Информационно-измерительная система дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов в полевых условиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат наук Атауллин Фанзиль Рауфович

• Атауллин Фанзиль Рауфович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Атауллин Фанзиль Рауфович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ СКВАЖИННЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО, АКУСТИЧЕСКОГО И РАДИОАКТИВНОГО КАРОТАЖА

1.1 Обзор и анализ известных работ в области диагностики скважинных геофизических приборов электрического, акустического и радиоактивного каротажа

1.1.1 Анализ методов и средств диагностики скважинных геофизических приборов электрического каротажа

1.1.2 Анализ методов и средств диагностики скважинных геофизических приборов акустического каротажа

1.1.3 Анализ методов и средств диагностики скважинных геофизических приборов радиоактивного каротажа

1.1.4 Анализ вариантов реализации дистанционного управления процессом диагностики

1.2 Постановка задач исследований

Результаты и выводы по главе

Глава 2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ИНФОРМАЦИОННО -ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ И АНАЛИЗ СПОСОБОВ ДИАГНОСТИКИ СКВАЖИННЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО, АКУСТИЧЕСКОГО И РАДИОАКТИВНОГО КАРОТАЖА

2.1 Математическая модель процесса дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов радиоактивного каротажа

2.2 Математическая модель процесса дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов электрического каротажа

2.3 Математическая модель процесса дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов акустического каротажа

Результаты и выводы по главе

Глава 3 РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ПРИБОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО, АКУСТИЧЕСКОГО И РАДИОАКТИВНОГО КАРОТАЖА

3.1 Разработка обобщенной структурной схемы информационно -измерительной системы дистанционной диагностики приборов электрического, акустического и радиоактивного каротажа

3.2 Разработка блока беспроводного канала приема и передачи данных

3.3 Разработка информационно-измерительной системы дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов электрического каротажа

3.3.1 Разработка структурно-функциональной схемы информационно-измерительной системы дистанционной диагностики приборов электрического каротажа

3.4 Разработка информационно-измерительной системы дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов акустического каротажа

3.4.1 Расчёт частотных и амплитудных характеристик электроакустических преобразователей

3.4.2 Исследование форм и диаграммы направленности электроакустических преобразователей для задачи дефектоскопии

3.4.3 Разработка принципа построения информационно-измерительной системы дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов акустического каротажа

3.4.4 Анализ способа диагностики в LabView

3.5 Разработка информационно-измерительной системы дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов радиоактивного каротажа

3.5.1 Выбор структурной схемы информационно-измерительной системы дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов радиоактивного каротажа

3.5.2 Анализ математической модели взаимодействия полей нейтронов в имитаторе стандартного образца

3.5.3 Математический анализ информационно-измерительной системы дистанционной диагностики приборов радиоактивного каротажа в программе MNCP

Результаты и выводы по главе

Глава 4 ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ СКВАЖИННЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1 Разработка программного обеспечения информационно-измерительной системы дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов электрического каротажа и экспериментальные исследования

4.2 Анализ и разработка программного обеспечения для работы информационно-измерительной системы дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов акустического каротажа

4.2.1 Разработка функциональной модели информационно-измерительной системы диагностики скважинных геофизических приборов акустического каротажа

4.2.2 Разработка структурно-функциональной модели информационно-измерительной системы диагностики приборов акустического каротажа

4.2.3 Разработка информационной модели

4.2.4 Разработка базы данных

4.3 Экспериментальные исследования информационно-измерительной системы дистанционной диагностики скважинных приборов радиоактивного каротажа

4.3.1 Оценка погрешности диагностики приборов радиоактивного

каротажа

Результаты и выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационно-измерительная система дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов в полевых условиях»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Геофизические приборы в сложных полевых условиях Крайнего Севера и Западно-восточной Сибири нуждаются в тестировании и диагностических работах перед спуском в скважину с целью повышения достоверности геофизических исследований скважин (ГИС). Для проведения подобных работ требуются мобильные испытательные средства определения работоспособности скважинных геофизических приборов (СГП) в полевых условиях их эксплуатации.

Существующие методы и средства диагностики СГП не предназначены для оперативной проверки их работоспособности перед спуском в скважину. В большей степени они нацелены на сопровождение ремонтных работ и калибровок СГП в лабораторных условиях. К этим средствам диагностики можно отнести КИП-НК - средство проверки на работоспособность СГП нейтронного каротажа (НК) и гамма каротажа (ГК), магазины сопротивлений и калибровочные индукционные кольца - для приборов электрического каротажа (ЭК), специальные акустические волноводы и акустические ванны - для приборов акустического каротажа (АК).

Созданию и развитию различных способов диагностики СГП, разработке имитаторов и стандартных образцов (СО) посвящены работы ученых: Лобанкова В.М. на базе предприятия ГУП ЦМИ «УралГео» (г. Уфа), Коровина В.М. в АО НПФ «Геофизика» (г. Уфа), Велижанина В.А. в ОАО НПФ «Тверьнефтегеофизика» (г. Тверь) и др.

Отсутствие единой автоматизированной системы контроля и унифицированных методик диагностики требует больших временных и экономических затрат при подготовительных работах на скважине.

В связи с этим становятся актуальными работы по оперативной диагностике работоспособности СГП перед спуском в скважину. Особенно в этом нуждаются СГП ЭК, АК, РК, как наиболее распространенные средства исследования скважин.

Целью диссертационной работы является повышение работоспособности скважинных геофизических приборов в полевых условиях, на основе исследований и разработок информационно-измерительных систем (ИИС) дистанционной диагностики датчиков и электронных узлов геофизических приборов электрического, акустического и радиоактивного каротажа, и усовершенствования имитаторов стандартных образцов, максимально возможно имитирующих условия, при которых осуществляется дистанционная диагностика работоспособности приборов.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

- провести критический анализ способов диагностики скважинных геофизических приборов электрического, акустического и радиоактивного каротажа в полевых условиях;

- исследовать существующие имитаторы стандартных образцов для приборов электрического, акустического и радиоактивного каротажа и предложить усовершенствованные модели имитаторов, воспроизводящих среду скважинного пространства;

- разработать способ дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов акустического каротажа в полевых условиях;

- получить формулу для определения коэффициента корреляции, позволяющую определить степень соответствия диагностируемого сигнала эталонному сигналу для приборов акустического каротажа;

- разработать имитационную модель ИИС диагностики скважинных геофизических приборов акустического каротажа для решения задач по автоматизации процесса диагностики в полевых условиях;

- разработать ИИС с контактными зондами для диагностики скважинных геофизических приборов электрического каротажа и определения их работоспособности перед спуском в скважину, с целью оперативного контроля геофизических приборов с измененными в процессе работы или при транспортировке градуировочными характеристиками (ГХ);

- построить математическую модель активационного фона наведенного нейтронного/гамма поля в имитаторе стандартного образца водонасыщенной пористости, для ИИС дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов радиоактивного каротажа;

- провести эксперименты с целью анализа и оценки влияния геометрических параметров имитатора стандартного образца водонасыщенной пористости на величину активационного фона наведенного нейтронного/гамма поля, создаваемого источником ионизирующего излучения (далее источник нейтронов) в ИИС дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов радиоактивного каротажа.

Методы исследований

Поставленные задачи решались путём анализа и обобщения методов контроля и испытания разработанных действующих моделей систем дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов электрического, акустического и радиоактивного каротажа.

В теоретических исследованиях были использованы методы математического моделирования процесса диагностики и имитации условий околоскважинного пространства при проведении ГИС средствами электрического, акустического и радиоактивного каротажа. Для сравнительного анализа данных были использованы пакеты программ LabView, MathCad и MNCP.

Научная новизна:

- Предложена ИИС дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов электрического каротажа с контактными зондами на основе имитатора электролитических стандартных образцов, отличающаяся возможностью дистанционного управления с подключением эталонных резисторов к электродам скважинных геофизических приборов электрического каротажа;

- Разработана ИИС дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов акустического каротажа с биморфными пьезодатчиками, повторяющими форму боковой поверхности прибора и обеспечивающими плотное прилегание излучающей и принимающей поверхностей за счёт

мелкодисперсного демпфера, отличающаяся тем, что позволяет в автоматизированном режиме смоделировать акустический сигнал для диагностики работоспособности измерительных зондов и регистрировать акустический сигнал с излучающих зондов, осуществляя сравнение измеренных сигналов с эталонными сигналами, и по расхождению судить о работоспособности диагностируемого прибора акустического каротажа;

- Разработана математическая модель взаимодействия нейтронов внутри имитатора стандартного образца водонасыщенной пористости на основе метода Монте-Карло, отличающаяся тем, что позволяет рассчитать параметры имитатора для воспроизведения активационного фона наведенного источником нейтронов, необходимого для диагностики скважинных геофизических приборов радиоактивного каротажа.

Практическая ценность работы

Разработан макет имитатора стандартного образца водонасыщенной пористости для ИИС дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов радиоактивного каротажа в полевых условиях.

Разработаны программный комплекс и база данных ИИС дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов акустического каротажа, позволяющие оценить работоспособность приборов по расхождению от допустимых пределов значений интервального времени и коэффициентов затухания акустических волн.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- ИИС дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов электрического каротажа с контактными зондами, позволяющая повысить качество геофизических исследований и сократить экономические потери при отказах приборов в полевых условиях;

- способ дистанционной диагностики измерительных и излучающих зондов геофизических приборов акустического каротажа, позволяющий выявлять дефекты излучающих и измерительных зондов непосредственно до и после измерений на нефтегазовых скважинах;

- ИИС дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов радиоактивного каротажа, позволяющая в автоматизированном режиме воспроизводить активационный фон наведенного нейтронного/гамма поля, регистрируемого диагностируемым прибором радиоактивного каротажа, и оценить его работоспособность в полевых условиях.

Результаты диссертационной работы «ИИС дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов в полевых условиях» внедрены в учебный процесс в НОУ УНЦ "Геофизика" (акт о внедрении от 24.11.2017) и в производственный процесс в АО «Башнефтегеофизика» (акт о внедрении от 8.12.2017) [Приложения А и Б].

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, Россия, 2011, 2012, 2013); Международной научно-практической конференции «ИТНП-2013» (г. Самара, Россия, 2013); VIII Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, Россия, 2013); VI и VII молодежных научно-практических конференциях "Геофизика - фундамент геологоразведки. Инновационные технологии в промысловой геофизике", посвященной 80-летию ОАО «Башнефтегеофизика» (г. Уфа, Россия, 2013); X Молодежной научно-практической конференции «Разведочная и промысловая геофизика: проблемы и пути их решения» (г. Уфа, 2015).

Публикации. Список публикаций по теме диссертации включает 13 научных трудов, в том числе 4 работы - в журналах из списка ВАК, 1 патент РФ на изобретение, 8 материалов научных конференций, из которых 1 статья из списка ВАК и 3 тезисов докладов научных конференций опубликованы без соавторов. Перечень публикаций автора приведен в диссертации в полном объеме.

В работах, выполненных в соавторстве, соискателем лично получены следующие результаты:

- в работе [81] разработано устройство дистанционной диагностики приборов электрического каротажа;

- в работе [86] представлены результаты экспериментальных исследований ИИС дистанционной диагностики приборов электрического каротажа;

- в работах [84, 85, 89] представлены имитационная модель ИИС дистанционной диагностики геофизических приборов акустического каротажа, результаты диагностики и определения работоспособности диагностируемых приборов акустического каротажа МАК-2 и МАК-3;

- в работах [80, 83, 90] разработан способ дистанционной диагностики приборов акустического каротажа;

- в работах [82, 88] представлена математическая модель активационного фона наведенного нейтронного/гамма поля в разработанном имитаторе стандартных образцов водонасыщенной пористости для ИИС дистанционной диагностики приборов радиоактивного каротажа;

- в работе [91] представлены результаты экспериментальных исследований ИИС дистанционной диагностики приборов радиоактивного каротажа.

- в работе [92] обобщены результаты диссертационной работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех

глав, заключения, списка литературы и 4 приложения. Содержит 150 страниц машинописного текста, 78 рисунков, 11 таблиц.

Глава 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ СКВАЖИННЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО, АКУСТИЧЕСКОГО И РАДИОАКТИВНОГО

КАРОТАЖА

В данной главе выполнен обзор и анализ работ в области способов и средств диагностики и проверки работоспособности СГП ЭК, АК, РК как отечественного, так и зарубежного производства [96-98]. Рассмотрены варианты существующих имитаторов параметров исследуемой среды (скважинных сред и объектов) и произведен их сравнительный анализ. Осуществлена постановка задач исследований.

1.1 Обзор и анализ известных работ в области диагностики скважинных геофизических приборов электрического, акустического и радиоактивного каротажа

Геофизические исследования, проводимые СГП ЭК, АК, РК являются одними из наиболее важных методов получения геофизической информации в бурящихся скважинах на нефть и газ. Исходя из этого, незамеченный отказ либо выход из строя прибора во время ГИС крайне нежелательны и могут привести к значительным материальным затратам для обслуживающей компании. Часто эксплуатация приборов ведётся в условиях Крайнего Севера, где диагностика СГП перед спуском на скважину и его ремонт, являются достаточно сложной задачей для обслуживающего персонала.

В ходе анализа на местах проведения ГИС, было установлено, что СГП перед спуском в скважину иногда не проверяются и даже не включаются, для того чтобы оценить его работоспособность и определить наличие обмена данными между СГП и персональным компьютером оператора. Чаще всего указанные недостатки в технологии проведения ГИС связаны с недостаточной квалификацией персонала, выполняющих геофизические исследования с СГП электрического, акустического и радиоактивного каротажа.

1.1.1 Анализ методов и средств диагностики скважинных геофизических приборов электрического каротажа

Диагностика измерительных каналов СГП ЭК осуществляется при помощи электролитических стандартных образцов, или имитаторами удельного электрического сопротивления (УЭС). Для обнаружения самого распространенного дефекта зондов СГП ЭК - утечек в электродах, чаще всего СГП помещают в контрольные скважины либо эталонные модели пластов [29].

Впервые эталонные модели пластов стали применять в 1968г. По внешнему виду, это стальная емкость с диаметром 8 м и высотой 8 м (~ 400 м3 воды), внутри которой находиться раствор хлористого натрия. Эта модель пласта имитирует УЭС от 0,5 до 50 Омм [9].

Испытание на работоспособность в электролитических пластах [34] даёт возможность провести диагностику по всему измерительному тракту, в том числе и самого зонда, и при этом есть также возможность калибровать имитаторы УЭС. При этом есть два существенных недостатка:

- для градиент-зондов с габаритными размерами более 2м, отсутствует возможность контроля параметров, поскольку известные [34] электролитические модели пластов имеют ограниченные размеры;

- изготовление равномерно распределённого по объёму имитатора электролитического пласта УЭС менее 50 Омм, в составе которого присутствует питьевая вода в достаточно огромном объеме, довольно затруднительно. По этой причине проведение калибровок при помощи стандартных образцов УЭС возможно только для тех зондов, у которых в начале диапазона измерений, влияние краевых эффектов электролитической модели пренебрежимо мало [34].

Вследствие этих недостатков, на практике чаще используют электронные имитаторы УЭС. Они позволяют проводить диагностику в лабораторных условиях, не погружая СГП ЭК в эталонные модели пластов.

На рисунке 1 представлен имитатор УЭС и его схема, которая воспроизводит движение электрического поля внутри однородной среды,

вследствие которого, на выходе СГП ЭК получают сигнал со значением УЭС, идентичный тому, который задан в однородной среде с известным значением УЭС.

Описанные имитаторы впервые стали использоваться самими разработчиками СГП ЭК с 1998 года. Эти имитаторы представляют из себя электрическую цепь из эталонных магазинов сопротивлений, которые подключаются к зондам СГП ЭК, и обозначаются как A, M, N и В градиент- и потенциал-зонды [55].

Выражение для определения значения УЭС при помощи этого имитатора выглядит следующим образом:

р1м — К.

гы

Я2 ' Я3

Я1 + Я2+ Я 3,

(1)

где К^ - номинальное значение коэффициента зонда; R1, Я2 и R3 номиналы резисторов магазинов сопротивления.

Рисунок 1 - Схема имитатора УЭС для диагностики зондов микрокаротажа (МК),

бокового микрокаротажа (БМК)

Схема имитатора УЭС в виде резисторов (магазинов сопротивлений), которые подключается к центральному электроду зонда бакового каротажа (БК) «Ао», одному из экранных электродов зонда «Аэ», удаленному электроду «№> (на «косе») и оплетке геофизического кабеля - электроду «В», изображена на рисунке 2.

Выражение для определения значения УЭС при помощи этого имитатора выглядит следующим образом [9]:

рм — ' Яо

(2)

где К^ - значение коэффициента зонда; Rо - сопротивление резистора (магазина сопротивления) в цепи центрального электрода.

Рисунок 2 - Электрическая схема имитатора УЭС для калибровки зондов БК

Известен имитатор для СГП ЭК 2БК-3/5-А [73], производства фирмы «Тверьнефтегеофизика», который показан на рисунке 3(а). Процесс проверки осуществляется путем подключения магазинов сопротивления Р4834 при помощи соединительных проводов и зажимов, показанных на рисунке 3(б).

а б

Рисунок 3 - Имитатор для СГП ЭК 2БК-3/5-А

Известен калибровочный комплект производства ООО «НЕФТЕГАЗГЕОФИЗИКА» и ЗАО НПФ «КАРОТАЖ» для прибора электрического каротажа, с магазином сопротивлений предназначенного для калибровки прибора электрического каротажа, который показан на рисунке 4 [9].

Рисунок 4 - Калибровочный комплект для поверки прибора ЭК

С помощью специального кабеля прибор электрического каротажа (без зондового устройства) подключается к калибровочной панели, которая обеспечивает необходимую коммутацию магазинов сопротивлений с входными цепями прибора для проведения калибровочных процедур.

Таким образом, при сравнительном анализе способов и средств поверок и диагностики СГП ЭК установлено, что недостатком существующих методов диагностики с помощью имитаторов УЭС является то, что с их помощью диагностика СГП ЭК осуществляется в условиях производственных помещений и лабораторий. Помимо этого, существенным недостатком является использование соединительных проводов и ручной режим диагностики, что в полевых условиях увеличивает вероятность переменных контактов, ошибок в соединениях при диагностике СП ЭК.

1.1.2 Анализ методов и средств диагностики скважинных геофизических приборов акустического каротажа

Средства для поверки и калибровки СГП АК, которые созданы в Российской Федерации и за рубежом, предназначены для измерения таких параметров, как скорость распространения Ур и эффективное затухание ар продольной головной волны.

В зарубежных фирмах первичные средства включают контрольные аттестованные скважины, в которых в единых условиях проходят аттестацию все производимые фирмами СГП АК. Контрольные скважины, имеющиеся на многих геофизических предприятия РФ служат для проверки работоспособности СГП АК и обучения персонала. Одним из основных элементов обеспечивающих метрологическую аттестацию СГП АК является акустические волноводы.

Акустические волноводы представляют собой аттестованные трубы, изготовленные из различных материалов, например из стали, стеклопластика, асбоцементных и полиэтиленовых труб, которые заполняются водным раствором. Эти волноводы чаще всего помещают в шахту или контейнер в виде трубы с диаметром (0,6^0,8). Для настройки аппаратуры АК на наличие контакта с

цементным камнем используется стандартный образец (СО) зазора (100 мкм) между обсадной колонной и цементным камнем. При создании давления в колонне восстанавливается контакт с цементным камнем [34]. Схема акустических волноводов показана на рисунке 5.

Асбоцементная труба Стальная труба

Рисунок 5 - Схема трубного волновода для диагностики СГП АК

Контроль работоспособности СГП в процессе скважинных измерений повсеместно выполняется в интервалах незацементированной обсадной колонны, значение интервального времени АТ в берется равным 182+2 мкс/м. Параметры эталонных волноводов показаны в таблице 1.

Таблица 1 - Технические характеристики трубных волноводов

Номер образца Материал -носитель свойств Внутренний диаметр волновода, мм Интерваль ное время, мкс/м Коэффициент затухания (на f=20 кГц), дБ/м

№ 1 Сталь (125±2) 182±1 (2,5 ±3,0)

№ 2 Асбоцемент (135±2) 330±2 (2,0±3,0)

№ 3 Стеклопластик (115±2) 352±2 (6,0±6,5)

№ 4 Полиэтилен (145±2) 540±3 (13,0±15,0)

Калибруется СГП АК путём прямого измерения интервала времени, по которому распространяется акустическая волна и значение коэффициента её затухания в акустических волноводах. СГП АК устанавливают по центру. Производится разовое измерение интервала времени распространения и коэффициента затухания сигнала [34].

Поверочная схема для аппаратуры АК приведена в источнике [33].

Недостатком этого метода диагностики зачастую является довольно большое затухание ультразвуковых колебаний на внутренней стенке трубы из-за наличия на ней пузырьков воды, если не выполняется условия дегазации воды методом выдержки воды в волноводе не менее 3-х суток с последующей очисткой внутренней поверхности волновода от пузырьков воздуха.

Установка УПАК-2м (рисунок 6), частично решает вышесказанную проблему [71].

Установка УПАК-2м создаёт и производит измерение акустического давления с внешней стороны стальной трубы с помощью накидного магнитострикционного датчика. А сам СГП АК устанавливают по центру стальной трубы, длина которого составляет от 4 до 6 м, при давлении 5 МПа.

Конструктивно установка УПАК-2м имеет вид стального цилиндрического корпуса, габариты которой по диаметру 5,2 м, по высоте от 4 и до 6 метров, а внутри неё по центру устанавливается стальная труба, со своим диаметром 1,68 м.

Зонд АК

Привод внешнего акустического преобразователя

Рисунок 6 - Установка УПАК-2м со стальным волноводом

При выполнении настроек нескольких излучателей СГП АК на параметр идентичности, т.е. создаваемого акустического давления над каждым излучателем, подвижный преобразователь выполняет операцию измерения акустических волн, и при этом обязательно должен быть установлен прямо перед настраиваемым излучателем СГП АК в момент максимального режима его работы.

Аналогично, при выполнении настроек приемных зондов СГП АК на параметр идентичности, т.е. соответствия характеристик величины акустического давления над каждым приемником в электрический сигнал, подвижный датчик устанавливают строго напротив настраиваемого приемного зонда СГП АК в момент максимальной величины амплитуды выходного сигнала. А неидентичность выходных сигналов с приемных зондов снижают путем настройки коэффициента усиления в одном из измерительных каналов любого приемника.

В более современных СГП АК неидентичность акустических преобразователей, идентифицируют при помощи установки УПАК-2м, а её влияние оценивают с помощью программного обеспечения [33].

Влияние воздуха из-за которого возникают погрешности при измерении акустических параметров внутри волновода, вследствие образования того же воздуха на поверхностях акустических зондов, понижают путём натравливания гидростатического давления величиной порядка 5 МПа. И если в СГП АК используют магнитострикционные преобразователи, это гидростатическое давление позволяет стабилизировать выходной сигнал с акустических зондов, в том случае, если в них обнаружен какой-то дефект, возможно из-за недостаточного контакта между пластинами.

Также имеется полевое калибровочное устройство для аппаратуры АК УПК-36 [76], предназначенное для калибровки СГП АК методом сравнения показаний калибруемого СГП с заранее определенными значениями измеряемых параметров. Применяется для малогабаритной СГП АК с головкой прибора под кабельный наконечник - 36 мм.

Таким образом, в настоящее время для диагностики аппаратуры акустического каротажа используют достаточно сложные методы, в которых необходимо погружение зонда прибора в эталонную скважину на определенную глубину и проведение в таких условиях тестовых измерений либо помещая диагностируемый прибор в специальную установку, для которой необходимы выполнения дополнительных технических требований. При этом СГП АК находится вне прямой досягаемости, и поэтому невозможно обнаружить внешние повреждения и провести своевременный ремонт. Также следует отметить, что для ИИС диагностики СГП АК характерны высокие показатели точности основной относительной погрешности не более 3% и высокая помехозащищенность от акустических шумов.

1.1.3 Анализ методов и средств диагностики скважинных геофизических приборов радиоактивного каротажа

Методика диагностики и поверок всех типов СГП РК связана с использованием СО моделей пластов [33].

В СГП ГК в качестве измеряемого параметра принята мощность экспозиционной дозы (МЭД) гамма излучения от пластов горных пород. Измеряемый предел МЭД для приборов РК работающих по методу импульсного ГК (ИГК) находится в диапазоне 2-20 мкР/ч. Для измерений связанных с исследованием урановых залежей, верхний предел этого диапазона может быть расширен до 250 мкР/ч. Относительная погрешность при таких измерениях не должна превышать ±15% [33].

Диагностику и поверку СГП ГК выполняют методом прямого измерения МЭД, который воспроизводится установкой дозиметрии с помощью ампульного источника гамма - частиц Ra226. Измеренная МЭД уменьшается обратно-пропорционально квадрату расстояния от центра ампульного источника гамма -частиц до центра кристалла NaJ детектора СГП ГК. Хотя спектр энергий источника Ra226 отличается от спектра энергий горных пород, принятый подход вполне приемлем, так как канал ИГК все же в большей степени является

счетчиком гамма - частиц, часто используемый для привязки каротажных кривых к геологическому разрезу. Поэтому использование МЭД от источника Яа226 обеспечивает единство геофизических измерений путем обеспечения прослеживаемости единицы МЭД к государственному эталону России через эталонный геофизический дозиметр [34].

На сегодня в геофизической отрасли, а именно при диагностике и поверке СГП РК наиболее популярны два типа установок дозиметрии: УАК-ИГК-50 для автоматической диагностики СГП ГК (рисунок 7) и УПГК которая работает в ручном режиме и предназначена для поверки СГП ИГК (рисунок 8).

В состав первого варианта установки УАК-ИГК-50 входит: контейнер ампульного источника гамма - частиц с коллиматором, барабан с шестисекторным поглотителем гамма - частиц, узел ручного контроля, управляющий блок регистрации и связи с компьютером. Принцип измерения на установке в том, что счет гамма-частиц от ампульного источника меняет свою величину в зависимости от толщины стенки поглотителя, в качестве которого выступает песок из кварца [33].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Атауллин Фанзиль Рауфович, 2018 год

Источник

±Д - условный коридор, в котором прибор считается работоспособным Рисунок 17 - Зависимость числа импульсов от мощности источника в конкретной

точке

Количество зарегистрированных импульсов определяется следующим образом: N = Ы(гх) ± АЫ(гх), где ±АЫ(гх) - условный коридор. +Л^(гх)находят двумя способами:

- по нормальному закону распределения, когда происходит множество операций.

- по закону распределения Пуассона [16], когда проведено 20 замеров.

Для данной задачи, используется 2-й закон.

Получив градуировочные характеристики СГП РК, после прохождения некоторого времени или после проведения СГП РК ГИС, осуществляется проверка работоспособности, он вновь устанавливается на данный стенд, и проверяется счет ГК в канале при соответствующей экспозиции. Если градуировочная характеристика вновь диагностируемого СГП не входит в условный коридор работоспособности, это говорит о том, что прибор не прошел проверку и должен быть заново откалиброван в метрологическом центре, либо

при существенном выходе из условного коридора, должен быть направлен на ремонт.

В отличие от диагностики СГП РК с каналом ГК, у приборов РК с каналом НГК и ННК-Т, данные полученные в ходе диагностики в стенде с полиэтиленовой трубой, должны быть привязаны к данным полученным в ходе калибровки в СО, что более подробно разъяснено на рисунке 18. И немаловажно отметить, что данная процедура позволяет автоматизировать процесс диагностики, что дает дополнительное преимущество способу.

ллллх

<xx.xxxxxx.xxxxx.xxxx \ЛЛЛЛЛЛЛАЛЛ,> ^члхлллх;

ЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛ, щллллллла; аадддлла (ХХХХ>

с!=50мм с!= 100мм сИ50лш с!=200мм

Рисунок 18 - Схема стенда с полиэтиленовой трубой эквивалентной СО различного коэффициента пористости

Главное отличие заключается в зависимости коэффициента пористости от счета, регистрируемого диагностируемым СГП РК. На сегодня регламентированы следующие диапазоны коэффициента пористости от 0 до 40%, что изложено в РД 153-39.0-072-01.

2.2 Математическая модель процесса дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов электрического каротажа

Диагностика измерительных каналов СГП ЭК осуществляется при помощи электролитических стандартных образцов, или имитаторами удельного электрического сопротивления (УЭС). Для обнаружения самого распространенного дефекта зондов СГП ЭК - утечек в электродах, чаще всего приборы помещают в контрольные скважины либо эталонные модели пластов [29].

Для того чтобы осуществлять операцию диагностики СГП ЭК в удаленных объектах, также как и в предыдущем разделе, необходима привязка метрологических параметров к стенду или устройству в виде имитатора, которое будет повторять параметры СО СГП ЭК.

Также как и для способа диагностики РК, представляется возможным использовать часть информации ранее проведенной поверки при проведении испытаний аппаратуры на работоспособность без проведения поверки в СО. Для этого был разработан алгоритм, суть которого представлена ниже.

Создана специальная установка, состоящая из среды имитирующей УЭС пласта. Для этого применены специальные программно-управляемые магазины сопротивлений [5, 20, 81].

Работа производится в следующей последовательности:

- производится замер УЭС на каждом зонде СГП ЭК в каждом СО;

- на зонды СГП прикрепляют контакты устройства;

- подбирают номинал магазина сопротивлений, соответствующей величине УЭС СО;

- повторяют операцию для остальных точек СО и строят градуировочную характеристику для данного СГП ЭК, которая в последствие служит мерой для аттестации СГП ЭК и годности ее к эксплуатации.

По мере работы СГП ЭК подвергается различным родам воздействиям. Ухудшаются характеристики зондов, возможны механические повреждения и утечка зондов.

Для проверки работоспособности СГП ЭК на неё вновь устанавливают программно-управляемые магазины сопротивлений, и проверяются данные по УЭС в каналах при соответствующей градуировочной характеристике. Если данные по градуировочной характеристике существенно расходятся, это говорит о том, что прибор не прошел проверку и должен быть заново откалиброван в метрологическом центре.

На сегодня практически все известные СГП ЭК [9,29,33,34,36,51] работают от переменного напряжения, поскольку принцип измерения параметров скважин связан с высокочастотным излучением пласта и прохождением сквозь пласт тока с высокой амплитудой. В частности для рассмотрения математической модели процесса диагностики СГП ЭК в качестве объекта, используется СГП ЭК К3А-723. Входным параметром для диагностируемого СГП ЭК является УЭС, и поскольку диагностика СГП ЭК должна проходить в условиях Крайнего Севера, то диапазон температур принимается от -60оС до +40оС, т.е. Тмин = -60оС, а Тмакс = 40оС соответственно.

Процесс измерения УЭС СГП ЭК К3А-723, из паспорта СГП [51], происходит при токе I0 = 400мА, частоте f = 400Гц и действующем напряжении до U0 = 350В. Соответственно следует учитывать влияние входных параметров от СГП на программно-управляемые магазины сопротивления.

Таким образом, на входе ИИС дистанционной диагностики СГП ЭК получили следующую функцию (диагностируемый сигнал) [27]:

I(t) = /0 • sin colt (8)

где со\ = 2nf.

В процессе диагностики СГП ЭК, он через излучающий электрод выдает рабочий сигнал, который проходит через контрольный блок и возвращается на измерительный электрод в виде измерительного сигнала имитирующий скважинное пространство. При прохождении рабочего сигнала, на измерительный

сигнал оказывает влияние сам контрольный блок. В частности имеется в виду класс точности резисторов имитирующих скважину и факторы окружающей среды - влажность, температура. Все факторы оказывающие влияние на измерительный сигнал, проанализированы на градуировочной характеристике (ГХ) диагностируемого прибора (рисунок 19).

Исходя из задачи ИИС диагностики - повышение работоспособности СГП ЭК, оценивается основная погрешность СГП по отношению к входному сигналу диагностирующего блока.

Входной сигнал диагностируемого СГП ЭК имеет свою собственную основную относительную погрешность, которая регламентирована заводом изготовителем [51]. По току ^ = 0,4А она составляет ±0,2%, а по частоте / = 400Гц она составляет ±0,5%.

Таким образом,

аивх = 70,52 + 0,22 = 0,54% . (9)

Далее при преобразовании входного сигнала через диагностирующий блок ИИС дистанционной диагностики СГП ЭК, элементы блока также вносят погрешность преобразования. Резисторы блока диагностики подобраны таким образом, чтобы они могли выполнять свою функцию при температуре от -60оС до +40оС.

Наиболее подходящий вариант - прецизионные резисторы С2-29 [19], с металлодиэлектрическим проводящим слоем, они используются в высокоточных электрических цепях импульсного, постоянного и переменного тока. Температурный диапазон этих резисторов, позволяет работать в условиях окружающей среды от -60оС до +40оС.

Следовательно, на погрешность ИИС диагностики СГП ЭК, будут влиять пределы погрешностей самих резисторов и температура окружающей среды. Были выбраны резисторы с наименьшим допуском основной относительной погрешности ±0,05%.

Таким образом, один резистор будет иметь основную относительную погрешность:

аит. б. = 0,05%.

В соответствии с руководством по эксплуатации приборов ЭК необходимо не менее 5 точек для построения ГХ, и в соответствие с проверочной схемой [86] из необходимо 25 резисторов, соединенных последовательно. Следовательно:

Хаит. б. = 25 • 0,05 = 1,25%. (10)

Температурная погрешность, определяется характеристиками эталонных резисторов. Это составляющая погрешности вычисляется так:

Аит = а-ДТ-Д-/, (11)

где а - температурный коэффициент сопротивления резистора, в нашем случае он равен 50 • 10-61/0С, для номиналов от 1010м до 100к0м [19], ДТ - модуль возможных отклонений температуры, как указывалось выше, составляет от -600С до +400С градусов, I - ток тестируемого прибора 400 мА. Тогда:

Д^т = 0,04%. (12)

Таким образом, общая основная относительная погрешность системы составила 1,25%, что укладывается в границы допуска.

Для нахождения результирующей погрешности принимается нормальный закон распределения для независимых составляющих:

п

х

г=1

Таким образом, получили:

= Л/0,512 + 0,042 + 1,252 = 1,35 % . (13)

Из рисунка 19 видно, что на работоспособность диагностируемого прибора и также на степень определения работоспособности влияют как сам диагностирующий блок, в виде программно-управляемых магазинов сопротивления, так и внешние факторы - температура окружающей среды и влага.

Также как и в способе диагностики СГП РК, для СГП ЭК +Л находят двумя способами [16]:

- по нормальному закону распределения, когда происходит бесконечное количество операций;

- по закону распределения Пуассона, когда проведено 20 замеров.

Для данной задачи, используется 2-й закон, поскольку производить бесконечное количество операций нецелесообразно.

ивых

±Д - условный коридор, в котором прибор считается работоспособным Рисунок 19 - Зависимость показаний диагностируемого СГП ЭК от внешних и внутренних факторов (диагностирующего блока)

2.3 Математическая модель процесса дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов акустического каротажа

Для СГП АК как было сказано в первой главе, измеряемой величиной является время затухания акустического сигнала и его амплитуда. Для оценки этих параметров диагностируемый СГП АК помещают в ванну заполненную водой, либо опускают в эталонную скважину.

Как для СГП РК и ЭК, для СГП АК не используют СО поэтому суть технологии диагностики СГП АК сводится к имитированию акустического сигнала определенной амплитуды и частоты, которая приведена ниже по тексту.

В приборах АК типа МАК-2 и МАК-3 [50], излучающий зонд периодически (с частотой 25 Гц) создает в скважине импульсы упругих колебаний, представленные на диаграмме «а» на рисунке 20. Которые, распространяясь вдоль скважины, попадают на приемники «П1» и «П2», с определенной для каждой породы временной задержкой, проиллюстрированной на диаграммах «б» и «в» на рисунке 20.

Временная задержка напрямую зависит от расположения измерительных зондов (далее приемники) на СГП и от их работоспособности зависит достоверность получаемых со скважин информации.

Рисунок 20 - Временные диаграммы работы прибора акустического каротажа

МАК-2 и МАК-3

Одной из основных причин выхода из строя приборов, является смещение средней точки записи, за которую принимают середину расстояния (далее база зонда) между приемниками. Смещение средней точки записи происходит при уменьшении базы зонда, вследствие вытекания силиконовой жидкости находящейся во внутритрубном пространстве приемников. Чем меньше база зонда, тем более тонкие слои пласта могут быть выделены прибором. Однако неконтролируемое уменьшение базы зонда, в свою очередь ведет к снижению точности измерений.

В соответствии с задачей, поставленной в начале работы по созданию способа по дистанционной диагностике СГП АК, также предполагается решение проблемы по своевременному обнаружению уменьшения базы зонда и контроль параметров акустических колебаний создаваемых излучателями приборов.

Поставленная задача решается путем преобразования акустических сигналов получаемых с излучателей и приемников СГП АК в их спектр и сравнения спектральных характеристик полученных сигналов со спектральными характеристиками эталонных сигналов.

Для разработки математической модели процесса диагностики СГП АК используется преобразование Фурье для импульсных сигналов, которая выполнена в программе MathCad [56].

В качестве имитационной модели рабочего акустического сигнала принимается широко распространённый в геофизике импульс Берлаге:

S(t) = Xm ■ ty ■ eß ■ sin(2n ■ f ■ t)9 (14)

где Xm - амплитуда импульса, f0 - преобладающая частота, y - индекс длительности нарастания импульса, ß - индекс длительности спада импульса.

Используя пакет программы MathCad, построен амплитудный спектр эталонного сигнала (рисунок 21).

) ИГ4"

ч. Гк

/ - X J 1

о1-

О 200 400 600 800 1x103

fx

Рисунок 21 - Амплитудный спектр эталонного сигнала

Пусть входной сигнал с приемника (излучателя) диагностируемого прибора

имеет вид: S(t) = 190 ■ ty ■ e-190t ■ sin(2n ■ f0 ■t) . (15)

Тогда выполнив преобразование Фурье в программе MathCad для входного сигнала, строится его спектральная характеристика (рисунок 22).

Рисунок 22 — Амплитудный спектр входного сигнала

С помощью пакета программы МаШСаё производится сравнение полученных спектральных характеристик сигнала с эталонными спектральными характеристиками (рисунок 23).

Рисунок 23 — Сравнительная характеристика входного акустического сигнала с

эталонным сигналом

Исходя из полученных результатов сравнения входного сигнала с эталонным сигналом, устанавливается работоспособность диагностируемого прибора.

Для определения степени соответствия измеренного сигнала исходному (эталонному) будет использоваться математический аппарат корреляционного анализа с применением преобразования Фурье.

Корреляция - это один из основных терминов теории вероятности, показывающий меру зависимости между двумя и более случайными величинами. Данная зависимость выражается через коэффициент корреляции. Коэффициент

корреляции принимает значения от -1 до +1. Чем выше значение коэффициента корреляции, тем больше зависимость между величинами [32, 52].

Взаимная корреляционная функция (ВКФ) разных сигналов (cross-correlationfunction, CCF) описывает как степень сходства формы двух сигналов, так и их взаимное расположение друг относительно друга по координате (независимой переменной). Общая формула взаимной корреляционнной функции выглядит следующим образом:

B{t) = • u{t + t)dt, (16)

где S(t) - эталонный сигнал, с которым будет сравниваться диагностируемый сигнал, U(t + t ) - диагностируемый сигнал.

Так как, анализ (сравнение) производится программным обеспечением с применением ЭВМ, необходимо привести формулу к дискретным значениям. Для этого интеграл заменяется математической суммой взаимного произведения значений функций и имеет следующий вид:

B(i) = Й+ЛЭД- U[i + т], (17)

где i - номер отсчета в измеренном дискретном сигнале, n - количество отсчетов эталонного сигнала, S - набор значений эталонного сигнала, с которым будет сравниваться диагностируемый, U - набор значений диагностируемого сигнала, S[m] — значение сигнала в точке т, U - измеренный прибором дискретный сигнал, U[i + т]-значение сигнала в точке i + т.

Для корректной работы данного выражения необходимо чтобы частота дискретизации эталонного и диагностируемого сигналов совпадали.

Так как анализ производится в ограниченном промежутке по времени, необходимо преобразовать формулу (17) для ограниченной длины последовательности, формула примет следующий вид:

В(п) = ^ш—loS[m] • U[n + т] , (18)

где S - набор значений эталонного сигнала, с которым будет сравниваться полученный, U - набор значений полученного сигнала, N - длина набора значений полученного сигнала.

Для нормировки значений перейдем к линейному коэффициенту корреляции:

г ^(5[т]-5)т+т]-Ю п ~

Ьбц = I--- , (19)

-2" Ы-п,— - — 2 т=1(

1 Ж-1Л/ — 1 „Г Т ТГ 1

где 5 = ^ Гт=о $[т], У = 1 Гт=о и[т], Б - эталонный дискретный сигнал, и -

измеренный прибором дискретный сигнал, п - количество отсчетов эталонного сигнала, N - количество отсчетов измеренного сигнала.

Неравенство Коши — Буняковского [95] гласит, что если принять в качестве скалярного произведения двух случайных величин ковариацию{Х, У} =

еоу(Х, У), то норма случайной величины будет ||Х|| =^Э|Х| , и следствием неравенства Коши — Буняковского будет:

-1 <= Я(Х, У) <= 1. (20)

Итак, коэффициент парной корреляции изменяется в пределах от -1 до +1. Крайние значения имеют особенный смысл. Значение -1 означает полную отрицательную зависимость, значение +1 означает полную положительную зависимость, иными словами, между наблюдаемыми переменными имеется точная линейная зависимость с отрицательным или положительным коэффициентом.

Значение 0,00 интерпретируется как отсутствие корреляции. Таким образом, значение корреляции -1 можно принять за 0%, а значение 1 за 100% и перейти к процентному значению соотношения сигналов.

Примем за эталонный сигнал функцию (15). Тогда формула (19) примет следующий вид:

^и = I-—-— , (21)

^Г^Мш &^-Чт^ п- Г04)-Б) ^(Щ+т]-и)

где 5 = 1 Гт-=о $[т], и = 1 Гт-=о и[т], £ - эталонный сигнал, и - измеренный прибором сигнал, п - количество отсчетов эталонного сигнала, N - количество

отсчетов измеренного сигнала, I - номер отсчета в измеренном сигнале, т -интеграционный индекс.

Для анализа степени соответствия диагностируемого сигнала эталонному, введем критерии оценки, приведённые в таблице 3.

Таблица 3 - Анализ степени соответствия диагностируемого сигнала эталонному

Max(^su ) Оценка Комментарии

> 0.97 Полное соответствие Возможное отклонение возникло в результате неточности измерений, накопленной погрешности вычислений и наличия случайных шумов.

>0.9 и < 0.97 Хорошее соответствие Дополнительная проверка не требуется, точность прибора достаточная.

> 0.75 и < 0.9 Удовлетворительное соответствие Требуется дополнительный анализ спектра сигнала и проверки аппаратуры.

< 0.75 Плохое соответствие Калибровка прибора нарушена, фильтры или каскады усиления не соответствуют заявленным характеристикам или неверное снятие сигнала калибровочной установкой.

Для дополнительного анализа измеренного сигнала необходимо перейти к его спектральному представлению. Для этого, во-первых, необходимо определить область анализа сигнала:

11 = ИНДЕКС(МАХ(^зи)) - (22)

/2 = ИНДЕКС(МАХ&и)) + (23)

где 11 и 12 - левая и правая границы анализируемой области измеренного сигнала, ИНДЕКС - обращение к элементу последовательности с указанным номером.

Во-вторых, необходимо определить гармонику с наибольшей амплитудой и ее частоту:

А = МАХ(^^=к и[т]е-21Гкп), (24)

^ _ ИНДЕКСА) ^

где А - наибольшая амплитуда среди гармоник измеренного сигнала в границах

к

[11;12], к - номер гармоники, частота которой определяется как Т - период

времени в течение которого брались входные данные, f - частота соответствующая гармонике с максимальной амплитудой измеренного сигнала в границах [11;12].

Для определения работоспособности прибора произведена оценка относительной погрешности несущей частоты и амплитуды измеренного сигнала:

ЛА* = х™\1оо% (26)

А/ = У-0- 100%, (27)

/о

где ЛА - относительная погрешность амплитуды дискретного сигнала, Л/ -относительная погрешность частоты дискретного сигнала.

Для оценки отклонений параметров измеренного сигнала от эталонного введены критерии оценки работоспособности СГП АК (таблица 4).

Такие критерии оценки обусловлены физическими процессами распространения звуковой волны в обсадной колонне и современными средствами распространение звуковой волны в плотных средах, таких как

цементное кольцо и плотные непористые породы, большое влияние оказывает частота излучателя.

Таблица 4 - Критерии оценки работоспособности СГП АК

АА,% Л/,%о Комментарий

<3 <2 Сигнал соответствует эталонному, отклонения являются не существенными и не влияют на измерения

>5и <20 <2 Снижение амплитуды сигнала может являться следствием загрязненности приемника/источника или отклонения характеристик приемо-передающего тракта от заданных.

>20 <2 Большое отклонение по амплитуде. Требуется перекалибровка.

>2 Отклонение по основной передающей частоте. Требуется перекалибровка.

С повышением частоты уменьшается эффективная глубина проникновения сигнала в цементом камне, а снижение частоты ведет к уменьшению влияния контакта металлической колонны и цементного камня. Влияние амплитуды на распространение не столь критично при интерпретации акустического сигнала на преломленной волне. При обработке данных акустического каротажа в современных компьютерных системах интерпретации (Соната, СГИД Генезис) алгоритмы учитывают амплитуду сигнала в свободной части колонны для коррекции значений амплитуд.

Для определения точности процесса диагностики СГП АК, необходимо оценить погрешности диагностики, возникающие в полевых условиях. Наиболее существенной для большинства пьезоэлектрических датчиков является температурная погрешность, поскольку эта погрешность превышает все остальные погрешности вместе взятые.

Рассмотрим ситуацию, когда пьезоэлектрический приемник акустического сигнала работает на прием, то есть используется прямой пьезоэффект.

Электрическая схема пьезоакустического преобразователя, включающая источник заряда д, Я и С цепи пьезоэлемента (э), кабеля (к) и усилителя (у), представлена на рисунке 24 [2].

Рисунок 24 - Электрическая схема пьезоакустического преобразователя при

прямом пьезоэффекте

Для получения удовлетворительного уровня согласованности теоретических расчетов и экспериментальных данных, достаточно рассмотреть конструкции элементов датчика в рамках одномерных моделей напряженного состояния [8].

Рассмотрим влияние температуры на изменение:

- пьезоэлемента;

- диэлектрической проницаемости;

При этом характеристики пьезокерамического материала (ПКМ) ^33, е33 и ря) считаются температурными функциями, а изменениями плотности материалов за счет температур, габаритных размеров датчиков, а также параметров электрических схем и кабеля можно пренебречь. Эти предположения являются вполне оправданными, если усилитель находится вне зоны влияющих факторов. Предполагается, что во всем диапазоне рабочих температур и механических нагрузок поведение ПКМ описывается уравнениями линейного пьезоэффекта и электрическую схему датчика можно описать с помощью теории линейных электрических цепей.

Функции преобразования измеряемого механического параметра в усилие, действующее на пьезоакустический преобразователь в первом приближении, можно представить в следующем виде [2]:

F = ЬэфРа , (28)

где Ра - измеряемое акустическое давление; Ьэф - эффективная площадь датчика.

Функция преобразования акустического сигнала в электрический заряд для пьезоэлемента, работающего на продольномпьезоэффекте и содержащего заряд q на электродах будет равна [8]:

q = йцЬэфРа, (29)

где - продольный пьезомодуль.

При этом видно, что температурный уход значения пьезомодуля будет вызывать изменения заряда на обкладках пластины [8]:

q(T) = ^3(Т)ЬэфРа . (30)

Функция преобразования заряда пьезоэлемента в напряжение на входе усилителя и, в соответствии с электрической схемой, имеет вид [8]:

и = . чН;2 2, (31)

V1+Д2С2сок2 ' 4 '

где шк — круговая частота акустического сигнала; Я и С — сопротивление и емкость электрических цепей датчика.

При работе с усилителем напряжения емкость и сопротивление электрических цепей датчика определяются емкостью и сопротивлением пьезоэлемента СЭ, ЯЭ, кабеля СК, ЯК и входа усилителя СУ, ЯУ, причем

С = СЭ + СК + Су, (32)

1 1 1 1

1 = - + — + —. (33)

и Из ик иу к 7

Учитывая, что основное влияние температура оказывает на сам пьезопреобразователь, получили:

С (Т) = Сэ (Т) + Ск + Су, (34)

1 111

+ 1Т + 1. (35)

И(Т) Иэ(Т) ик и¥

А данные параметры самого пьезомодуля уже зависят от диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления пьезокерамического материала:

Сэ(Т) = £33 ^, (36)

Яэ(Т) =ря±. (37)

Таким образом, основные погрешности вызванные изменением температуры зависят от изменения диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления пьезокерамического материала.

При частотах ниже частоты механического резонанса пьезокерамической пластины, функция преобразования будет выглядеть следующим образом [8]:

и = *ззКш2Сэ;Ра2. (38)

71+д2с2шк2 4 '

Отсюда видно, что выходное напряжение датчика, в общем случае, зависит от частоты измеряемого акустического сигнала. Для устранения этого недостатка

цепь электрическую датчика подбирают так, чтобы выполнялось соотношение

2 2 2

Я2С2юк2 >> 1 в диапазонах рабочих частот. В этом случае формула упрощается, принимая следующий вид:

и = * 3з1сэфРа. (39)

И становится частотно независимой для низких частот, по сравнению с механическим резонансом датчика [67].

В [47] указывается, что при изменении температуры окружающей среды на 10оС относительно стандартного значения, равного 20оС, значения основной относительной погрешности не должны превышать 0,3%, а как показано выше, основные погрешности, вызванные изменением температуры, зависят от изменения диэлектрической проницаемости. В работе [78] установлено, что диэлектрическая проницаемость пъезопреобразователей, при температуре окружающей среды от -40оС до +50оС изменяется на 1,6%, что входит допустимый предел основной погрешности СГП АК, поскольку температура в полевых условий (от -40оС до 0оС) падает в 4 раза, а при 4-кратном изменении температуры на 1ооС, общий допустимый предел основной относительной погрешности СГП АК будет составлять 1,2%.

Результаты и выводы по главе 2

Во второй главе рассматриваются математические модели ИИС дистанционной диагностики СГП ЭК, АК и РК, алгоритм и последовательность

операций, по которым осуществляется процесс диагностики, и производится анализ построенных моделей.

Установлено, что на точность диагностики СГП ЭК оказывает влияние класс точности эталонных резисторов имитирующих удельное электрическое сопротивление (УЭС), а также температура и влага окружающей среды. Следует также принять во внимание утечку с зондов приборов вызванных разрушением изоляционного материала.

При анализе алгоритма диагностики СГП РК установлено, что необходимо подобрать мощность источника нейтронов и толщину полиэтиленовой трубы в которой будут производиться работы по диагностике, и в зависимости от параметров трубы и источника ионизирующего излучения, рассчитать уровень активационного фона при котором на выходе диагностируемого СГП РК и получать такие же значения коэффициента пористости как и в СО. Для решения поставленных задач необходимо построение математической модели взаимодействия источника нейтронов и полиэтиленовой трубы, и анализ активационного фона нейтронов и гамма-частиц внутри полиэтиленовой трубы.

3. При построении алгоритма диагностики СГП АК, установлено, что одной из основных причин выхода из строя приборов является смещение средней точки записи, за которую принимают середину расстояния (далее база зонда) между приемниками. Для более тщательного определения причин выхода из строя зондов СГП АК необходима разработка устройства приема и излучения акустических сигналов и анализ работы ИИС дистанционной диагностики СГП АК в диапазоне от 10 до 30 кГц, на котором производят работы СГП АК в действующих скважинах.

Глава 3 РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ПРИБОРОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО, АКУСТИЧЕСКОГО И РАДИОАКТИВНОГО

КАРОТАЖА

3.1 Разработка обобщенной структурной схемы информационно -измерительной системы дистанционной диагностики приборов электрического, акустического и радиоактивного каротажа

Обобщенная структурная схема ИИС дистанционной диагностики СГП ЭК, АК, РК разработана с учётом поставленных задач. При её разработке учитывались следующие требования:

- для бесперебойного дистанционного контроля процесса диагностики, следует применить беспроводной протокол передачи данных с радиусом действия до 100 метров, что связано с требованиями [29] предъявляемые к геофизическим исследованиям скважин (ГИС);

- использование в качестве имитатора стандартного образца (СО)

-5

водонасыщенной пористости полиэтилена высокой плотности 941 - 965 кг/м , что связано с климатическими условиями при диагностике СГП РК;

- использование в качестве имитатора удельного электрического сопротивления (УЭС) прецизионных резисторов, с диапазоном рабочих температур до -45 ...+ 50 оС;

- применение пъезопреобразователей имитирующих ультразвуковые ванны и акустические волноводы, при этом их основная погрешность преобразования сигнала по амплитуде не должна превышать 2%, а по частоте 2,5%.

Обобщенная структурная схема ИИС дистанционной диагностики СГП ЭК, АК, РК приведена на рисунке 25.

Управление работой имитаторов для диагностики СГП ЭК, АК и генератора нейтронов для СГП РК осуществляется по системе шин от блока диагностики, который по заданному алгоритму выдает команды на воспроизведение имитирующих сред для диагностики, путём коммутирования эталонных

резисторов в имитаторе УЭС, включения устройства приёма и передачи УЗ в режим диагностики СГП АК, и вхождения в режим стабильного ионизирующего излучения генератора нейтронов, создающий активационный фон в имитаторе СО. Контроль над процессом диагностики осуществляется дистанционно, по беспроводному каналу приема и передачи данных.

Рисунок 25 - Структурная схема ИИС дистанционной диагностики СГП ЭК, РК и

АК

3.2 Разработка блока беспроводного канала приема и передачи данных

В главе 1 было установлено, что наиболее подходящим по требованиям является протокол передачи данных ZigBee и устройства работающие по этому протоколу.

На сегодня наиболее практичным среди модулей, работающих по протоколу 71§Бее, является модуль ХВее (рисунок 26) и его различные модификации. Остановим свой выбор на модуле ХБ24-77'ШТ-004, поскольку по температурному диапазону он может работать до -40 0С [70].

Для того чтобы модуль XB24-Z7WIT-004 выполнял поставленные задачи потребуется дополнительное управление осуществляемое от микроконтроллера.

Рисунок 26 - Модуль XB24-Z7WIT-004

В данном устройстве было решено применить микроконтроллер ATMEGA162, поскольку для модуля XBee рекомендуются эти типы контроллеров. Его технические характеристики приведены в источнике [35].

На рисунке 27 приведена электрическая схема первой части блока беспроводного канала приема и передачи данных, в котором показано соединение модуля с микроконтроллером.

Рисунок 27 - Принципиальная схема первой части блока беспроводного канала

приема и передачи данных

Контроллер ATMEGA162 (Ш) обеспечивает штатный режим работы устройства. Выходные порты контроллера РАО - РА7 управляют режимами работы пъезодатчиков для ИИС диагностики СГП АК, блоком эталонных резисторов для ИИС диагностики СГП ЭК, и двигателем и генератором нейтронов

для ИИС диагностики СГП РК. Программируют и подключают устройство к компьютеру через разъем Р1.

Электропитание осуществляется от батареек «+12 В». Принципиальная схема второй части блока беспроводного канала приема и передачи данных показана на рисунке 28, в котором стабилизация напряжения питания осуществляется цепочкой из стабилизатора напряжения LD - 1117 и конденсаторов С1-С5. Технические характеристики стабилизатора напряжения LD - 1117 приведены в [22].

Рисунок 28 - Принципиальная схема второй части блока беспроводного канала

приема и передачи данных

Схема индикации блока беспроводного канала приема и передачи данных приведена на рисунке 29.

Рисунок 29 - Принципиальная схема третьей части блока беспроводного канала

приема и передачи данных

Таким образом, автором был разработан блок беспроводного канала приема и передачи данных, в котором модулем осуществляющую связь между оператором и ИИС дистанционной диагностики выступает модуль XБ24-Z7WIT-004.

3.3 Разработка информационно-измерительной системы дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов электрического

каротажа

3.3.1 Разработка структурно-функциональной схемы информационно-измерительной системы дистанционной диагностики приборов

электрического каротажа

Задача ИИС дистанционной диагностики СГП ЭК заключается в коммутации эталонных резисторов к измерительным зондам диагностируемых СГП. А в целом задача всей системы заключается в последующем сравнении полученных данных с диагностируемого СГП с протоколами его более ранних диагностик. Исходя из результатов сравнения и анализа полученных данных с протоколами базы данных, можно сделать вывод о работоспособности тестируемого СГП ЭК.

Исходя из поставленных задач, ИИС дистанционной диагностики СГП ЭК должна содержать:

- контрольный блок 1

- приемник ZigBee сигнала 2

- блок эталонных резисторов и транзисторных ключей 3

В соответствие со структурными схемами приведенными на рисунках 30, 31, ИИС дистанционной диагностики СГП ЭК работает следующим образом: в ПК 8 формируется программа, по которой, через беспроводной канал передачи данных организованный с помощью ZigBee роутера 9 и модуля приемника ZigBee сигнала 2, в контрольный блок 1 приходят команды, по которым к измерительным зондам 4 диагностируемого прибора 5, подключают блок эталонных резисторов 3,

имитирующий УЭС заранее заданной скважины, далее данные УЭС измеряют диагностируемым СГП ЭК 5 и посредством геофизического кабеля 6 передают на регистрирующее устройство 7 и ПК 8, где программа строит графики градуировочных характеристик УЭС полученных с измерительных зондов 4 [81].

В базе данных компьютера хранятся протоколы более ранних диагностик СГП ЭК.

Двусторонняя радиосвязь между ПК и ИИС осуществляется с помощью беспроводной сети ZigBee. Максимальная дальность радиосигнала равна 100 м, что достаточно, для работ в скважинах [70].

Блок

—N на ПК —V

Рисунок 30 - Структурная схема ИИС дистанционной диагностики СГП ЭК для

приборов серии К1 А-723

Рисунок 31 - Структурная схема ИИС дистанционной диагностики СГП ЭК для

приборов серии К3А-723

Таким образом, автором разработан способ дистанционной диагностики СГП ЭК, который позволяет в полевых условиях оценить работоспособность диагностируемых СГП ЭК и повысить их надежность перед проведением ГИС.

3.4 Разработка информационно-измерительной системы дистанционной диагностики скважинных геофизических приборов акустического

каротажа

3.4.1 Расчёт частотных и амплитудных характеристик электроакустических преобразователей

Электроакустический элемент необходим для преобразования акустического сигнала в электрический сигнал и наоборот. К настоящему моменту создано большое количество источников ультразвуковых колебаний различных типов, способных создавать колебания с необходимыми частотой и интенсивностью.

Конечным результатом работы излучателя всегда является возникновение механических колебаний ультразвуковой частоты. Подводимая для возникновения колебаний энергия может быть различной природы, но в данной работе имеет смысл рассматривать исключительно электроакустические преобразователи, такие как [38]:

- магнитострикционные;

- пьезоэлектрические.

Магнитострикционные преобразователи - осуществляют преобразование энергию магнитного поля в колебания механические ультразвуковой частоты. Они прекрасно проявляют себя в низкочастотном диапазоне, но имеют ряд существенных недостатков, таких как низкий КПД, относительно большие габариты, необходимость охлаждения, так как в процессе работы магнитострикционные материалы сильно нагреваются и быстро теряют свои свойства (низкая температура Кюри).

Пьезоэлектрические преобразователи - осуществляют преобразование энергии электрического поля в механические колебания ультразвуковой частоты. Данные преобразователи выполняют функцию формирования ультразвуковых колебаний в различных веществах, жидких, твердых и газообразных. Работают эти преобразователи на частотах от 20 кГц до 1000 кГц. Они получили наиболее большое распространение, вытеснив при этом остальные преобразователи, за счёт своих малых габаритов и значительному КПД.

Исходя из этого, в качестве электроакустических преобразователей, целесообразней использовать пьезоэлектрические преобразователи.

Существуют более 150 материалов, которые используют для преобразователей с пьезоэффектом. Но в настоящее время в качестве пьезоэлектрических преобразователей чаще применяются различные пьезокерамические материалы, такие как титанат бария (ВаТЮ3), цирконат титаната свинца, являющийся твёрдым раствором цирконата (PbZ2Oз) и титаната свинца (РЬТЮ3). Эти материалы обладают очень высокой (1100-1500) диэлектрической проницаемостью, и очень большим пьезомодулем.

Материал, состоящий в основе из титаната бария с добавлением титаната свинца и циркония, называется - ЦТС. КПД у ЦТС превышает в сотни раз КПД кварца. Высокая температура Кюри уменьшает вероятность деполяризации материала в процессе припаивания выводов преобразователя.

Пьезокерамические материалы делятся на следующие классы[8]:

- материалы для высокочувствительных элементов, работающих в режиме приема и излучения (типа ЦТС-13, ЦТБС-1);

- материалы, используемые для технологических аппаратов, в которых преобразователи работают в режиме сильных электрических и механических напряжений (типа ЦТС-23, ЦТС-24);

- материалы для УЗП с повышенной стабильностью частотных характеристик в заданном интервале температур (типа ЦТС-22);

- материалы для работы при температурах, превышающих 2500С и обладающих стабильностью пьезоэлектрических характеристик (типа ЦТС-21).

Можно изготовить пьезоэлектрический преобразователь любой формы посредством расплавления материала и последующей его формовки. Пьезоэлектрические кристаллы подвергаются искусственной поляризации путем помещения их в сильное электрическое поле при высокой температуре и охлаждения в этом поле ниже температуры Кюри.

Сегнетомягкие материалы (ЦТС-19) используют в высокочувствительных приемниках ультразвуковых и звуковых колебаний, при том что механические и электрические факторы влияющие на пьезоэлектрические преобразователи несущественны, а потери пренебрежимо малы. В этой группе материалов находятся материалы для различных датчиков [54]. Физические характеристики ЦТС-19 показаны в таблице 5.

В требования для преобразователя диагностирующих сигналов входит прием и передача акустических колебаний зондов СГП АК, представляющих собой цилиндрическую оболочку с магнитострикционным преобразователем внутри, частотой 10-30 кГц.

В качестве формы преобразователя, в первую очередь, рассматривались круглые преобразователи. Преобразователи в форме диска применяются наиболее часто.

Так как диапазон изменения частот полезного сигнала 10-30 кГц, что является низкочастотным диапазоном для пьезопреобразователей, то его геометрические размеры должны быть достаточно большими, расчёт размеров приведён ниже:

= —. (40)

йр

3 3 1

При с= 3,0-103м/с, «7=125-103 с-1, толщина преобразователя получится порядка й^=75мм, что больше диаметра диагностируемых СГП АК. Преобразователь с такой толщиной, невозможно использовать для задач диагностики, поскольку при установке его на СГП АК, он будет выходить за границы диагностируемого прибора.

Таблица 5 - Физические характеристики ЦТС-19

Физические характеристики ЦТС-19

Точка Кюри, Тк, °С 290

Относительная диэлектрическая проницаемость, е33 / е0 1750

Относительная диэлектрическая проницаемость, еп / £0 1450

Тангенс угла диэлектрических потерь, tg5, % 2,5

Пьезомодуль, dз1Д0- , Кл/Н 160

Пьезомодуль, d33Д0-12, Кл/Н 350

Скорость звука У^ (Сп) ,103 м/с 3,0

3 3 Плотность р, 10 , кг/м , 7,5

Механическая добротность, Qm, 80

Удельное объемное электрическое сопротивление, р^ Ом/м 106

Планарный коэффициент Пуассона, а^ 0,37

Вышеописанная форма преобразователя технологична. Преобразователи с таким профилем легко изготовить или приобрести. Но учитывая реальные размеры преобразователя которые необходимы для достижения резонанса в районе необходимых для работы частот, размеры пьезопреобразователя будут слишком большими для обеспечения плотного прилегания излучателя и цилиндрической боковой поверхности зонда, радиусом порядка 80 мм

Второй вариант преобразователя - изогнутый, повторяющий форму боковой поверхности зонда, так называемый «притертый» преобразователь. Такие типы пьезопреобразователей являются широкополосными преобразователями переменной толщины.

Благодаря его использованию, обеспечивается плотное прилегание излучающей и принимающей поверхностей, вследствие чего значительно уменьшаются потери мощности сигнала в акустическом тракте преобразования. Но для каждого диаметра зонда необходимо использовать свой отдельный

притертый преобразователь, что вынуждает создавать целый набор различных фокусирующих преобразователей, а это не экономично.

Главной же проблемой становится вопрос поляризации пьезоэлектрической пластины толщиной до 75 мм.

В качестве решения данной задачи предлагается использовать биморфный акустический преобразователь, который работает на создании изгибных колебаний [8].

Вышеописанный преобразователь может работать на достаточно низких для пьезопреобразователей частотах и излучать акустическую волну необходимой мощности без приложения большого напряжения.

При этом требуется очень широкая полоса пропускания преобразователя, что и достигается благодаря переменной толщине пьезоэлектрического преобразователя. С той же целью применяется механическое демпфирование полуволновых резонансных элементов. Для этого пьезоэлектрический преобразователь приклеивается к массивному телу - демпферу, изготавливаемому из материала с большим коэффициентом затухания ультразвуковых волн. Большой коэффициент затухания необходим для исключения появления паразитных импульсов, вызываемых многократным отражением ультразвуковых волн, излучаемых пьезоэлектрическим преобразователем в демпфер.

В качестве материала для изготовления демпфера была выбрана эпоксидная смола, смешанная с наполнителем из мелкодисперсного порошка вольфрама. Демпфер из такого материала технологичен и позволяет изменением массового соотношения смолы и вольфрамового порошка в широких пределах изменять его характеристический импеданс. При увеличении близости значений характеристического импеданса материалов пьезоэлектрического преобразователя и демпфирующего устройства, скорость затухания свободных колебаний пьезоэлектрического преобразователя увеличивается.

Частота резонанса механически однородной пластины, совершающей изгибные колебания:

^ = 0,96 , (41)

где ^ - диаметр пластины, с - скорость звука в материале пластины,

Исходя из формулы (41), подбираются приемлемые параметры толщины и диаметра элемента: при 20 мм, к = 2,825 мм.

Так как скорость звука в латуни выше, чем в ЦТС-19, то реальная толщина биметаллической пластины будет меньше. Учитывая, что излучающая пластина будет находиться в условиях заделки краев, толщина пьезокерамической части пластины принимается равной Ьп=1 мм, а латунной - Ьд=0.6 мм

Ниже найдена Z0 в которой механическое напряжение при изгибе равно нулю:

2 2

= Еи-кп +Ел-Кл -(^п+^л) = 0,2794 мм. (42)

Приведенный коэффициент Пуассона определяется как [38]:

а = ^гт^^-^ = 0,361. (43)

Еп-кп+Ел-кл

Рассчитываются следующие значения, исходя из условия жесткой заделки биметаллической пластины по краю. Эквивалентная масса пластины:

тэкв = 0,18 • п • а2 • (рп • кп + рл • кл) = 0.58 г. (44) Эквивалентная гибкость:

Сэкв = (45)

где О - изгибная жесткость элемента.

Находится изгибная жесткость элемента следующим образом:

Тогда:

£ _ £п<У-(^0-кп)3)+^л -((^0-кл)3~(^0-кп-кл)3) _ 20 293 н • м (46)

12-(1-0-2) , . ( )

Сэкв= 8240 .

Частота механического резонанса пластинчатых преобразователей зависит от упругих постоянных материалов биморфных элементов и соотношений

геометрических параметров. Для нахождения частоты механического резонанса биметаллической пластины, необходимо определить ее приведенную плотность:

р = рпкп+рлкл = 7875 ^. (47)

и кп+кл м3

Используя рассчитанные данные, частота резонанса находится как:

/о = I---= 20,68 кГц. (48)

2-я-а^ (кп+клУр V У

Как видно, полученная частота находится близко к верхней частоте диагностики 30 кГц, что вполне допустимо [84].

При этом полученная биморфная пластина удовлетворяет условию И<0,2а [8]. Это важно, так как при большей толщине необходимо учитывать ее влияние на эквивалентные параметры.

Эти параметры приведены на рисунке 24 [8], в котором также приводилась эквивалентная схема излучающего преобразователя:

- С0 - электрическая емкость пьезопреобразователя;

- Я - сопротивление электрических потерь;

- пэм - коэффициент электромеханической трансформации;

- Сэкв - эквивалентная гибкость;

- тэкв - эквивалентная масса;

- г8П- сопротивление излучателю;

- гМП-сопротивление механических потерь.

Используя эту схему, рассчитаем параметры устройства излучения и приема ультразвуковых волн.

Активная составляющая импеданса излучения находится как[8]

г5П = а(рс)в5, (49)

где а - безразмерный коэффициент, зависящий от волнового диаметра пъезопреобразователя, равный 0,023, тогда:

г5П=170,706(кг/с) . (50)

Сопротивление механических потерь оценивается акустико-механическим КПД пам [48]. При использовании открытого преобразователя, корпус которого

выполнен из металла, пам= 0,75..0,8. В случае использовании демпфера для контакта излучателя и объекта, Пам<0,6 [15]. Тогда:

Гмп = г5П = 113,804 КГ. (51)

'/ам с

Исходя из одноконтурной эквивалентной схемы, получили уравнение:

^эм • ^вх = V • (г5П + гМп + 7 • ш • шэкв - 7-^-). (52)

V Ш- Сэкв/

Отсюда, учитывая, что используется источник питания на 12В, а Пэм разработанного источника с демпфером равен 0,3, получили:

V = ^эм" "вх --? = 0.012 м/с. (53)

+Гмп)2+(2-^экв-У 2.,,1сэкв)

Тогда энергия создаваемого акустического поля находится как [15]:

№ = !• 2 = 0.012Вт. (54)

Добротность преобразователя вычисляется по формуле [2]:

Q = 2 'п'! 'Шэкв = 1,808. (55)

^хп +гмп

Зная значение добротности, можно определить рабочий диапазон разрабатываемого преобразователя:

д/ = = 11,44 кГц. (56)

Исходя из полученных результатов, можно с уверенностью говорить, что рассчитанный преобразователь удовлетворяет потребностям как в диапазоне рабочих частот - от 10 до 30 кГц, так и по создаваемой энергии акустического поля - 0.012 Вт.

Используя данный пъезоэлектрический преобразователь в качестве приемника на тех же самых резонансных частотах, получили:

п Р С ^ам

чэм "°экв ' ,

ео8 ( ш 0 —) , „

^вых =-0 с „ с( 0 с), (57)

Рм ■ см ■ ш 0 ■

где ивых - напряжение на разомкнутых электродах пъезоэлектрической пластины, рак=5 Па - давление акустического поля, создаваемое зондом диагностируемого прибора, ю0 - резонансная частота излучателя, йр - диаметр пластины, с -

скорость звука в пластине, рм - плотность контактной среды, см - скорость звука в контактирующем материале.

Эквивалентная площадь пьезоэлектрической пластины находится как [15]:

а

2

5экв = я- — • 0,35 = 1.1 • 10-4 м. (58)

4

При поперечном пьезоэффекте емкость пластины равна [15]:

(¿33+^) ■ 5эл

С0 = ^-^— = 4,869 нФ. (59)

Вычислив значение напряжения на выходе пьезопреобразователя, получили ивых=0.097 В - максимальная амплитуда колебания напряжения на обкладках биморфной пластины диаметром 20 мм, состоящей из склеенных друг с другом латунной и пьезокерамической пластин с толщиной 0,6 и 1 мм соответственно.

Таким образом, в данном разделе разработано устройство приема и передачи УЗ волн, которое выполняет поставленную задачу по диагностике СГП АК. Установлено, что полученные верхние и нижние частотные границы датчиков, равные соответственно 11,44 кГц и 20,68 кГц, удовлетворяют условиям задачи, по которой диапазон диагностики СГП АК составляет от 10 до 30 кГц.

3.4.2 Исследование форм и диаграммы направленности

электроакустических преобразователей для задачи дефектоскопии

Одной из основных причин выхода из строя приборов АК, является смещение средней точки записи, за которую принимают середину расстояния (далее база зонда) между приемниками.

Для обнаружения данного дефекта необходимо внедрение в ИИС дистанционной диагностики СГП АК операции дефектоскопии.

Основной задачей для построения эффективно работающего преобразователя ультразвуковой частоты в дефектоскопии является уменьшение количества периодов излучения сигнала, что позволяет увеличить разрешающую способность. А это возможно только при достаточно широкой полосе пропускания пьезоэлектрического преобразователя.

Эффективным способом расширения полосы пропускания пре-

образователей является создание переменного по толщине преобразователя. Преобразователи такого типа называют осесимметричными преобразователями переменной толщины (ОППТ) [62].