программирование блокировки для программной защиты; Восьми битная шина данных, по ней происходит обмен данными между внутренними блоками контроллера [35].
Программная память выполнена с одной конвейерной обработкой. В то время как одна команда выполняется, следующая команда уже выбрана из памяти программы. Это дает возможность командам быть выполненным в одном тактовом цикле. Большинство команд контроллера AT90S8535 имеют 16-разрядный формат слова. В течение прерываний и вызовов подпрограммы, адреса возврата счетчика команд сохраняется в стеке. К побайтным представлениям данных можно обращаться пятью различными способами адресации, поддерживаемых архитектурой AVR. Блок регистров содержит 32 8-разрядных универсальных рабочих регистра с одним тактовым циклом доступа. Это означает что в течение одного тактового цикла, полностью выполняется одна операция арифметического логического устройства [35].
Микропроцессор AT90S8535 является более мощным, чем это нужно для потребностей комплекса РИКП-01, но он был выбран нами с целью использования его в концентраторе при разработке системы контроля всего процесса гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов нового поколения, в которой концентрация проппанта будет определяться с необходимой точностью и экспрессностью.
Программа для микропроцессора состоит из основной программы и трех подпрограмм. Основной модуль поочередно запускает аналогово-цифровое преобразование по каждому из восьми аналоговых каналов измерения и выводит информацию (при ее поступлении от основного компьютера) на выносные цифровые табло. Каждая из трех основных подпрограмм запускается при поступлении соответствующего сигнала прерывания: от таймера; от приемника СОМ-порта; от передатчика СОМ-порта [36]. Блок - схема алгоритма основной программы представлен на рисунке 31. Листинг программы представлен в приложении А.
