Содержание к диссертации
Введение
1 Проблема контроля технического состояния скважин 14
1.1 Устройство скважины 15
1.2 Дефекты в скважинах и межскважинном пространстве 19
1.3 Каротажные методы цементометрии ГИС 21
1.4 Метод виброакустической цементометрии
1.4.1 Физические основы акустических методов локации 29
1.4.2 Приборы виброакустической цементометрии 32
1.4.3 Достоинства и недостатки метода и приборов виброакустической цементометрии
1.5 Выводы по главе 1 36
2 Физико-математические основы эхоимпульсных методов контроля протяженных изделий
2.1 Проблемы контроля протяженных сложноструктурных изделий 39
2.2 Теория первичной обработки эхо-сигналов 45
2.3 Модель распространения звука в двух взаимосвязанных средах 48
2.4 Выводы по главе 2 57
3 Обоснование метода и разработка прибора многочастотного акустического контроля цементации скважин
3.1 Обоснование многочастотного акустического метода контроля цементации скважин
3.1.1 Состав и структурные схемы прибора 66
3.1.2 Выбор устройства аналогово-цифрового ввода-вывода 72
3.1.3 Конструкция пьезоэлектрических преобразователей
3.2 Разработка системы возбуждения продольных акустических волн 79
3.3 Разработка системы приема и регистрации акустического сигнала 86
3.4 Характеристики прибора многочастотного акустического контроля цементации скважин
3.5 Выводы по главе 3 94
4 Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения прибора многочастотного акустического контроля цементации скважин
4.1 Требования к программному обеспечению и обоснование выбора среды программирования
4.2 Программно-техническое обеспечение процессов управления и измерения
4.2.1 Структурная схема прибора многочастотного акустического контроля цементации скважин
4.2.2 Алгоритмы организации функционирования программы управления 99
4.2.3 Алгоритмы программы управления процессами измерения, статистической обработки информативных сигналов
4.2.4 Интерфейс программы управления функционированием прибора 110
4.3 Выводы по главе 4 112
5 Испытание прибора многочастотного акустического контроля цементации скважин
5.1 Разработка методики, алгоритмов и программного обеспечения процессов обработки сигналов и представления результатов в приборе
5.1.1 Методика и алгоритмизация обработки информативных сигналов 115
5.1.2 Программы обработки и представления экспериментальных данных 121
126
5.2 Исследовательский стенд для лабораторного испытания методик измерения и прибора
5.3 Тестовые испытания прибора в лабораторных и натурных условиях
5.3.1 Оценка погрешности результатов измерений 129
5.3.2 Испытания на исследовательском стенде 131
5.3.3 Натурные испытания 145
5.4 Выводы по главе 5 151
Заключение 152
Список использованной литературы 154
- Каротажные методы цементометрии ГИС
- Теория первичной обработки эхо-сигналов
- Конструкция пьезоэлектрических преобразователей
- Структурная схема прибора многочастотного акустического контроля цементации скважин
Введение к работе
Актуальность работы. Добыча нефти и газа с одновременным сокращением затрат и вредного воздействия на экологию является одной из главных задач топливно-энергетического комплекса.
В эксплуатационном фонде нефтегазовой промышленности России официально насчитывается более 150 тысяч скважин, из них 16% простаивают из-за необходимости проведения капитального ремонта. Как показывает практика, «слабым» местом конструкции скважин является цементное кольцо обсадной колонны. От качества цементации, ее отслоения и разрушения зависит срок службы скважины, продуктивность пласта и экологическая обстановка в зоне добычи. Поэтому, согласно ГОСТ Р 53709-2009 «Геофизические исследования и работы в скважинах», периодически проводится контроль и аттестация технического состояния обсадных колонн.
Проблеме акустического контроля технического состояния различных технических объектов посвящены работы академика В.В. Клюева, Ю.В. Ланге, Н.П. Алешина, В.К. Качанова, Ю.В. Ванькова, А.В. Козлова, Ю.К. Евдокимова, О.Н. Шерстюкова и других. Создана методическая база, разработаны приборы, которые активно модернизируются и дополняются различными сервисными возможностями.
Существующие методы контроля цементации скважин (акустический каротаж, термометрия, гамма-гамма каротаж и ряд других) недостаточно оперативны и требуют остановки технологического процесса добычи для опускания датчиков внутрь скважины. В то же время известен прибор и метод «виброакустической цементометрии», который относится к эхоимпульсным методам. Этот метод применяется в комбинации с каротажными методами и отличается от них более высокой оперативностью, не требует погружения датчиков в скважину и является менее затратным. Несмотря на ряд достоинств, метод требует модификации для повышения достоверности контроля, поскольку опирается на зондирование и обработку результатов измерений только на двух частотах и не использует в полной мере характеристики сигнала.
Кроме того, известный прибор также требовал доработки для повышения достоверности, поскольку работал только на двух фиксированных частотах зондирования 2,5 и 5 кГц с недостаточно высокой разрешающей способностью (1 и 0,5 м), обладал низким уровнем автоматизации и, как следствие, невысокой оперативностью. Для дальнейшего повышения достоверности и оперативности необходима разработка усовершенствованного акустического метода и прибора для контроля цементации скважин с возможностью перестройки частоты зондирования в широком диапазоне звуковых частот, адаптированного для надежной работы в полевых условиях.
В связи со сказанным выше, разработка метода и прибора для контроля цементации скважин, более полно использующего характеристики упругих волн в теле скважины, является актуальной научно-технической задачей.
Объектом исследования являются системы акустического контроля цементации скважин.
Предметом исследования являются методы и способы построения систем акустического контроля дефектов, типа отслоение цементного кольца и целостности тела скважины, на основе импульсного возбуждения упругих волн и
регистрации эхо-сигналов на оголовке скважины.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка
многочастотного акустического метода и прибора для автоматизированного контроля цементации скважин, основанного на одностороннем внешнем возбуждении и приеме (со стороны оголовка скважины) упругих волн в диапазоне частот от 1 до 20 кГц.
Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи.
-
Анализ состояния проблемы контроля цементации скважин для обоснования выбора метода контроля.
-
Разработка многочастотного акустического метода контроля цементации скважин, основанного на одностороннем возбуждении и регистрации упругих волн на оголовке скважины, учитывающего степень затухания огибающей сигнала в звуковом диапазоне частот, и локализации дефектов по отраженным эхо-сигналам, опирающегося на современные компьютерные методы обработки результатов измерений.
-
Разработка алгоритмов функционирования и структурных схем прибора для контроля цементации скважин, обеспечивающих автоматизацию измерений и оперативную выдачу информации о дефектах и степени деградации цементного кольца.
-
Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения для автоматизированного управления процессами измерений, контроля и тестирования работоспособности узлов прибора для контроля цементации скважин, обработки данных и представления результатов, которое обеспечит повышение экспрессности контроля.
-
Создание прибора для контроля цементации скважин и исследовательского стенда, включающего модель цементированной обсадной колонны с изменяемыми свойствами дефектов для отработки методик измерений.
-
Апробация разработанного метода и прибора для контроля цементации скважин на модельных и реальных объектах.
Методы исследования. При выполнении работы применялись методы низкочастотной помехоустойчивой дефектоскопии, эхо-методы и статистические методы обработки результатов измерений, геофизические методы исследования скважин, методы алгоритмизации управления процессом измерений. При разработке программного обеспечения применялась среда графического программирования LabVIEW, а при проектировании электронных блоков аппаратуры – среда Multisim.
Обоснованность и достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций. Обоснованность и достоверность результатов, полученных в диссертации, ее выводов подтверждается результатами экспериментальных исследований, согласием с результатами исследований, полученными методом акустического каротажа цементации, непротиворечивостью результатов работы известным из научно-технической литературы данным.
На защиту выносятся
1. Метод многочастотного акустического контроля цементации скважины, основанный на одностороннем возбуждении и регистрации упругих волн на оголовке скважины, вычислении зависимости коэффициента затухания сигнала от частоты зондирования в звуковом диапазоне, выделении особенностей
конструкции и дефектных зон по отраженным эхо-сигналам и сопоставлении результатов измерений, полученных в различные периоды регламентного контроля различными физическими методами.
-
Экспериментальная установка, включающая в себя прибор для контроля цементации скважин, основанный на одностороннем внешнем возбуждении и регистрации (со стороны оголовка скважины) акустических сигналов в заданном диапазоне частот от 1 до 20 кГц, с управлением от персонального компьютера в среде графического программирования, и исследовательский стенд, имеющий в составе модель цементированной обсадной колонны с изменяемыми характеристиками дефектных и бездефектных участков для отработки методик измерений и испытания разработанных метода и прибора.
-
Алгоритмическое и программно-техническое обеспечение для автоматизированного управления процессами измерений, контроля и тестирования узлов прибора, обеспечивающее более надежное функционирование прибора, обработку информативных сигналов и представление результатов в реальном масштабе времени с выявлением вероятных дефектных участков скважины.
-
Результаты экспериментальных испытаний метода и прибора на исследовательском стенде и реальных объектах.
Научная новизна заключается в следующем.
-
Разработаны метод и, на его основе, алгоритм функционирования, структурные схемы одноканальной (патент РФ № 133193) и многоканальной (патент РФ № 135155) модификаций прибора многочастотного акустического контроля цементации скважин. Метод использует многочастотное (от 1 до 20 кГц) зондирование и регистрацию отраженных эхо-сигналов на оголовке скважины, произведенное на различных стадиях регламентного контроля, и отличается: 1) вычислением зависимостей коэффициента затухания сигнала от частоты зондирования, их сравнением для оценки изменения характеристик цементной оболочки с течением времени; 2) выделением дефектных зон по времени и амплитуде отраженных эхо-сигналов, учитывающим особенности конструкции скважины и данные других каротажных методов. Создан прибор для многочастотного акустического контроля цементации скважин с возможностью выбора частоты зондирования в зависимости от свойств и длины объекта контроля.
-
Создано алгоритмическое и программно-техническое обеспечение, состоящие их двух программ. Первая программа (св. о гос. рег. пр. для ЭВМ №2014613168) служит для автоматизированного управления процессами измерений, контроля узлов аппаратуры и предварительной обработки данных. Вторая программа (св. о гос. рег. пр. для ЭВМ № 2014611721) служит для обработки, интерпретации данных и представления результатов.
-
Создан исследовательский стенд, включающий модель цементированной обсадной колонны с изменяемыми характеристиками дефектных и бездефектных участков для отработки методик измерений, программного обеспечения, калибровки и испытаний метода и прибора.
-
На основе результатов экспериментальных испытаний на исследовательском стенде и на реальных объектах выявлена связь амплитуды и степени затухания акустических эхо-сигналов с физическими характеристиками
дефектных и бездефектных участков скважины. Выявлена возможность контроля динамики развития дефектов во время эксплуатации скважины по изменению степени и характера затухания сигнала в колонне в звуковом диапазоне частот по результатам периодического контроля и аттестации.
Практическая и теоретическая значимость.
Теоретическая значимость заключается в разработанном методе оценки целостности цементного кольца скважины по комплексу информативных характеристик откликов на импульсное зондирование, произведенное с оголовка скважины в звуковом диапазоне частот.
Прибор для акустического контроля цементации скважин может быть применен для периодического мониторинга состояния цементного кольца нефтегазовых и артезианских скважин в процессе строительства и эксплуатации без их длительного останова. Реализованный в аппаратуре многочастотный акустический метод является экспрессным и малозатратным, по сравнению с каротажными методами, и применяется совместно с ними. Анализ результатов измерений с помощью разработанной программы позволяет оперативно в полевых условиях по затуханию звукового сигнала в колонне и количеству дефектов цементации оценивать возможность дальнейшей эксплуатации скважины.
Реализация работы. Прибор многочастотного акустического контроля
цементации скважин используется в учебном процессе кафедры
«Приборостроение и автоматизированный электропривод» КГЭУ, что
подтверждено соответствующим актом реализации научных исследований.
Апробация работы. Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
-
XVIII, XIX, XX Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 2012, 2013, 2014, Москва, МЭИ;
-
VI, VII, VIII, IX Международные молодежные научные конференции «Тинчуринские чтения», 2011, 2012, 2013, 2014, Казань, КГЭУ;
-
XXIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и метода контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», 2011, Казань, КВВКУ;
-
IX, Х Международные конференции «Measurement 2013, Measurement 2015», 2013, 2015, Братислава, Institute of Measurement Science SAS.
Диссертационная работа выполнялась при поддержке стипендии мэра г. Казани и стипендии Правительства РФ молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям российской экономики на 2014-2015 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, из них 2 статьи в журнале, входящем в перечень ВАК РФ, 1 статья в электронном сетевом журнале, 2 патента на полезную модель, 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ и 13 – в материалах всероссийских и международных научных конференций.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в
разработке метода контроля, алгоритмов функционирования и структурных схем модификаций системы, расчете и проектировании электронных узлов в среде Multisim, сборке прибора и исследовательского стенда. Автором разработаны алгоритмы обработки сигналов и создан пакет прикладных программ в среде LabVIEW. Автор лично проводил все измерения, первичную и статистическую обработку и анализ экспериментальных данных.
Соответствие диссертации научной специальности
Диссертация соответствует паспорту специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» по пунктам 1 («Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»), 3 («Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами») и 6 («Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представления результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля»).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 129 наименований. Работа содержит 167 страниц основного текста, 18 страниц приложений и включает 81 рисунок, 9 таблиц и 10 приложений.
Каротажные методы цементометрии ГИС
Геофизические исследования технического состояния обсадных колонн и цементного камня принято делить на две группы: общие и специальные. Специальные исследования проводят только в том случае, если режим эксплуатации сильно отличается от проектного или возникли предположения о дефектах колонны или цементации. Поэтому в данной работе они не рассматриваются. Комплекс общих исследований включает: гамма-каротаж (ГК) для привязки полученных данных к разрезу, локация муфт (ЛМ), электромагнитная дефектоскопия и толщинометрия (ЭМДС-Т), термометрия (Т), акустическая цементометрия (АКЦ), гамма-гамма цементометрия (ЦМ), и ряд других методов. Общие исследования проводят в несколько этапов. Измерения начинают после спуска кондуктора, промежуточной и эксплуатационной колонн по всей длине. В первые 24 часа после цементирования проводят термометрию для определения высоты подъема цемента. По аномальным температурам судят о заполнении цементом каверн. Комплекс ГК, ЛМ, АКЦ, ЦМ или ЭМДС-Т выполняют после полного схватывания цементного кольца, т.е. спустя 16 – 24 часа после окончания цементации.
Рассмотрим более подробно методы оценки уровня цементного кольца и качества цементирования обсадных колонн.
Методы радиоактивных изотопов. Методы основаны на гамма-излучении радиоактивных изотопов, добавляемых в цементный раствор в процессе его приготовления. Для активации раствора применяют короткоживущие изотопы (например, железа, цинка, циркония) такой концентрации, чтобы их активность не превышала допустимого уровня.
При необходимости определения только верхнего уровня, активации подвергается первая порция цемента. Для оценки высоты подъема производят измерение интенсивности гамма-излучения с помощью стандартной радиометрической аппаратуры до и после закачки цемента. Кривые накладывают друг на друга и по повышенной интенсивности отмечают верхний уровень заполнения цемента.
Недостатком метода является высокая трудоемкость работ, связанная с подготовкой активированного раствора, кроме того необходимо строго соблюдать правила техники безопасности по работе с радиоактивными веществами, поэтому технология не нашла массового применения.
Гамма-гамма цементометрия. Метод контроля основан на регистрации рассеянного гамма-излучения заколонного вещества в исследуемом интервале. Интенсивность излучения зависит от плотности материала. Основными средами рассеивания гамма-излучения в скважине являются внутрискважинная жидкость, металл колонны, цементный камень или промывочная жидкость в затрубном пространстве и горные породы. Значения излучения металла и внутрискважинной жидкости принимают постоянными, а показания гамма-гамма цементометрии рассматривают как толщины и плотности слоя цемента и горных пород в затрубном пространстве. В большинстве случаев плотность цемента значительно выше плотности окружающих пород, поэтому интенсивность регистрируемого излучения в зацементированных интервалах будет значительно ниже, чем при полном или частичном отсутствии цемента. Однако метод может дать ошибку, если плотность цементного камня мало отличается от плотности промывочной жидкости или горных пород.
Преимуществами метода являются: возможность проведения измерения в любое время после окончания цементирования (в отличие от метода изотопов); возможность измерения характера распределения цемента за колонной с помощью многоканального зонда с взаимно экранированными детекторами или одноканального зонда, вращающегося с заданной угловой скоростью.
Недостатком метода является то, что он не дает достоверной информации о герметичности затрубного пространства, т.е. о качестве сцепления цементного камня с колонной.
Термометрия скважин предназначена для исследования естественных и искусственных тепловых полей. Применительно к задаче цементометрии метод используется для определения уровня подъема цемента. Метод основан на экзотермической реакции, протекающей при затвердевании цементного раствора. Термометрия позволяет определить наличие цементного камня и установить высоту его подъема в первые 6 - 24 часа после завершения заливки цемента.
Преимуществом метода является простота реализации и эффективность при отбивке высоты подъема цемента в затрубном пространстве по сдвигу кривой на термограмме. В качестве зонда используются термометры различного принципа действия (ртутные, резистивные), обеспечивающие непрерывную запись кривой температуры.
К недостаткам метода можно отнести невозможность определения плотности сцепления цемента с колонной и характер его распределения в затрубном пространстве. Эффективность метода падает после полного затвердевания цемента. В настоящее время метод используется редко.
Акустическая цементометрия (АКЦ). Метод АКЦ основан на регистрации распределения энергии поля упругих колебаний, возбуждаемых излучателем в жидкости, заполняющей скважину, и перераспределяющихся между обсадной колонной, цементным камнем и горными породами, в зависимости от характера акустического контакта между ними. Первые измерения выполнены фирмами Schlumberger и Halliburton в 50-е годы прошлого века [44, 45, 52].
В методе АКЦ (рис. 1.5) используются поперечные волны, направленные перпендикулярно поверхности колонны (на рисунке показаны стрелками). Волны возбуждаются зондом 2, состоящим из наборов, разнесенных на расстояние друг от друга, излучающих и приемных пакетов пьезокерамики или магнитострикционных преобразователей. Частота зондирующих импульсов составляет не более 20-30 кГц.
Цементомеры обеспечивают запись следующих параметров: амплитуды сигнала, распространяющегося по колонне Ак; амплитуды сигнала, распространяющегося по породе Ап; время распространения сигнала по породе tп; Низкие значения амплитуды Ак при высоких значениях амплитуды Ап соответствуют хорошему качеству сцепления заколонного цемента с породой и стенками обсадной колонны. Промежуточные значения этих величин соответствуют частичному сцеплению цемента с колонной [23,52].
Теория первичной обработки эхо-сигналов
Анализ функционала z() позволяет принять решение о наличии (отсутствии) полезного сигнала путем сравнения z() с пороговым уровнем z0 при всех значениях на некотором априорном интервале Та, а также измерить значение 0 путем поиска точки , в которой z() принимает максимальное значение.
Точное значение 0 фиксируется в момент пересечения производной dz()/d нулевого уровня сверху вниз. При наличии флюктуаций происходит отклонение точки от истинного значения 0. Среднеквадратичное значение флюктуационной ошибки (-0) характеризует качество измерительного процесса. Примеры вычисления в среде LabVIEW функции корреляции сигнала с отношением сигнал/шум=0,25 приведены в Приложении 1 диссертации. Под шумом здесь понимается среднеквадратичное значение (с.к.з.) амплитуды шума.
Снижение флюктуационных ошибок обеспечивается путем операции их усреднения в процессе межпериодной обработки сигнала. Алгоритм усреднения ошибок сводится к вычислению среднеарифметического значения оценки от некоторой опорной точки, например, середины строба по данным предыдущих измерений. На интервале наблюдений Тн результат усреднения имеет вид:
Представление выражения (2.13) в рекуррентной форме описывает алгоритм обработки данных в следящем измерителе с астатизмом первого порядка. Существуют и более сложные по математическому составу измерители.
Современные программные пакеты [97] позволяют организовать описанные выше алгоритмы межпериодного накопления, внутрипериодной обработки, обнаружения сигнала на априорном интервале, оценку погрешностей, фильтрацию на каждом шаге измерения [71]. Программная реализация приема и обработки полезного эхо-сигнала от дефектов цементации колонны скважины будет подробно описана в 4 и 5 главах диссертации.
Упругие волны возбуждения, распространяясь в стальной трубе, через ее наружную поверхность взаимодействуют с внешней цементной оболочкой, а через цементную оболочку – и с окружающей скважину породой. Цементная оболочка выступает для колеблющихся элементов стальной трубы массивной нагрузкой. На тех участках скважины, где сцепление (адгезия) цемента крепкое, нагрузка больше, а на других участках со слабым сцеплением или полным его отсутствием – нагрузка мала. Следовательно, акустический импеданс среды с распределенными параметрами в виде системы «стальная труба - цементная оболочка» () при движении вдоль ее оси по координате является переменной величиной. На тех участках системы, где импеданс () претерпевает достаточно сильные изменения, возникают отраженные волны. Таким образом, двигаясь вдоль скважины, затухая с коэффициентом затухания , акустическая (упругая) волна частично отражается от неоднородностей (дефектов) и частично проходит до конца трубы, где тоже отражается с потерями.
Для четкого описания физических процессов, происходящих в протяженной распределенной системе «стальная труба – сцепленный с ней цементный слой», необходимо представить в приближении, сохраняющем основные свойства системы, ее математическую модель.
Ставится задача описания распространения упругих продольных волн вдоль стальной трубы, внешняя поверхность которой окружена равномерным слоем защитного цемента. На некоторых участках трубы имеются кольцевые дефекты с отсутствием сцепления цемента со стальной трубой или значительным утоньшением цементной оболочки. Для упрощения задачи предполагается, что стальная труба с цементной оболочкой на каждом участке трубы образуют нечто единое целое, которое можно характеризовать по таким физическим характеристикам, как плотность среды , скорость распространения звука , одним числом. Здесь имеется в виду, что, поскольку толщина стенки стальной трубы ( =1 см) и цементной оболочки (до 20 см) меньше длины волны зондирующего звука , в системе будут распространяться только продольные волна. В научно-технических публикациях, например, в [24] считается, что другие типы волн в слоистых системах могут возникнуть при 2 .
Схема распределения характеристик объекта по его длине: в нижней части рисунка указаны координаты границ объекта Источник звуковых волн (кратко, передатчик) расположен в области 1 в точке с координатой х1 = - х0. Начальная амплитуда волны равна щ. Там же, при х1 = — х0, находится приемный датчик, который регистрирует отраженную волну 1. На первой, левой, границе двух сред с координатой х2 = 0 стыкуются два отрезка цементированной трубы с разным сцеплением сталь-цемент и с разными значениями акустического импеданса Z1 Z2, где Z1 = Р1С1, Z2 = Р2с2. Вторая граница дефекта находится на расстоянии / правее координаты х2 = 0 при х3 = /. Там начинается третий участок трубы с импедансом Z3 = Z1. Описываемая ситуация соответствует наличию кольцевого дефекта цементации длиной I.
Будут рассмотрены два случая: а) затухание волн слабое, так что им можно пренебречь; б) с учетом затухания волн. Граничные условия. На границе должны быть непрерывными: 1) скорость частиц на границе 1-2: щ = й2; на границе 2-3: щ = й2. 2) избыточное акустическое давление на границе 1-2: р1 = р2; на границе 2-3: р2 = р3. Поскольку рассматриваются объекты большой протяженности, анализируются только однократные отражения от дефектов, расположенных вдоль трубы. Решение уравнений без учета затухания в общем виде. Волна в среде с импедансом Z1 = Р1С1, где р1 - плотность и с1 - скорость распространения волны среды 1, падает нормально на границу, отделяющую первую среду от второй среды с акустическим импедансом Z2 = р2с2. Обозначим индексом і падающую волну, индексом г - отраженную, и индексом t - прошедшую волну. Тогда граничные условия можно сформулировать следующим образом:
Конструкция пьезоэлектрических преобразователей
В этом разделе описаны основные задачи, решенные при проектировании и реализации приемного тракта аппаратуры. Зондирующий импульс и отраженный от дефектов системы металл цемент сигнал эхо преодолевают большие расстояния. Поэтому амплитуда сигналов эхо может стать очень малой и сопоставимой с шумами самой скважины. Возможна и противоположная ситуация, когда в ближней зоне отраженный сигнал имеет большую амплитуду и насыщает усилительный каскад приемника. В этом случае сигнал срезается по амплитуде. Прием и выделение полезного сигнала на фоне собственных шумов скважины, а также вопросы регулирования времени парализации (зоны нечувствительности) приемника являются сложной инженерной задачей, связанной с использованием аппаратных и программных средств. Собственные шумы скважины могут возникать из-за движения и деформации пластов, микросейсмических колебаний земной коры, перетекания подземных источников, работы насосного и бурового оборудования и т. д. Спектры перечисленных шумов имеют максимум в диапазоне от 0,2 до 2 кГц. Для оценки частотного состава шумов на этапе проектирования предварительных усилителей нами реализована программа «спектр шумов.VI» (рис 3.15) в среде LabVIEW [124,125].
Программа позволяет открыть записанный ранее диктофоном шумовой файл в формате «.WAV», отобразить форму сигнала (верхний график) и спектр сигнала (нижний график рис. 3.20). Были исследованы следующие типы шумов: шум воды в скважине (2 кГц), шум насосного оборудования (13кГц), шум от порывов ветра (0,5-1,5 кГц). Стоит отметить, что скважины с негерметичной устьевой арматурой характеризуются широким спектром шумов от нескольких герц до десятков килогерц. Их исследование не является задачей диссертации, и решение о возможности проведения измерений должно приниматься индивидуально в зависимости от интенсивности и спектрального состава шумов, а также декремента затухания сигнала.
Перечислим основные требования к приемному тракту проектируемой аппаратуры. Для увеличения отношения сигнал/шум усилитель сигнала помещен в корпусе приемника в непосредственной близости от него. Соединения от датчика до усилителя и от усилителя до разъема приемника необходимо выполнять максимально короткими проводниками. Для уменьшения помех использован экранированный кабель между приемником и входом АЦП. Усилитель сигнала выполнен на базе операционных усилителей с большим коэффициентом подавления синфазных помех. Ограничение полосы пропускания рабочих частот обеспечивается с помощью фильтров.
Активные фильтры. При использовании в фильтре операционного усилителя можно синтезировать характеристику любого RLC-фильтра без применения катушек индуктивности. Активные фильтры можно использовать для реализации фильтров нижних и верхних частот, полосовых и полосноподавляющих фильтров, выбирая тип фильтра в зависимости от наиболее важных свойств, как максимальная равномерность усиления в полосе пропускания, крутизна переходной области или независимость времени запаздывания от частоты. Наиболее часто используются следующие схемы фильтров: фильтр Баттерворта (максимально плоская характеристика в полосе пропускания), фильтр Чебышева (наиболее крутой переход от полосы пропускания к полосе подавления) и фильтр Бесселя (максимально плоская характеристика времени запаздывания). Для проектирования фильтров применяют специальные таблицы, где, задаваясь порядком фильтра, подбирают коэффициенты усиления звеньев К и нормирующие множители fn. По коэффициентам усиления подбирают сопротивление обратной связи [89].
При реализации в схеме использован операционный усилитель LM358N, однополярный источник питания на 12 В и предусмотрен стабилизатор напряжения MC7805CT. Максимальный коэффициент усиления по напряжению составил 67 дБ. Трассировка дорожек для изготовления печатной платы проводилась в программе Dip Trace [91].
Пьезокерамический датчик представляет собой цилиндр с внутренним диаметром 30 мм. Внутри корпуса датчика располагается также усилитель. Для уменьшения габаритов приемного полосового усилителя (рис. 3.23, 1а,1б) использована технология поверхностного монтажа SMT (от англ. surface mount technology). Снижение размеров платы достигнуто за счт отсутствия выводов у компонентов, уменьшения их длины и площади контактных площадок, что значительно улучшило качество передачи слабых сигналов, снизило паразитную емкость и индуктивность выводов [92]. Рис. 3.23. Полосовой усилитель (вид сверху – 1а и снизу – 1б) и широкополосный усилитель – 2 Второй усилитель – широкополосный, выполнен на базе малошумящего операционного усилителя TL072CN1 (рис. 3.24). Коэффициент усиления по напряжению составил 46 дБ. В отличие от предыдущей схемы (рис. 3.21), двухполярное питание выполнено не смещением нулевой точки сигнала, а на базе DC-DC преобразователя P6CU-05122LF.
Проверка работоспособности усилителей проведена на собранном приборе многочастотного акустического контроля цементации в следующей последовательности. Чувствительный элемент приемника плотно крепился струбциной к чувствительному элементу передатчика («торец к торцу»), после чего на обкладки передатчика подавался импульс, состоящий из 10 периодов синусоиды переменной амплитуды 0,1 – 2 кВ и частотой f0 0,5 – 20 кГц. Отклик приемника на акустическое воздействие регистрировался АЦП, подключенным к предварительному усилителю. Форма отклика выводилась на монитор компьютера с помощью программы, написанной в среде LabVIEW. Особое внимание уделялось частоте и максимальной амплитуде сигнала. Амплитуда, при которой приемный усилитель начал уходить в насыщение (срезать пики), составила 5 В. При этом в области затухания сигнала (амплитуда меньше 5 В) форма отклика осталась без искажений. Детектированная частота отклика соответствовала частоте зондирующего импульса. Измеренные амплитудно-частотные характеристики приведены на рис. 3.25.
Структурная схема прибора многочастотного акустического контроля цементации скважин
Оценка погрешности автоматизированной системы акустического контроля цементации скважин проводилась вероятностно-статистическим методом, определенным ГОСТ Р 8.736-2011, предусматривающим определение погрешности по характеристикам законов распределения погрешностей средств измерений в составе системы [109].
Для оценки результатов измерений было проведено 20 наблюдений откликов на зондирование стального трубопровода, одетого в деревянный каркас. Зондирование осуществлялось на частоте /0 = 10 кГц. Каждый сигнал накапливался п = 10 раз. После обработки в программе «Wеll logging data processing» оценивались погрешности следующих параметров: коэффициент затухания звука (), амплитуда принятого сигнала Х, площадь принятого сигнала 5, амплитуда зондирующего сигнала Uвозб. Обработка проводилась по следующим формулам:
где, дат, и ацп - границы неисключенной систематической погрешности пьезоэлектрического датчика и АЦП, соответственно, и составляют: дат ± 1,1 мВ, ацп ± 3,1 мкВ. Исходя из этого, имеем: = 1,21 мВ.
Результаты оценки погрешности измерений: коэффициента затухания звука, амплитуды принятого сигнала, площади принятого сигнала, амплитуды зондирующего сигнала сведены в таблицу 5.1.
Проверяем неравенство: /() 0,8. Максимальное значение частного из всех контролируемых величин составило 0,313 для амплитуды принятого сигнала Xi. Поэтому неисключенными систематическими погрешностями по сравнению со случайными пренебрегаем и принимаем, что граница погрешности результата измерения составила = .
С учетом рассчитанных значений (таблица 5.1) для разработанного прибора погрешности измерений составили: 1. Коэффициент затухания звука с = ± 410-4 м-1, при доверительной вероятности P=0,95 при результатах измерений = 629,5210-4; 2. Амплитуда принятого сигнала с = ± 8,1 мВ, при доверительной вероятности P=0,95 при результатах измерений = 2,611 В; 3. Площадь принятого сигнала с = ± 39,38 усл.ед, при доверительной вероятности P=0,95 при результатах измерений = 13648,28 усл.ед.; 4. Амплитуда зондирующего сигнала с = ±1,96 В, при доверительной вероятности P=0,95 при результатах измерений = 1560,14 В; Проведена оценка повторяемости (воспроизводимости) экспериментальных данных. После каждого измерения датчики снимались и устанавливались вновь на те же посадочные места, что моделировало условия проведения экспериментов в реальных условиях. Проведено 20 измерений. Результат сравнения четырех параметров, описанных выше показал, что их значения находится в интервале доверительной вероятности P=0,95, что также показывает хорошую воспроизводимость результатов.
Для испытаний на исследовательском стенде прибор был подготовлен для проведения измерений, стенд и нагружающие его оболочки были собраны. Детальное описание техники безопасности проведения измерений, подготовки прибора к работе и режимы его работы описаны в Приложении 7 диссертации.
План испытаний на исследовательском стенде состоял из следующих этапов: 1) проверка наличия сигнала эхо от конца трубы и границ нагружающих оболочек; 2) определение зависимости коэффициента затухания звука от степени сцепления трубопровода с каркасом; 3)определение зависимости коэффициента затухания звука от частоты зондирования f0; 4) определение зависимости коэффициента затухания звука от местоположения внешней оболочки (каркаса);
Нами были проведены серии измерений на стенде, с последующим расчтом коэффициента затухания звука в трубопроводе, координат местоположения каркаса и цементных оболочек [128]. Отметим, что по пункту 1, а именно, проверка наличия сигнала эхо от конца трубы и границ нагружающих оболочек показала, что сигналы эхо возникают всегда.
Серия измерений 1. Опыты проводились следующим образом. Первоначально измеряли затухание звука на свободном трубопроводе на заданных частотах f0. Затем измеряли затухание звука на трубопроводе, полностью лежащем на подложке из нижней части каркаса (имитация частичного сцепления) – сцепление 50 %.
Затем зажимали трубопровод постепенно, посекционно, начиная с противоположного, дальнего торца от места установки датчиков, и измеряли затухание звука на всех заданных частотах f0. Результаты измерений представлены на рис. 5.10, 5.11 и 5.12. При каждом измерении сигнал копился 10 раз. Погрешность измерения с = ± 410-4. Аппроксимировать кривую можно экспонентой = 0,005e0,095X, где X -степень сцепления каркаса с трубопроводом, R2 = 0.911 - коэффициент корреляции. Из рис. 5.11 видно, что затухание звука увеличивается по мере увеличения площади сцепления трубопровода с каркасом.