Узел кварцевого измерительного преобразователя давления и температуры с динамической коррекцией - RU2572053C2

Чертежи

Показать все 20 чертежа(ей)

Описание

Предпосылки изобретения

Изобретение относится, в общем, к устройству измерения давления и, в частности, к узлу кварцевого измерительного преобразователя давления и температуры, характеризующегося улучшенной коррекцией ошибок при воздействии градиентов давления и температуры.

Почти на всех стадиях поиска и добычи нефти и газа важно обладать точной информацией как о давлении, так и о температуре в данном или конкретном месте в коллекторе или скважине. Например, на стадии добычи инженеры по управлению коллекторами в настоящее время с выгодой для себя используют контролируемые давление и температуру в скважине для установления их индикативной и модельной зависимости с целью составления карты коллектора (пласта) и понимания его сложности с тем, чтобы оптимизировать работу, а также свои активы. Приборы, используемые для этого вида изысканий или постоянного контроля, обычно содержат датчик давления высокой точности.

В известных системах кварцевые измерительные преобразователи давления и/или температуры состоят из прецизионных кварцевых резонаторов и известны как очень точные для измерений давления и температуры. Однако их конструкция и способ тепловой компенсации основаны на стабильных и статических условиях, в которых температура равномерна по всему датчику.

Например, в документе US 5231880 раскрыт узел измерительного преобразователя давления, предназначенный для использования в скважинах и основанный на кварцевых резонаторах и соответствующей электронике для создания и обработки сигналов. В документе US 5471882 предложено усовершенствование па уровне измерительного преобразователя давления, при котором неотъемлемым измерительным преобразователям давления и температуры на основе кварцевых резонаторов придана тепловая чувствительность на изменения температуры. Однако вышеупомянутые измерительные преобразователи обеспечивают лишь статическую компенсацию температурных воздействий и служат хорошим представлением известных измерительных преобразователей давления, используемых в скважинах. Документы US 5231880 и US 5471882 не предлагают какого-либо вида динамической температурной компенсации при их определении давления и температуры, поскольку не предлагают какого-либо средства управления для теплового баланса в измерительных преобразователях. Это ограничивает их эффективность, поскольку они не прогнозируют правильные давление и температуру среды, воздействию которой они подвергаются, если условия нестабильны и подвержены изменениям, и поэтому при определении давления и температуры они могут выдавать результаты со значительным смещением.

Обычно в нефтяной скважине будет иметь место добыча относительно теплой текучей среды из нефтяного коллектора на поверхность. По мере того как поток добычи поднимается к поверхности, энергия будет теряться посредством теплопередачи в скважине. Кроме того, поскольку добываемая среда в насосно-компрессорных трубах является более теплой средой, будет возникать радиальный поток тепла через скважинные трубы и наружу в окружающий пласт. В свою очередь, чем холоднее пласт, тем больше тепла потеряно. В случае применения постоянного контроля давления кварцевый измерительный преобразователь давления обычно размещен где-то на наружных границах скважинной трубы. По мере того как тепло теряется в окружение, эта потеря создает цилиндрические изотермические температурные поверхности, по мере того как тепло распространяется наружу через скважинные трубы в пласт. В свою очередь, это делает местоположение измерительного преобразователя важным и зависящим от градиента температуры, и текущий контроль требует использования методов динамической компенсации для того, чтобы обеспечить точные и надежные определения давления и температуры.

Обычно на тепловой баланс кварцевого измерительного преобразователя давления в стволе скважины или в нефтегазовой скважине будут влиять один или несколько из следующих параметров: изменения дебита; изменения состава текучей среды или газа в насосно-компрессорных или нагнетательных трубах; изменения состава жидкости или газа в объеме кольцевого пространства ствола скважины; непосредственные изменения давления в коллекторе или вызванные на поверхности или любое сочетание вышеупомянутых параметров. Кроме того, изменения давления в скважине будут вызывать изменения температуры в измерительном преобразователе вследствие адиабатических эффектов в наполнении маслом измерительного преобразователя, а также в самом измерительном преобразователе давления, основанном на кварцевом резонаторе. Кроме того, основной заботой является точность или достоверность отклика измерительного преобразователя, поскольку при использовании он проявляет непрерывную скорость изменения температуры, вызванного добычей из скважины и нагрузкой, а также физическими свойствами окружения. В реальных случаях применения для контроля давления/температуры в скважине известные кварцевые измерительные преобразователи, такие как приведенные в документах US 5231880, US 5471882, US 4802370, US 3561832 и US 3355949, обеспечивают лишь статическую температурную компенсацию, и они не компенсируют все изменения, возникающие из последствий, рассмотренных выше. Для повышения эффективности кварцевый измерительный преобразователь давления и температуры должен быть динамическим и адаптируемым к изменениям.

Для того чтобы обеспечить точные измерения с использованием технологии кварцевых датчиков в средах с градиентом температуры, требуется определенное знание и измерение термической стойкости системы и кварцевого измерительного преобразователя. Тепловая чувствительность относится, по существу, к области нестационарной теплопередачи. Скорость отклика датчиков давления и температуры, основанных на кварцевом резонаторе, четко зависит от физических свойств варианта осуществления измерительного преобразователя, физических свойств его окружения, а также от динамических свойств его окружения. Из этого, а также из того факта, что физические свойства обычно при изменении температуры изменяются, следует, что время отклика измерительного преобразователя при изменении уровня температуры будет варьироваться. Поэтому в настоящем изобретении основное внимание уделено тому, чтобы внести некоторые изменения в традиционную конструкцию измерительного преобразователя, а также в концепцию того, как осуществить температурную компенсацию его выходных сигналов. Это достигается путем осуществления метода динамической компенсации с прямой связью, основанного непосредственно на уровне температуры и скорости изменения температуры, которыми характеризуется измерительный преобразователь.

Для решения этой задачи выведена математическая тепловая модель, описывающая температурное поведение кварцевых резонаторов давления и температуры измерительного преобразователя. Модель основана на теореме баланса тепла и энергии, которая определяет, что тепло не будет теряться, а может перемещаться, накапливаться и/или лишь передавать энергию и используется для средств динамической компенсации. Кроме того, измерительный преобразователь оснащен датчиками для измерения уровня температуры, а также градиента температуры. В свою очередь, выходные сигналы уровня температуры и скорости датчиков являются входными сигналами в тепловые модели и создают средства динамической коррекции с прямой связью для выхода датчиков давления и температуры, основанных на кварцевых резонаторах. Кроме того, благодаря методу с обратной связью, известный измерительный преобразователь становится измерительным преобразователем давления и температуры с быстрой и точной температурной компенсацией, а не только измерительным преобразователем давления с температурной компенсацией, как в известных системах.

Таким образом, целью настоящего изобретения является прогнозирование, сколько корректирующего действия потребует изменение температуры для корректирования выходных данных. Оно значительно улучшается благодаря тепловому регулированию и обработке сигналов в вариантах осуществления предлагаемого измерительного преобразователя. Узлы кварцевого измерительного преобразователя давления и температуры характеризуются разделенным конструктивным тепловым исполнением, которое содержит два отдельных датчика температуры на основе кварцевых резонаторов. Это уникальный признак, уникальность которого заключается в том, что совместное использование двух датчиков температуры позволяет непосредственно измерять градиент температуры или тепловой баланс датчиков измерительного преобразователя. В свою очередь, выходной сигнал является динамическим и регулирует, сколько и когда корректирующее действие необходимо системе коррекции с прямой связью для минимизации смещения определений давления и температуры датчиком.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение относится, в общем, к устройству измерения давления и температуры и, в частности, к узлу кварцевого измерительного преобразователя давления и температуры с динамической коррекцией, предназначенному для использования в нестатических окружениях. Для того чтобы измерять давление и температуру, измерительный преобразователь содержит набор кварцевых датчиков, состоящий из одного резонатора давления, двух резонаторов температуры и одного опорного резонатора. Все четыре кварцевых резонатора вибрируют с колебаниями сдвига по толщине и содержат свой собственный генератор колебаний, который обеспечивает частотный выход. Датчик давления на основе кварцевого резонатора считывает давление среды, воздействию которой подвергается измерительный преобразователь, и его выходной сигнал чувствителен как к давлению, так и к температуре.

Два датчика температуры на основе кварцевых резонаторов являются чувствительными лишь к температуре и обладают одинаковыми температурно-частотными характеристиками. Функция первого датчика температуры на основе кварцевого резонатора является двойной. Первой функцией является измерение температуры, воздействию которой подвергается датчик, а второй - компенсация или коррекция эффектов статического уровня температуры датчика давления на основе кварцевого резонатора. Функцией второго датчика температуры на основе кварцевого резонатора является создание средства динамической коррекции определения давления и температуры датчика. В частности, выход второго резонатора температуры смешивается с первым, обеспечивая средство «дифференциального измерения температуры». Продуктом этих двух является динамический показатель, непосредственно представляющий отклик датчика на температуру, и используется и тот факт, что второй датчик температуры на основе кварцевого резонатора конструктивно исполнен для выполнения более быстрого отклика на изменение температуры, чем первый. Из этого следует, что полученное дифференциальное измерение температуры - это футпринт отклика датчика, поскольку он обладает динамическим выходным сигналом, который меняется при изменении массовой скорости его окружения. За счет динамических средств это представляет собой идеальные входные данные для использования в системе коррекции с прямой связью, чтобы обеспечить быстрые и точные измерения давления и температуры в нестатических условиях.

Наконец, опорный кварцевый резонатор используется для обработки сигналов резонаторов давления и температуры и обычно выполнен как срез типа SC, который обладает очень низкой чувствительностью к температуре. "SC" (срез чувствительности) - это дважды повернутый срез кристалла кварца, что дает в результате свойство, заключающееся в том, что частота резонатора мало изменяется при изменениях температуры в широких пределах. Опорный кварцевый резонатор - это "временная ось" измерительного преобразователя и использована внутри в качестве опорного синхронизирующего или тактового сигнала для микширования и обработки частотных сигналов из генераторов колебаний датчиков давления и температуры.

В частности, предлагается тепловое регулирование, состоящее из двух датчиков температуры. Каждый резонатор температуры установлен в своем собственном изотермическом блоке, причем один характеризуется чуть большей массой, чем другой. Поскольку одному резонатору температуры придана чуть большая масса, чем другому, датчики, несомненно, будут содержать различные постоянные времени. Микшированием частотных выходных сигналов двух кварцевых резонаторов температуры микшер будет создавать частотный сигнал, пропорциональный разности температуры между двумя датчиками и окружением датчика. При этом выходы микшера "выдвигают" динамическое измерение, представляющее температурный градиент или устойчивость узла кварцевого датчика давления и температуры. Это происходит независимо от того, вызван градиент непосредственно изменением температуры окружения или обусловлен адиабатическим эффектом в датчике вследствие изменения давления. Таким образом, конструктивное исполнение с двумя постоянными времени является уникальным, поскольку оно точно контролирует поведение отклика на температуру варианта осуществления датчика. Вместе с уровнем температуры два измерения температуры повышают точность для коррекции помехи градиента определению давления и температуры датчика.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается узел измерительного преобразователя, содержащий: четыре или более генераторов с кварцевой стабилизацией частоты, четыре или более кварцевых резонаторов с колебаниями сдвига но толщине, причем каждый генератор управляется соответствующим резонатором, первый и второй кварцевые резонаторы являются резонатором давления и опорным резонатором, конструктивно исполненными вместе как датчик давления, обеспечивающий частотный выходной сигнал, третий кварцевый резонатор представляет собой резонатор температуры, конструктивно исполненный как датчик температуры, обеспечивающий частотный выходной сигнал, и четвертый кварцевый резонатор представляет собой датчик температуры. Предпочтительные и факультативные признаки изобретения будут понятными из прилагаемой формулы изобретения и из последующего подробного описания двух иллюстративных вариантов осуществления.

Краткое описание графического материала

Вышеприведенное описание и иные признаки настоящего изобретения будут полнее понятными после прочтения последующего описания предпочтительных вариантов осуществления, приведенного со ссылками на прилагаемый графический материал. Фиг.1а, 2а, 3а, … и т.д. относятся к первому варианту осуществления настоящего изобретения, а фиг.1b, 2b, 3b, … и т.д. - ко второму варианту осуществления.

Фиг.1а и 1 представляют собой схемы конструкции узла датчика давления и температуры с его основными компонентами;

фиг.2а и 2b представляют собой еще один комплект схематических представлений датчика, иллюстрирующих его конструктивное исполнение и поток сигналов;

фиг.3 и 3b представляют собой схемы, дополняющие фиг.2а и 2b, которые лишь в виде блок-схемы показывают конструктивное исполнение и маршрутизацию сигналов;

фиг.4а и 4b представляют собой схемы, показывающие основную маршрутизацию сигналов и предварительную обработку необработанных сигналов резонаторного датчика;

фиг.5а и 5b представляют собой схемы, показывающие полную обработку при определении давления измерительным преобразователем, в том числе динамические и статические коррекции температуры;

фиг.6а и 6b представляют собой схемы, показывающие полную обработку при определении температуры измерительным преобразователем, включая динамические и статические коррекции температуры;

фиг.7а и 7b представляют собой схемы эксплуатационной и нагнетательной скважин соответственно, показывающие тепло и распределение тепла из-за технологической системы и распределения тепла в земле;

фиг.8а и 8b представляют собой схемы, показывающие типичный радиальный поток тепла и распределение температуры из добывающей нефтяной/газовой скважины в формацию в варианте осуществления изобретения, предусматривающем установку узла измерительного преобразователя давления и температуры в затрубном пространстве;

фиг.9а и 9b - это то же, что и фиг.8а и 8b, но для случая установки узла измерительного преобразователя давления и температуры на трубах; и

фиг.10, 11, и 12 представляют собой схемы, показывающие в увеличенном и более подробном виде 1- и 2-мерный радиальный поток тепла или теплообмен между теплой добываемой жидкостью и более холодной формацией. Теплопередача создает изотермические поверхности по всем каналам скважины. Эти схемы иллюстрируют распределение тепла, а также градиент температуры, при этом узел измерительного преобразователя давления и температуры в соответствии с настоящим изобретением будет показан в месте фактической установки.

Подробное описание вариантов осуществления измерительного преобразователя в соответствии с изобретением

Два варианта осуществления настоящего изобретения будут описаны в контексте давления и температуры, являющихся основными параметрами, подлежащими измерению, и на которые реагирует измерительный преобразователь 1. Чертежи включены для того, чтобы показать конструктивное исполнение двух вариантов осуществления измерительного преобразователя 1.

Фиг.1а иллюстрирует первый вариант осуществления настоящего изобретения. Секция 6 - это тепловой блок, содержащий основную часть измерения давления и температуры измерительного преобразователя 1, а секция 7 - это вспомогательный тепловой блок, содержащий датчик 5 градиентной температуры.

Кварцевые резонаторы 3 и 4 показаны заключенными в том же окружении и защищенными от давления тем, что заключены в атмосферу, в которой давление все время остается постоянным. Однако они подвержены воздействиям температуры и изменениям температуры. Изменение температуры является функцией одного или нескольких из уровня температуры, физических свойств теплового блока 6 и кварцевых резонаторов 2, 3 и 4 в их конструктивном исполнении и характеризующихся тепловой постоянной 11 времени (см. фиг.2а и 3а).

Кварцевый резонатор 2 установлен, по существу, в том же окружении, что и кварцевые резонаторы 3 и 4, но установлен так, что подвержен воздействиям как температуры, так и давления. Кроме того, кварцевый резонатор 2 датчика давления помещен в камеру, которая является частью теплового блока 6 и заключена в нем и которая заполнена инертным масляным наполнителем. В свою очередь, масляный наполнитель находится под давлением посредством разделительного сильфона 15, наружная сторона которого открыта со стороны окружения измерительного преобразователя 1. Датчик 5 температурного градиента па основе кварцевого резонатора помещен в тепловом блоке 7 и заключен в ту же атмосферу, что и кварцевые резонаторы 3 и 4, которая защищена от давления. Датчик 5 температурного градиента подвержен воздействию температуры и изменения температуры. Как и в случае кварцевых резонаторов 3 и 4, изменение температуры является функцией уровня температуры, физических свойств теплового блока 7 и кварцевого резонатора 5 в его конструктивном исполнении и характеризуется тепловой постоянной 12 времени. Все упомянутые кварцевые резонаторы изготовлены с колебаниями сдвига по толщине.

Теперь, согласно второму варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.1b графических материалов, для одинаковых признаков будут использоваться те же позиции. Секция 6 - это тепловой блок, содержащий основную часть измерения давления и температуры измерительного преобразователя 1, а тепловой блок 7 - это корпус измерения температуры измерительного преобразователя 1. Кварцевые резонаторы 2 и 3 показаны заключенными в один и тот же тепловой блок и в одно и то же окружение. Однако кварцевый резонатор 3 защищен от давления тем, что заключен в атмосферу, в которой давление все время остается постоянным. Они, однако, подвержены воздействиям температуры и изменения температуры, поскольку являются частью одного и того же теплового блока 6. Изменение температуры является функцией уровня температуры, физических свойств теплового блока 6 и кварцевых резонаторов 2 и 3 в их конструктивном исполнении и характеризующихся тепловой постоянной 11 времени (см. фиг.2b и 3b).

Кварцевый резонатор 2 установлен, по существу, в том же окружении, что и кварцевый резонатор 3, но установлен так, что подвержен воздействиям как температуры, так и давления. Кроме того, кварцевый резонатор 2 датчика давления помещен в камеру, которая является частью теплового блока 6 и заключена в нем и которая заполнена инертным масляным наполнительным. В свою очередь, масляный наполнитель находится под давлением посредством разделительного сильфона 15, наружная сторона которого открыта со стороны окружения измерительного преобразователя 1. Любой температурный градиент или разность температуры в этом варианте осуществления 1 измерительного преобразователя контролируется двумя опорными резонаторами 3 и 5. Поскольку опорные резонаторы 3 и 5 размещены в различных тепловых блоках 6 и 7, будет обнаружено любое изменение температуры или разность температуры между этими двумя. Как уже описывалось, изменение температуры является функцией уровня температуры, физических свойств тепловых блоков 6 и 7, характеризующихся тепловыми постоянными 11 и 12 времени соответственно. Как и в случае кварцевых резонаторов первого варианта осуществления, описанного выше, все кварцевые резонаторы этого варианта осуществления также изготовлены с колебаниями сдвига по толщине.

Фит.2а и 2b представляют собой дополняющие схематические чертежи двух предпочтительных вариантов осуществления измерительного преобразователя 1 и более подробно иллюстрируют маршрут сигналов из кварцевых резонаторов 2, 3, 4 и 5.

Фиг.3а представляет собой схему, дополняющую фиг.2а, и иллюстрирует конструктивное исполнение датчиков измерительного преобразователя 1 в виде иллюстрируемой функциональной блок-схемы первого варианта осуществления настоящего изобретения. Для измерения температуры кварцевый резонатор 4 температуры характеризуется относительно большим температурным коэффициентом по сравнению с опорным кварцевым резонатором 3. Кварцевый резонатор 5 температуры характеризуется такой же температурно-частотной характеристикой, как и кварцевый резонатор 4 температуры. Кварцевый резонатор 5 температуры регулирует частоту генератора 22 колебаний. Кварцевый резонатор 4 температуры управляет выходом генератора 21 колебаний. Опорный кварцевый резонатор 3 управляет частотным выходом генератора 20 колебаний. Наконец, кварцевый резонатор 2 давления управляет выходом генератора 19 колебаний.

Выходные сигналы 26 и 27 генераторов 19 и 20 колебаний подают в микшер 23, создающий разностную частоту между соответствующими генераторами 19 и 20 колебаний. Указанную разностную частоту 8 подают в частотомер 16. Выходной сигнал частотомера 8, в свою очередь, подают в процессор 17, обрабатывающий информацию из сигнала 8 датчика давления. Выходной сигнал 8 называется сигналом давления и является функцией приложенного давления и температуры измерительного преобразователя 1. Кроме того, выходной сигнал 27 генератора 20 колебаний подают непосредственно в частотомер 16 и выполняет функцию временной оси или эталонного времени для обработки входных частотных сигналов 8, 9, и 10.

Аналогичным образом, частотный выходной сигнал 28 генератора 21 колебаний температуры подают в микшер 24 и микшируют с опорным генератором 27 колебаний. Разность выходных сигналов между частотными входными сигналами 27 и 28 создает частоту биений или продукт 9, который является входным сигналом в частотомер 16. Выходной сигнал 9 микшера называется сигналом температуры и является функцией уровня температуры измерительного преобразователя 1.

Кварцевый резонатор 5 температуры регулирует частоту генератора 22 колебаний. В свою очередь, выходной сигнал генератора 22 колебаний подают в микшер 25 частот и микшируют с частотным выходным сигналом 28 генератора 21 колебаний температуры. Микшер 25 создает частотный выходной сигнал 10, который называется сигналом "дельта температуры". В целях скорости и величины сигнала 10 два кварцевых резонатора 4 и 5 температуры характеризуются одинаковой термочувствительностью, но прикреплены к двум независимым тепловым блокам 6 и 7 и являются их частью. Тепловые блоки 6 и 7 конструктивно исполнены характеризующимися равным или различным откликом на температуру и изменения температуры со временем, причем эта разница характеризуется тепловыми постоянными 11 и 12 времени. Изменения температуры двух тепловых тел 6 и 7 изменят выходной сигнал каждого из кварцевых резонаторов и, следовательно, укажут на любое изменение и/или разность температуры между этими двумя телами. Таким образом, разность температур между телами 6 и 7 вызовет изменение частотного выходного сигнала 10 микшера 25 и будет подсчитана и обработана частотомером 16 и процессором 17 соответственно.

Во избежание неоднозначных показаний предлагается разработать дифференциальное измерение температуры таким образом, чтобы во всем диапазоне использования не было точек сходимости. Таким образом, практически целесообразно выбрать два кварцевых резонатора 4 и 5 температуры так, чтобы они имели одинаковую чувствительность температур к изменениям частоты, но при этом характеризовались достаточной разностью номинальной частоты для того, чтобы частота этих двух никогда не сходилась (не становилась равной) во всем используемом диапазоне температуры и разности температур. Например, если максимальная разность температур, ожидаемая в измерительном преобразователе 1, равна 20°С, номинальную частоту кварцевого резонатора 5 температуры выбирают такой, что она сходится в точке на 25-30°С ниже номинальной частоты кварцевого резонатора 4 температуры.

Хотя кварцевые резонаторы 4 и 5 температуры проиллюстрированы как характеризующиеся положительным температурным коэффициентом, в пределах объема этого изобретения заключено обеспечить отрицательный температурный коэффициент двух кварцевых резонаторов, пока они не будут обладать неоднозначными частотно-температурными характеристиками.

Кварцевый резонатор 2 установлен в том же окружении 5, что и кварцевые резонаторы 3 и 4, но отделен от него. В то время как кварцевые резонаторы 3 и 4 размещены так, чтобы не подвергаться воздействиям изменения давления, кварцевый резонатор 2 помещен внутри заполненной жидким наполнителем секции, подвергающейся воздействию изменений температуры и давления. Кроме того, любые изменения температуры в системе под давлением, вызванные адиабатическими эффектами, будут переданы в тепловой блок 5 и считаны кварцевым резонатором 4 температуры.

Фиг.3b представляет собой схему, дополняющую фиг.2b, и иллюстрирует конструктивное исполнение датчиков измерительного преобразователя 1 в виде иллюстрируемой функциональной блок-схемы первого варианта осуществления настоящего изобретения.

Для измерения температуры кварцевый резонатор 4 температуры характеризуется относительно большим температурным коэффициентом по сравнению с опорным кварцевым резонатором 5 и регулирует частотный выходной сигнал генератора 21 колебаний. В свою очередь, опорный кварцевый резонатор 5 обладает такими же температурно-частотными характеристиками, как и опорный кварцевый резонатор 3, и регулирует частотный выходной сигнал генератора 20 колебаний. Наконец, кварцевый резонатор 2 давления характеризуется чувствительностью к давлению и температуре и управляет выходом генератора 19 колебаний.

Выходные сигналы 26 и 27 генераторов 19 и 20 колебаний подают в микшер 23, создающий разностную частоту между соответствующими генераторами 19 и 20 колебаний. Указанная разностная частота 8 подана в частотомер 16. Выходной сигнал частотомера 16, в свою очередь, подан в процессор 17, обрабатывающий информацию из сигнала 8 датчика давления. Выходной сигнал 8 называется сигналом давления и является функцией приложенного давления и температуры измерительного преобразователя 1. Кроме того, выходной сигнал 27 генератора 20 колебаний подают непосредственно в частотомер 16 и выполняет функцию временной оси или эталонного времени для обработки входных частотных сигналов 8, 9, и 10.

Подобно тому, как описано выше, частотный выходной сигнал 28 генератора 21 колебаний температуры подают в микшер 24 и микшируют с опорным генератором 27 колебаний. Разность выходных сигналов между частотными входными сигналами 28 и 29 создает частоту биений или продукт 9, который является входным сигналом в частотомер 16. Выходной сигнал 9 микшера называется сигналом температуры и является функцией уровня температуры измерительного преобразователя 1.

Опорный кварцевый резонатор 5 регулирует частоту генератора 22 колебаний. В свою очередь, выходной сигнал генератора 22 колебаний подают в микшер 25 частот и микшируют с частотным выходным сигналом 28 опорного генератора 21. Микшер 25 создает частотный выходной сигнал 10, который называется сигналом "дельта температуры" или сигналом дельта-R. Для цели изобретения два опорных кварцевых резонатора 3 и 5 характеризуются одинаковой термочувствительностью, но прикреплены к двум независимым тепловым блокам 6 и 7 и являются их частью. Тепловые блоки 6 и 7 конструктивно исполнены имеющими равный или различный отклик на изменение температуры, и различие между двумя характеризуется их тепловыми постоянными 11 и 12 времени. Изменения температуры двух тепловых тел 6 и 7 вызовут изменение выходного сигнала. Таким образом, изменение температуры и разность температур между телами 6 и 7 вызовут изменение частотного выходного сигнала 10 и будут подсчитаны и обработаны частотомером 16 и процессором 17 соответственно.

Во избежание неоднозначных показаний предлагается разработать дифференциальное измерение температуры таким образом, чтобы во всем диапазоне использования не было точек сходимости. Таким образом, практически целесообразно выбрать два опорных кварцевых резонатора 3 и 5 так, чтобы они характеризовались одинаковой чувствительностью температуры к изменениям частот, но при этом обладали достаточной разностью номинальной частоты для того, чтобы частота этих двух никогда не сходилась (не становилась равной) во всем используемом диапазоне температуры и разности температур. Например, если максимальная разность температур, ожидаемая в измерительном преобразователе 1, равна 20°C, номинальную частоту опорного кварцевого резонатора 5 выбирают такой, что она сходится в точке на 25-30°C ниже поминальной частоты опорного кварцевого резонатора 3.

Хотя опорные кварцевые резонаторы 3 и 5 проиллюстрированы как характеризующиеся положительным температурным коэффициентом, в пределах объема настоящего изобретения предусмотрено обеспечение отрицательного температурного коэффициента этих двух кварцевых резонаторов, пока они не будут обладать неоднозначными частотно-температурными характеристиками.

Кварцевый резонатор 2 установлен в том же окружении или тепловом блоке 6, что и кварцевый резонатор 3. Комплекты 4 и 5 кварцевых резонаторов отделены от них и помещены в их собственный тепловой блок 7. Однако все кварцевые резонаторы установлены в корпусе 1 измерительного преобразователя и подвержены воздействию одного и того же температурного окружения. Однако кварцевые резонаторы 3, 4 и 5 установлены не подвергающимися воздействиям изменения давления, в то время как кварцевый резонатор 2 помещен внутри заполненной жидкостью секции теплового блока 6 и подвергается воздействию изменений температуры и давления окружения измерительного преобразователя 1. Кроме того, любые изменения температуры в системе под давлением, вызванные адиабатическими эффектами, будут передаваться в тепловой блок 6 и вызывать изменение температуры и разность температур между этими двумя тепловыми телами 6 и 7. В свою очередь, в ответ на состояние градиента микшер 25 будет получать изменение выходного сигнала 10.

Согласно фиг.4а кварцевый резонатор 2 вырезан с колебаниями сдвига по толщине и является чувствительный как к температуре, так и к давлению. Кварцевый резонатор 3 ориентирован и вырезан так, чтобы быть как можно менее чувствительным к температуре во всем диапазоне температуры. Однако опорный кварцевый резонатор 3 обладает некоторыми температурно-частотными характеристиками, но они малы по сравнению с температурно-частотными характеристиками кварцевых резонаторов 2, 4 и 5. Следовательно, когда на кварцевый резонатор 2 будет воздействовать давление, на выходе микшера 23 появится выходной сигнал 8, равный разности частоты кварцевых резонаторов 2 и 3. Сигнал 8 F_p будет функцией давления и температуры и опорного сигнала измерительного преобразователя. Описанный сигнал называется F_P(P, R) и является входным сигналом частотомера 16.

Аналогичным образом, кварцевый резонатор 4 температуры является частью того же окружения, что и кварцевые резонаторы 2 и 3, но изготовлен как срез, очень чувствительный к температуре. Тем самым обеспечена отличная частотно-температурная характеристика по сравнению с кварцевыми резонаторами 2 и 3. Следовательно, когда на кварцевый резонатор 4 будет воздействовать температура, на выходе микшера 24 появится выходной сигнал 9 F_T1, равный разности частоты кварцевых резонаторов 3 и 4. Сигнал или частота биений 9, или F_T1, будет функцией температуры Т₁ теплового блока 6 и опорного сигнала R измерительного преобразователя 1. Этот сигнал и его функция выражен как F_T(T₁, R).

Наконец, кварцевый резонатор 5 изготовлен с тем же срезом и той же чувствительностью к температуре, что кварцевый резонатор 4. Однако кварцевый резонатор 5 прикреплен к тепловому блоку 7 и конструктивно исполнен имеющим иную постоянную времени при изменении температуры, чем кварцевый резонатор 4. Кварцевый резонатор 5 установлен в том же окружении 1 измерительного преобразователя, что и кварцевый резонатор 4, но отделен средствами тепловой чувствительности, поскольку два тепловых блока 6 и 7 конструктивно исполнены с разными тепловыми постоянными 11 и 12 времени. Кварцевые резонаторы 4 и 5 не подвергаются воздействиям изменений давления. Однако кварцевый резонатор 4 будет считывать вызванные давлением изменения температуры, например, в тепловом блоке 6, обусловленные адиабатическими эффектами в чувствительной к давлению жидкости и воздействиями на кварцевый резонатор.

При изменении температуры два кварцевых резонатора будут обладать разными характеристиками теплового отклика, поскольку постоянная времени теплового блока 6 отличается от тепловой постоянной времени теплового блока 7. Кварцевый резонатор датчика с более коротким временем теплового отклика будет "обгонять" или опережать по фазе дольше, поскольку будет промежуточный или переходной период при изменении температуры, когда появится кажущаяся разность температур между этими двумя в течение периода температурного градиента. Следовательно, поскольку выходные сигналы 28 и 29 кварцевых резонаторов микшированы микшером 25, изменение выходного сигнала 10 будет происходить каждый раз при изменении температуры или разности температур между этими двумя кварцевыми резонаторами. Кроме того, на выходе микшера 25 появится выходной сигнал 10, равный разности частоты этих кварцевых резонаторов и пропорциональный их разности температур. Для средств обработки выходной сигнал 10 микшера 25 называется "ΔT" и выражается как функция F(T₁, T₂). Сигнал ΔT является показателем теплоустойчивости узла 1 измерительного преобразователя. В свою очередь, ΔT использован для динамической коррекции определения давления и температуры измерительным преобразователем 1.

Согласно фиг.4b кварцевый резонатор 2 вырезан с колебаниями сдвига по толщине и является чувствительный как к температуре, так и к давлению. Кварцевые резонаторы 3 и 5 ориентированы и вырезаны так, чтобы быть как можно менее чувствительными к температуре во всем диапазоне температуры.

Однако опорные кварцевые резонаторы 3 и 5 обладают некоторыми температурно-частотными характеристиками, но они малы по сравнению с температурно-частотными характеристиками кварцевых резонаторов 2 и 4. Следовательно, когда на кварцевый резонатор 2 будет воздействовать давление, на выходе микшера 23 появится выходной сигнал 8, равный разности частоты кварцевых резонаторов 2 и 3. Сигнал 8 (F_p) будет функцией давления/температуры и опорного сигнала #1 измерительного преобразователя. Описанный сигнал называется F_p(P, R_#1) и является входным сигналом частотомера 16.

Аналогичным образом, кварцевый резонатор 4 температуры является частью того же окружения, что и опорный кварцевый резонатор 5, но изготовлен как срез, очень чувствительный к температуре. Тем самым кварцевый резонатор температуры 4 обеспечивает отличную частотно-температурную характеристику по сравнению с кварцевыми резонаторами 2, 3 и 5. Следовательно, когда на кварцевый резонатор 4 будет воздействовать температура, на выходе микшера 24 появится выходной сигнал 9, называемый F_T, равный разности частоты кварцевых резонаторов 5 и 4. Сигнал или частота биений 9 будет функцией температуры Т₂ теплового блока 7. Этот сигнал и его функция выражены как F(T, R_#2).

Наконец, кварцевый резонатор 5 изготовлен с тем же срезом и той же чувствительностью к температуре, что кварцевый резонатор 3. Однако кварцевый резонатор 5 прикреплен к тепловому блоку 7 и конструктивно исполнен имеющим иную постоянную времени при изменении температуры, чем кварцевый резонатор 3. Кварцевый резонатор 5 установлен в том же окружении измерительного преобразователя 1, что и кварцевый резонатор 3, но отделен средствами тепловой чувствительности, поскольку два тепловых блока 6 и 7 конструктивно исполнены имеющими разные тепловые постоянные 11 и 12 времени. Кварцевые резонаторы 3 и 5 не подвергаются воздействиям изменений давления. Однако кварцевый резонатор 3 будет считывать вызванные давлением изменения температуры, например, в тепловом блоке 6, обусловленные адиабатическими эффектами в чувствительной к давлению жидкости и воздействиями на кварцевый резонатор.

При изменении температуры эти два опорных кварцевых резонатора будут обладать разными характеристиками теплового отклика, поскольку постоянная времени теплового блока 6 отличается от постоянной времени теплового блока 7. Таким образом, опорный кварцевый резонатор, характеризующийся более быстрым тепловым откликом или более короткой постоянной времени, будет "обгонять " или опережать по фазе опорный кварцевый резонатор с более длинной постоянной времени. Следовательно, появится кажущаяся разность температур между этими двумя в течение периодов температурного градиента, вызывающими изменение выходного сигнала 10. Изменение выходного сигнала будет равно разности частоты опорных кварцевых резонаторов 3 и 5 и пропорционально разности температур (т.е. между этими двумя). Для средств обработки выходной сигнал 10 микшера 25 называется ΔT/ΔR и выражен как функция F(R_#1, R_#2). Сигнал ΔT является показателем теплоустойчивости узла 1 измерительного преобразователя. В свою очередь, ΔT использован для динамической коррекции определения давления и температуры измерительным преобразователем 1.

Фиг.5а и 5b представляют собой схемы обработки сигналов для определения давления двух проиллюстрированных вариантов осуществления измерительного преобразователя 1. Выходные сигналы микшеров 23, 24, и 25 все поданы в динамический блок 13, который выдает корректирующий сигнал "е" в выходной сигнал 8 кварцевого резонатора 2. В динамическом блоке 13 выходной сигнал 8 микшера давления микширован с корректирующим частотным выходным сигналом "е" модели динамической коррекции температуры. Динамический блок 13 выполнен таким образом, что при статических температурных условиях он не обрабатывает никакой корректирующий выходной сигнал. Причем характер динамического блока 13 является таким, что он не оказывает никакого корректирующего действия на определение давления измерительным преобразователем 1, если температура измерительного преобразователя находится в установившемся состоянии и нет разности температур между двумя внутренними тепловыми телами 6 и 7.

Соответственно, в случае изменения температуры или разности температур между тепловыми телами 6 и 7 динамика блока 13 выдаст выходной сигнал "е", равный ожидаемому сдвигу частоты кварцевого резонатора 2, вызванному изменением температуры или разностью температур. Средствами динамики откорректированный сигнал 30 является многомерной функцией, коэффициенты диффузии которой смещены уровнями 8 и 9 давления и температуры и пропорциональны изменению температуры или разности температур, контролируемым выходным сигналом 10. Сигнал 30 с тепловой коррекцией называется F_p` и подан в статический блок 32 для традиционных средств температурной коррекции и линеаризации. Специалистам в данной области техники ясно, что для достижения оптимальной точности определения давления измерительным преобразователем 1 может быть предпочтительным создать наборы разных значений для динамических и статических коэффициентов, выделенных каждому изготовленному измерительному преобразователю. В свою очередь, выведенные коэффициенты обычно зависят от того, какие ожидаются диапазоны давления и температуры. Обе модели коррекции, т.е., динамический блок 13 и статический блок 32, не являются функциями физических аппаратных средств, а реализуются в программном обеспечении и включены как задания обработки сигналов процессора 17. Однако они обе являются моделями тепловой коррекции, которые учитывают тепловую динамику кварцевых резонаторов измерительного преобразователя 1.

Фиг.6а и 6b представляют собой схемы обработки сигналов для определений температуры двух проиллюстрированных вариантов осуществления измерительного преобразователя 1. Выходные сигналы микшеров 24 и 25 все поданы в динамический блок 14, который выдает корректирующий сигнал "е" в выходной сигнал 9 кварцевого резонатора 4. В динамическом блоке 14 выходной сигнал 9 микшера температуры микшируется с корректирующим частотным выходным сигналом "е" модели динамической коррекции температуры. Разность частот между этими двумя равна выходному сигналу 31, который, в свою очередь, подвергается тепловой коррекции. Как и в случае блока динамической коррекции 13, основным свойством динамического блока 14 является то, что он не оказывает никакого корректирующего действия на определение давления измерительным преобразователем 1, если температура измерительного преобразователя находится в установившемся состоянии и нет разности температур между двумя тепловыми телами 6 и 7.

И, напротив, в случае изменения температуры или разности температур между тепловыми телами динамика блока 14 выдаст выходной сигнал "е", равный ожидаемому уходу частоты кварцевого резонатора 4, вызванному протекающим изменением температуры или разностью температур. Откорректированный сигнал 31 температуры является многомерной функцией, и ее коэффициенты диффузии смещены уровнем 9 температуры. В свою очередь, выходной сигнал блока пропорционален разности температур и функции выходного сигнала 10. Сигнал 31 с тепловой коррекцией называется F_т и подан в статический блок 33 для традиционных средств линеаризации.

Специалистам в данной области техники ясно, что для достижения оптимальной точности определения давления измерительным преобразователем может быть предпочтительным создать наборы разных значений для динамических и статических коэффициентов, выделенных каждому изготовленному измерительному преобразователю и зависящих от того, какие ожидаются диапазоны температуры. Обе модели коррекции, т.е. динамический блок 14 и статический блок 33, не являются функциями физических аппаратных средств, а реализуются в программном обеспечении и включены как задания обработки сигналов процессора 17. Однако они обе являются моделями тепловой коррекции, которые учитывают тепловую динамику кварцевых резонаторов измерительного преобразователя 1.

Для цели изобретения фиг.7а и 7b иллюстрируют скважины разных типов. На фиг.7а показана эксплуатационная скважина, а на фиг.7b - нагнетательная скважина. Насосно-компрессорные трубы обеих скважин используют для транспортировки технологической среды, состоящей из газа, жидкости или их сочетания. В обоих проиллюстрированных случаях технологические среды способствуют теплопередаче путем конвекции и теплопроводности. Как в любом случае применения тепла, тепло передается от горячего окружения к холодному. Таким образом, тепло будет протекать и передаваться в этих случаях, как проиллюстрировано, создавая двумерный (аксиальный и радиальный) поперечный профиль температуры.

Фиг.8а, 8b, 9а и 9b более подробно иллюстрируют местоположение измерительного преобразователя 1, установленного на оснащенной скважине. На фиг.8а и 8b измерительный преобразователь прикреплен к стенке обсадной колонны скважины, а на фиг.9а и 9b он прикреплен к насосно-компрессорным трубам или оснащению. Фиг.8 и 9 показывают скважину в поперечном сечении и иллюстрируют радиальный профиль температуры, вызванный теплопередачей.

Если обратимся к фиг.10, 11, и 12, эти чертежи представляют собой более подробный вид профиля температуры скважины в отношении измерительного преобразователя 1 и его установки. Фиг.10 показывает воображаемый профиль температуры, вызванный теплопроводностью от добываемых сред через каналы скважины. Фиг.11 показывает одномерную теплопроводность в скважине с установленным постоянным измерительным преобразователем давления и температуры. Фиг.12 показывает поток тепла в кварцевом измерительном преобразователе давления и температуры при допущении, что температура t₃выше температуры t₄.

Чертежи выполнены для цели настоящего изобретения, чтобы проиллюстрировать необходимость в средствах динамической коррекции температуры, таких как измерительный преобразователь 1, место установки [которых] по определению находится в зоне градиента температуры. Кроме того, вследствие изменений технологических нагрузок проиллюстрированный профиль температуры будет колебаться и вызывать температурные градиенты в измерительном преобразователе 1. Профиль температуры в измерительном преобразователе 1 показан линиями потока 36 тепла и изотермами 37 (см. фиг.12) в направлении теплового перепада или теплопередачи в поперечном сечении измерительного преобразователя. Из-за теплопередачи из скважины в окружающую формацию измерительный преобразователь 1 поддерживается при высокой температуре t₃(38) с одной стороны и низкой температуре t₄ (39), где тепло выходит. Опять-таки, это служит цели иллюстрации необходимости в динамической коррекции температуры при определении давления и температуры измерительным преобразователем, требуемой средой и место с градиентом температуры.

Реферат

Изобретение относится, в общем, к устройству измерения давления и, в частности, к узлу кварцевого измерительного преобразователя давления и температуры, характеризующегося улучшенной коррекцией ошибок при воздействии градиентов давления и температуры. Заявленный узел измерительного преобразователя содержит первый, второй, третий и четвертый генераторы (19, 20, 21, 22) с кварцевой стабилизацией частоты и первый, второй, третий и четвертый кварцевые резонаторы (2, 3, 4, 5) с колебаниями сдвига по толщине, где первый, второй, третий и четвертый генератор управляется соответственно первым, вторым, третьим и четвертым кварцевым резонатором, при этом первый и второй кварцевые резонаторы образуют соответственно резонатор (2) давления и опорный резонатор (3), которые вместе конструктивно исполнены как датчик давления, обеспечивающий частотный выходной сигнал (8); третий кварцевый резонатор (4) образует первый резонатор температуры, конструктивно исполненный как датчик температуры, обеспечивающий частотный выходной сигнал (9); и четвертый кварцевый резонатор (5) образует второй датчик температуры, при этом частотный выходной сигнал (22) четвертого генератора микшируют с частотным выходным сигналом третьего генератора (21) для получения динамического теплового выходного сигнала (10), и резонатор (5) второго датчика температуры является частью того же держателя (6), что и опорный резонатор (3) и первый резонатор (4) температуры, или является частью другого держателя (7). Технический результат заключается в повышении точности измерений. 37 з.п. ф-лы, 12 ил.

Формула