Високочутливий датчик електропровідності бурового розчину

Ахметшин Р.М., Лугуманов М.Г. (ВАТ НПФ «Геофізика»)

При бурінні свердловин широко використовується інформація про технологічні параметри буріння, що дозволяє оптимізувати розкриття продуктивних інтервалів, а отже, підвищити ефективність та покращити техніко-економічні показники розвідувального та експлуатаційного буріння. Електропровідність є одним з основних властивостей бурового розчину. Електричний опір є надійним критерієм виділення зон аномально високого пластового тиску і водонасичених колекторів, мінералізація води в яких, як правило, вище мінералізації промивної рідини. Вимірювання електропровідності дозволяє швидко і ефективно вибирати оптимальну рецептуру бурового розчину, оперативно визначати моменти розкриття продуктивних пластів при бурінні.

Вітчизняні датчики не завжди відповідають вимогам точності і надійності, необхідним для геофізичних досліджень, тому перед спеціалістами ВАТ НПФ «Геофізика» було поставлено завдання розробити датчик, що дозволяє в безперервному режимі контролювати електропровідність бурового розчину та відповідає вимогам експлуатації в умовах бурової.

Відомі контактний і безконтактний методи вимірювання електропровідності. Безконтактний метод підрозділяється на низькочастотну і високочастотну кондуктометрів, а високочастотна кондуктометрів, у свою чергу, на місткостей і індуктивності.

Одним їх самих простих методів вимірювання електропровідності є контактний метод. Його недоліками є постійний контакт електродів з рідиною, руйнування їх внаслідок електролізу, а також поляризація електродів.

Особливістю приладів, які використовують безконтактний метод, є відсутність гальванічного контакту електродів з аналізованої середовищем.

Низькочастотна безконтактна кондуктометрів реалізується на частоті до 1000 Гц і використовується для вимірювання сильних електролітів і слабких, якщо їх питома електрична провідність знаходиться в межах 1-10-6 См/см.

Метод безконтактної високочастотного кондуктометрів заснований на взаємодії електромагнітного поля високої частоти (близько 105-108 Гц) з аналізованим розчином, що знаходяться в вимірювальної комірки ємнісного або індуктивного типу. В результаті взаємодії змінюється імпеданс осередку, який функціонально пов'язаний з електричними властивостями аналізованого розчину - електричну провідність і діелектричної проникністю. За конструктивним виконанням вимірювальні осередку підрозділяються на проточні і заглибні.

Проаналізувавши можливості існуючих методів, фахівцями ВАТ НПФ «Геофізика» для виготовлення високочутливого датчика електропровідності бурового розчину був обраний безконтактний індуктивний метод вимірювання електропровідності погружного типу. Датчик перетворить питому електропровідність розчину в електричний сигнал і складається з 2-х частин: індуктивно-трансформаторного датчика і блоку електроніки.

Вимірювальний перетворювач індуктивно-трансформаторного датчика являє собою систему двох співісний розташованих тороїдальних котушок індуктивності, охоплених загальною петлею зв'язку у вигляді рідинного витка досліджуваної середовища. Для підвищення електричної чутливості датчика і зниження рівня електричних перешкод, обумовлених індуктивними і ємнісними зв'язками, котушки індуктивності виконуються на сердечниках з підвищеною магнітною проникністю. У разі обмеженого обсягу датчика та малого перетину магнітопровода котушок для отримання високої чутливості датчика його робоча частота повинна перебувати в межах 10-100 кГц. Вибір припав на марганець-цинковий феритове кільцевої сердечник, тому що дані ферити застосовуються як магнітопровода у виробах, що працюють в слабких синусоїдальних магнітних полях, в дроселях, котушках індуктивності та інших виробах радіоелектронної апаратури, крім того він має високу термостабільність.

Котушки індуктивності 1 (рис. 1) поміщені в корпус з нержавіючої сталі 2. Для підвищення вологостійкості, а так само вібро-і удароміцності корпус з феритовими кільцями заливається герметиком. Сформувати рідинної виток електричної зв'язку з досліджуваної рідини дозволяє фторопластова кришка 3, герметично закриває корпус з котушки. Датчик легко розбирається, отже, ремонтопрігоден. Корпуси датчика і блоку електроніки з'єднані між собою металевою трубкою 4. У порожнину трубки поміщені з'єднувальні проводи 5, захищені екраном.

Блок електроніки складається з герметичного металевого корпусу 8 з комутаційним роз'ємом 6 та електронної плати 7, жорстко закріпленою в корпусі.

Рис. 1. Датчик електропровідності

Принцип роботи датчика. За допомогою генератора високочастотного синусоїдальної напруги (100 кГц) 1 (рис. 2), підключеного до котушки збудження, в навколишнього датчик рідини порушується змінне електромагнітне поле вихрових струмів, величина яких пропорційна електропровідності рідини. Вторинне електромагнітне поле вихрових струмів збуджує в вимірювальної котушці змінну EDS, величина якого так само пропорційна електропровідності рідини, в яку занурений датчик.

Високочастотні синусоїдальну напруга подається на вхід нормуючим підсилювача 2, потім на схему прецизійного випрямляча 3, де випрямляється і перетвориться у вихідний аналоговий сигнал (0 - 5) В. Живлення датчика здійснюється напругою ± 12 В, діапазон робочих температур (-40