Автоматизация производственных процессов в бурении

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Типовые преобразователи ГСП в пневмосигналы

Для преобразования измерительной информации в унифицированный сигнал в ГСП применяют преобразователи, работающие на принципе силовой компенсации.

Электрические частотно-силовые датчики и преобразователи ГСП предназначены для работы в комплекте с цифровыми приборами, машинами цифрового контроля и управления (МЦКУ) и управляющими вычислительными машинами (УВМ) с использованием средств ввода информации.

Принципиальная схема пневмосилового преобразователя показана на рис. 3.3. Измеряемая физическая величина преобразуется в измерительном блоке 1 в пропорциональное усилие Р, которое, воздействуя на рычаг 2, приводит к перемещению заслонки 5 относительно сопла 6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При этом давление в пневмосистеме 7 увеличивается и воздейвует на сильфон обратной связи 8. Усилие обратной связи через рычаг 9 передается рычагу 2, вследствие чего положение заслонки относительно сопла и давление на выходе пневмолиний в процессе измерения в каждый данный момент соответствуют значению измеряемой физической величины. Пределы изменения выходного сигнала 20 -- 100 кПа.

Преобразователь настраивают на заданный диапазон измерения изменением передаточного отношения рычажной системы, что осуществляется перемещением сухаря 3. Точная установка начального значения у выходного сигнала преобразователя выполняется пружиной 4 корректора нуля.

Рассмотренные преобразователи предусмотрены для работы с чувствительными элементами для измерения давления, разности давлений, вакуума, температуры, расхода и других физических величин.

Для связи между ветвями ГСП используются преобразователи сигналов. Эти преобразователи используются для создания единой системы приборов и устройств, входящих в различные ветви ГСП (электрическую аналоговую и дискретную, пневматическую и гидравлическую).

Для преобразования унифицированного непрерывного сигнала постоянного тока в пропорциональный унифицированный пневматический сигнал применяется электропневматический преобразователь ЭПП-63, схема которого изображена на рис. 3.4.

Унифицированный сигнал постоянного тока поступает в обмотки катушки 2, закрепленной на рычаге 3, и создает при взаимодействии с магнитным полем постоянного магнита втягивающее усилие. При этом заслонка 9 приближается к соплу 8, и давление в камере Мк пневмоусилителя увеличивается. Дифференциальная мембрана 7 откроет доступ воздуха из камеры Пк в камеру Вк и к сильфону обратной связи 6, который, действуя на рычаг 3 через рычаг 5 и тягу 4, осуществляет силовую компенсацию. Таким образом осуществляется пневмосиловая компенсация, и изменение давления воздуха на выходе пневмоусилителя всегда будет пропорционально изменению тока на входе электропневмопреобразователя.

Пневмоэлектрические преобразователи предназначены для непрерывного линейного преобразования унифицированного пневматического сигнала в пропорциональный унифицированный электрический сигнал постоянного или переменного тока.

В схеме прямого преобразования (рис. 3.5,а) чувствительный элемент / воспринимает давление сжатого воздуха и преобразует его в механическое перемещение, а последнее элементом 2, в свою очередь -- в электрический сигнал.

Схема устройства пневмоэлектрического преобразователя прямого преобразования типа ППЭ-6 показана на рис. 3.6,а. Пневмосигнал, поступая в корпус 6, действует на сильфон /, в котором установлена пружина 5. К дну сильфона крепится шток, на другом конце которого закреплен сердечник 3, расположенный в полости катушек дифференциального трансформаторного преобразователя, имеющего обмотку питания 2 и вторичную обмотку 4. Изменение давления на входе ППЭ-6 приводит к сжатию сильфона и перемещению сердечника. Вследствие этого на выходе вторичной катушки будет пропорционально изменяться напряжение.

В схеме пневмоэлектрического преобразователя с электросиловой компенсацией (рис. 3.6,6) унифицированный пневмосигнал, действуя на пружину 1, создает усилие, которое через тягу 2 действует на рычажный механизм 3 преобразователя и уравновешивается усилием магнитоэлектрического устройства обратной связи. Изменение пневмосигнала приводит к перемещению индикаторной пластины 6 относительно индукционной катушки, индуктивность которой L1 входит в колебательный контур высокочастотного генератора. При этом изменяется выходное напряжение генератора, которое через конденсатор С1 подается на диод D1, где выпрямляется, а затем усиливается двухкаскадным полупроводниковым усилителем, собранным на транзисторах Т2 и Т1. Выходной сигнал, поступающий в линию связи, используется для создания усилия обратной связи. Выходной ток, проходя по виткам катушки L2, укрепленной на рычаге 3, создает магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем постоянного магнита 7, а также компенсационное усилие. Таким образом, выходной ток пропорционален величине пневмосигнала, поступающего на вход преобразователя. Для настройки преобразователя предусмотрен регулировочный винт 5 с пружиной 4.

Электрогидравлические преобразователи предназначены для преобразования унифицированного сигнала электрического тока в соответствующий гидравлический сигнал.

Входным сигналом является электрический ток, поступающий на электрогидравлический управляющий элемент и преобразующийся в механическое перемещение -- вход гидравлического усилителя. К выходу последнего может быть присоединен гидравлический двигатель. На выходе электрогидравлического преобразователя получают сигнал в виде давления или расхода рабочей жидкости.

В качестве управляющих элементов применяют электрические включающие элементы (реле, микровыключатель). В качестве усилителей используют золотниковое устройство или струйную трубку в сочетании с поршневым сервоприводом.

Электрогидравлические преобразователи применяют преимущественно в электрогидравлических исполнительных механизмах.

Для преобразования электрических аналоговых унифицированных сигналов в дискретные или дискретных сигналов в аналоговые применяют соответствующие преобразователи сигналов электрических величин.

2. Электрические термометры сопротивления. Измерение сопротивления термометра

Действие электрических термометров сопротивления основано на свойстве материалов менять электропроводность в зависимости от температуры. Так, сопротивление большинства металлов при нагреве их на 1 °С увеличивается в среднем на 0,4 -- 0,6%, а окислов металлов (полупроводников), наоборот, уменьшается в 8 -- 15 раз по сравнению с металлами.

В комплект этих термометров входят чувствительный элемент, измерительный прибор и соединительные провода. В качестве чувствительного элемента применяют металлическую проволоку (или ленту), навитую на изоляционный каркас и заключенную в защитный кожух.

В качестве измерительных приборов используют уравновешенные и неуравновешенные мосты, потенциометры и магнитоэлектрические логометры.

Электрические термометры обладают следующими преимуществами, обеспечивающими широкое применение их в промышленности:

возможность градуировки термометра в значительном диапазоне (от -- 200 до +700°С) на любой температурный интервал; высокая степень точности измерения температуры; возможность расположения вторичного измерительного прибора на значительном расстоянии от места измерения температуры (термоприемника); возможность автоматической записи температуры и автоматического регулирования ее, централизация контроля температуры путем присоединения нескольких термометров к одному измерительному прибору.

К недостаткам термометров сопротивления следует отнести: необходимость постороннего источника питания, ограничения по применению его во взрывоопасной среде, значительная длина чувствительного элемента, не позволяющая измерить температуру в заданной точке, и разрушаемость при вибрациях (платиновые термометры).

В качестве сопротивления используют платину, медь и полупроводниковые элементы.

Платина обладает всеми свойствами, предъявляемыми к материалам для электрических термометров сопротивления. Применяется она в виде проволоки диаметром от 0,05 до 0,07 мм или ленты сечением от 0,002 до 0,005 мм². В окислительной среде инертна даже при высокой температуре, однако в восстановительной среде при высоких температурах возможно загрязнение платины окисью углерода и парами металлов, что вызывает хрупкость и непостоянство ее характеристики. Температурный коэффициент сопротивления платины б?3,9*10^-3 °С^-1, удельное сопротивление с =0,1 Ом*мм²/м.

Медь -- сравнительно дешевый металл, легко получаемый в чистом виде, обладает высоким температурным коэффициентом сопротивления, равным 4,25*10^-3 °C^-1. Одним из достоинств меди является линейный характер зависимости сопротивления от температуры в интервале от -- 50 до 200 °С, недостатком -- малое удельное сопротивление (с?0,018 Ом*мм²/м) и ее легкая окисляемость.

Полупроводники. Характерной особенностью их является резкий рост проводимости с повышением температуры. Полупроводниковые сопротивления, электрическое сопротивление которых резко уменьшается с увеличением температуры, называются термосопротивлениями (ТС). Они имеют цилиндрическую форму или форму

дисков, диаметр стержня изменяется от 20 мкм до 5 -- 10 мм, длина составляет 1 -- 50 мм. Диаметр диска от 1 мм до нескольких сантиметров и толщина 0,02 -- 1 см.

Возможно изготовление таких полупроводников, сопротивление которых меняется в интервале температур от 0 до 300 °С в 1000 раз. Сопротивление платины в этом же температурном интервале увеличивается приблизительно в 2 раза.

Для изготовления термосопротивлений путем спекания мелкодисперсных порошковых материалов, замешанных с соответствующей органической связкой и растворителем, используют смеси двуокиси титана и окиси магния, окиси никеля в соединении с окислами марганца, смеси окислов марганца, никеля и кобальта, окись железа в соединении с такими веществами, как MgAl₂О₄, MgCr₂О_4, ZnTiО₄ и др. Различными сочетаниями компонентов и их пропорций можно изменять электропроводность и температурный коэффициент сопротивления.

Высокий температурный коэффициент электрического сопротивления термосопротивлений обусловливает высокую чувствительность их. Термосопротивления, благодаря малым габаритным размерам, позволяют измерять температуру в труднодоступных местах. Кроме того, их высокое омическое сопротивление (30000 -- 40000 Ом) позволяет пренебрегать сопротивлением подводящих проводников и переходными контактными сопротивлениями. К недостаткам полупроводниковых термосопротивлений следует отнести нестабильность их характеристики во времени.

Устройство термометров сопротивления

Платиновые термометры сопротивления типа ТСП предназначены для температур от -- 200 до +650 °С. Они выполнены из платиновой проволоки диаметром 0,07 мм, навитой на слюдяную пластинку 1 (рис. 6.3) с зубчатыми краями. В прорезях слюдяной пластинки укреплены концы серебряных выводов 2, к которым припаяны концы проволоки элемента сопротивления. Платиновая проволока изолирована с двух сторон слюдяными накладками 3, скрепленными обмоткой из серебряной ленточки 4. Элемент сопротивления помещен в защитную трубку 5 из нержавеющей стали. Свободное сечение трубки с обеих сторон изолированного элемента сопротивления заполнено по всей длине алюминиевыми вкладышами 6. Провода выводов изолированы фарфоровыми трубчатыми изоляторами 7. Эти выводы прикреплены к латунным зажимам на головке из пластмассы. Сопротивление подводящих проводов при температуре 0°С не должно превышать 0,1 % номинальной величины.

Пакет термометра сопротивления помещается в арматуру, состоящую из трубы с заваренным дном, штуцерной гайки и головки. Параллельная работа двух измерительных (вторичных) приборов от одного (общего) термометра сопротивления не допускается. При необходимости можно применять только двойные термометры (два самостоятельных, изолированных друг от друга чувствительных элемента помещены в общую арматуру).

В лепестковых термометрах с уменьшенной инерционностью вместо алюминиевых вкладышей использованы тепловые мостики-лепестки из тонкой фольги, создающие тепловой контакт между слюдой, на которую навита платиновая проволока, и внешней защитной трубой -- арматурой, предназначенной для теплообмена с окружающей средой.

Чтобы повысить тепловой контакт и снизить тепловую инерцию, применяют также обжим чувствительного элемента. Пакет из слюдяных пластинок, на одной из которых навита платиновая проволока, а другие являются изоляционными, помещают в тонкостенный плоский металлический чехол и осторожно спрессовывают под давлением до 1,2 МПа. В результате слюда с навитой проволокой оказывается плотно упакованной в металлической оболочке.

Термометры сопротивления выпускают также с остеклованным чувствительным элементом, в котором платиновая проволока герме-тизированно вплавлена в стекло.

Чувствительный элемент медного .термометра сопротивления типа ТСМ состоит из медной эмалированной проволоки диаметром 0,1 мм, навитой на пластмассовый цилиндрический стержень и покрытой сверху слоем лака. К концам медной проволоки припаяны медные выводы диаметром 1,0 -- 1,5 мм. Собранный термометр помещают в защитную стальную трубку.

Все технические термометры сопротивления выпускают взаимозаменяемыми. Условные обозначения градуировки термометров ТСП установлены следующие: гр. 20, гр. 21 и гр. 22. Для таких термометров сопротивления составляют соответственно 10; 46 и 100 Ом.

Термометры сопротивления типа ТСМ изготовляют с сопротивлением Rо=50 Ом (градуировка гр. 23) и Rо==100 Ом (градуировка гр. 24). Измеряемую температуру определяют автоматическими электронными мостами и магнитоэлектрическими логометрами-

3. Автоматическое измерение плотности и условной вязкости глинистого раствора

Физические свойства вещества характеризуют качество и соответственно возможность их использования для определенных целей. Свойства веществ определяются численными значениями физические или физико-химических величин, поддающихся измерению. Например, свойства веществ могут быть определены твердостью, упругостью, плотностью, вязкостью, электропроводностью и т.д.

Следует учитывать, что свойства веществ могут изменяться в зависимости от внешних условий. Так, с изменением температуры изменяются плотность жидкостей и газов, прочность и упругость материалов. Следовательно, с целью получения сопоставимых результатов при определении свойств веществ в различных внешних условиях необходимо учитывать значения этих внешних условий и вносить соответствующие поправки к результатам измерений. При наличии функциональной зависимости или экспериментальных формул эти поправки можно определить расчетным путем. Иногда их устанавливают с помощью справочных таблиц или соответствующих графиков.

Следует отметить, что изменение состава веществ приводит к изменению их свойств. Так, например, в буровой раствор иногда примешивают тяжелые компоненты для того, чтобы повысить среднюю плотность или изменить вязкость его. По плотности раствора можно

судить о концентрации в нем компонентов. Увеличение концентрации солей в растворе ведет к увеличению его электропроводности. Изменение состава нефти приводит к изменению ее вязкости.

Таким образом, свойства веществ могут служить косвенной характеристикой их состава.

При управлении технологическими процессами бурения, добычи и транспорта нефти и газа необходимо измерять параметры, характеризующие свойства как добываемых нефти и газа, так и материалов, применяемых в ходе технологического процесса. Для этих целей используют анализаторы свойств материалов.

Наибольшее значение в технологических процессах нефтегазодобывающей промышленности имеют такие параметры, как плотность и вязкость.

В добываемой из скважин нефти часто содержатся вода, минеральные соли и механические примеси. Вода может находиться в нефти либо в виде глобул большого размера (тогда она легко отстаивается при хранении), либо в виде эмульсии. Эмульсии могут быть весьма стойкими, и отделение воды из них связано с определенными трудностями. Вода в нефти -- нежелательный компонент, вредный балласт. Нецелесообразно подавать нефть, содержащую свыше 1% воды, на перекачку по магистральным трубопроводам, так как, во-первых, перекачка нефти с большим содержанием воды приводит к неоправданно большим энергетическим затратам, во-вторых, в воде, содержащейся в нефти, имеются в растворенном виде соли, которые вызывают коррозию трубопроводов, оборудования и аппаратуры. Поэтому на нефтяных промыслах нефть обезвоживают на специальных установках.

Таким образом, контролировать содержание воды и солей в нефти и нефтепродуктах необходимо на нефтяном промысле, на обезвоживающих и обессоливающих установках и при сдаче товарной нефти, что осуществляется специальными автоматическими анализаторами содержания воды и солей в нефти, которые рассматриваются в настоящей главе.

Механические примеси в нефтях состоят из мелкого песка, глины, мельчайших частиц железа, различных солей. Содержание их иногда может быть значительным. Большая часть этих примесей при хранении нефти оседает в резервуарах и в грязевиках нефтеперерабатывающих установок.

Основной способ определения механических примесей основан на разбавлении испытуемых нефтепродуктов растворителями с последующей фильтрацией растворов через бумажные или иные фильтры. По привесу фильтра находят количество механических примесей.

Измерение плотности

Плотность вещества -- одна из основных характеристик, численно равная отношению массы М к его объему:

с=M/V.

Единицей плотности является кг/м³. Иногда пользуются понятием относительной плотности вещества, которая определяется отношением его массы к массе чистой воды при температуре +4°С, взятой в том же объеме. Относительная плотность -- величина безразмерная. Так как вода и нефтепродукты имеют, неодинаковые коэффициенты расширения, то при определении плотности необходимо указывать температуры воды и нефтепродукта, при которых проводилось определение.

В СССР плотность нефти и нефтепродуктов определяют при температуре +20°С и относят к плотности воды при температуре +4°С, принятой за единицу. Эта плотность обозначается через .

Удельный вес -- это физическая величина, равная отношению веса вещества к его объему

г=G/V

Плотность и удельный вес связаны между собой таким же отношением, как масса и вес, т. е. г=сg, где g -- ускорение свободного падения.

Плотность жидкостей или газов измеряют с помощью плотномеров, которые по принципу действия подразделяются на следующие группы: поплавковые, весовые, пьезометрические, вибрационные и радиоактивные.

К поплавковым плотномерам относят ареометры, глубина погружения поплавка которых в исследуемую жидкость обратно пропорциональна ее плотности. По числу делений выступающей части ареометра из исследуемой жидкости определяют значение плотности. Такие ареометры применяют при определении плотности бурового раствора.

Принцип действия весовых плотномеров основан на том, что при Неизменном объеме масса жидкости прямо пропорциональна ее плотности. Следовательно, для измерения плотности достаточно непрерывно взвешивать определенный: объём жидкости, протекающей по трубопроводу.

Схема весового плотномера типа ДУВ-ТК-101 изображена на рис. 9.1. Чувствительным элементом прибора является U-образная трубка 4, соединенная с подводящими неподвижными патрубками при помощи сильфонов 8. С изменением плотности жидкости, протекающей по трубке, вес ее меняется и заслонка 3 приближается или отходит от сопла 2. Соответственно изменению плотности жидкости изменяется и давление воздуха на выходе пневмоусилителя 1. Это давление фиксируется вторичным прибором 10, шкала которого градуирована в единицах плотности.

Для автоматического введения поправки на изменение плотности при изменении температуры в конструкции прибора предусмотрен манометрический термометр, состоящий из термобаллона 9, капиллярных соединительных трубок и сильфона, заполненных сжатым азотом. При отклонении температуры от 20 °С, при которой тарируется прибор, термосистема воздействует через рычаг обратной связи 7 и сильфон 6 на трубку 4, внося тем самым поправку. Для устранения влияния окружающей температуры Предусмотрен компенсационный сильфон 11, а для устранения произвольных колебаний -- демпфирующее устройство 5.

Изменение показаний вторичного прибора от 0 до 100% соответствует приращению плотности Дс=100 кг/м³. Максимальное рабочее давление 1,6 МПа, рабочая температура -- 5, +110°С. Погрешность датчика ло выходному пневматическому сигналу ±1% от диапазона шкалы.

Принцип действия пьезометрических плотномеров основан на том, что давление жидкости на глубине Н от поверхности равно весу столба жидкости. При неизменных глубине Н и площади F чувствительного элемента с изменением плотности р будет пропорционально изменяться давление р

На рис. 9.2,а приведена схема одного из пьезометрических плотномеров -- сильфонного с унифицированным пневмопреобразователем (типа ПЖ.С-П). В измерительной камере на определенном расстоянии друг от друга расположены сильфоны 11 и 14, соединенные подвижным коромыслом 13. При изменении плотности жидкости, протекающей через измерительную камеру, изменяется деформация сильфонов, вследствие чего коромысло поворачивается относительно своей точки опоры. Коромысло 13 при помощи углового рычага 9 соединено с Т-образным рычагом 1 унифицированного пневмопреобразователя. Герметичность вывода рычага из измерительной камеры обеспечивается мембраной 10. Внутренние полости сильфонов 11, 14 и 12, из которых 11 и 14 -- измерительные, соединены последовательно с помощью трубки. Сильфон 12 предназначен для компенсации погрешности, вызываемой изменением температуры. Все сильфоны заполнены контролируемой жидкостью, плотность которой минимальна. Датчик типа ПЖС-П позволяет измерять плотность в диапазоне 500 -- 2500 кг/м³. Схема подключения сильфонного плотномера с унифицированным электросиловым преобразователем (ПЖС-Э) к объекту контроля показана на рис. 9.2,б.

Принцип действия пьезометрического плотномера для измерения плотности бурового раствора типа ГПА-1 (рис. 9.3) основан на дифференциальном измерении давления столба жидкости в желобе циркуляционной системы.

Плотномер состоит из дифференциального узла сравнения усилий, пневмопреобразователя с силовой компенсацией и механической системы передачи перемещений и усилий. Измерительные мембраны 1 и 2 связаны через суммирующий рычаг 19. На него действуют силы гидравлического давления, определяемые разностью погружения мембран под уровень жидкости:

где ДН -- разность глубин погружения мембран под уровень жидкости; S -- эффективная площадь мембран.

Поскольку g, ДH и S -- величины постоянные, то ДР пропорционально измеряемой плотности жидкости. Усилие ДР уравновешивается силой, возникающей в сильфоне 8 обратной связи, которая передается рычагу 19 через систему рычагов 4, 5, 7. Уравновешивание осуществляется следующим образом. При изменении плотности бурового раствора (например, при ее увеличении) усилие ДР возрастает и вызывает перемещение толкателей 3, 4 вверх. Одновременно рычаг 5 поворачивается вокруг шарнирной опоры и заслонка 10 приближается к соплу 11. При этом повышается давление на выходе пневмоусилителя 12 и в сильфоне 8 обратной связи. Давление на выходе пневмоусилителя изменяется пропорционально изменению плотности в пределах 20 -- 100 кПа. Для устранения возможной разности площадей мембран предусмотрено изменение соотношения плеч 16 и 19 суммирующего рычага при помощи скользящей опоры 18.

Плотномер имеет две шкалы, отградуированные в пределах 0,8 -- 1,8 г/см³ и 1,8 -- 2,8 г/см³. Переключение шкал осуществляется с помощью пневмотумблера 14, сильфона 22 и рычага 15. Для работы в первом диапазоне с помощью пневмотумблера 14 на сильфон 22 подается от пневмосети сжатый воздух. При этом дно сильфона упирается в ограничитель хода 20, в результате чего рычаг 15. перемешается вниз, растягивая пружины 13, 23 и 9. Регулировкой натяжения этих пружин устанавливается нижний предел измерения (20 кПа). Настройка верхнего предела измерения осуществляется перемещением сильфона 8 и тяги 6. Для переключения прибора на второй предел измерения тумблер 14 размыкают. При этом сжатый воздух выходит из сильфона 22 и рычаг 15 поднимается вверх до упора винта 21 в ограничитель, вследствие чего натяжение пружин 13, 23 и 9 уменьшается, давление на выходе пневмоусилителя падает и стрелка показывающего прибора занимает положение начала отсчета по второму диапазону измерения. Регулировка начальной точки второго диапазона измерения осуществляется путем перемещения упора 21, расположенного на рычаге 15. Основная погрешность измерения составляет ±1,5% от предела.

Принцип действия радиоактивных плотномеров основан на изменении поглощения г-излучения радиоактивного источника при прохождении лучей через жидкость в зависимости от изменения плотности этой жидкости. Интенсивность I узкого пучка г-лучей, прошедшего через слой жидкости толщиной х и плотностью с, определяется выражением

где Iо -- начальная интенсивность при хр=0; мо -- коэффициент ослабления г-лучей.

Преимуществом радиоактивного плотномера является отсутствие непосредственного контакта измерительного прибора с измеряемой средой. Следовательно, этот прибор можно применять для измерения плотности агрессивных жидкостей, а также жидкостей, находящихся в сосудах под высоким давлением, и полимеризующихся сред.

На рис. 9.4 приведена принципиальная схема плотномера типа ПЖР. На участке трубопровода 2, в котором протекает исследуемая жидкость, монтируются источник 1 и приемник 3 излучения. В качестве излучателя применяют радиоактивный изотоп Со⁶⁰ или Cs¹³⁷. Гамма-лучи от источника пронизывают стенки трубопровода и слой исследуемой жидкости и попадают в приемник излучения. Электрический сигнал приемника, являющийся функцией измеряемой плотности, формируется блоком 4 и передается на вход электронного преобразователя 5. На этот же преобразователь поступает электрический сигнал, полученный от блока 9, формирующийся при попадании на приемник 8 гамма-лучей источника 6, прошедших через компенсационный клин 7. Принцип действия и устройство источника 6, блока 9, приемника 8 и источника 1, приемника 3 и блока 4 идентичны.

Разность сигналов усиливается в электронном преобразователе и подается, на реверсивный двигатель 10, который связан с компенсационным клином 7 и плунжером 11 дифференциально-трансформаторного датчика вторичного прибора 12. В зависимости от размера и знака сигнала в электронном преобразователе реверсивный двигатель перемещает клин до тех пор, пока разность сигналов не станет равной нулю. Перемещение клина, с которым связана стрелка показывающего прибора, пропорциональна изменению плотности жидкости. Интервал измерения плотности плотномером ПЖР от 600 до 2000 кг/м³, погрешность прибора 2%.

Измерение вязкости

Вязкостью, или внутренним трением, называют свойство жидкостей и газов, характеризующее сопротивление действию внешних сил, вызывающих их течение. Одна и та же сила создает в разных жидкостях разные скорости перемещения слоев, отстоящих один от другого на одинаковых расстояниях. От вязкости зависит мощность, затрачиваемая на перекачку жидкости по трубопроводам.

Вязкость -- основная физико-механическая характеристика смазочных масел. Она влияет на способность данного сорта масла при температуре, характерной для данного узла трения, выполнять свои функции.

Качество буровых растворов, способность их удерживать выбуренную породу во взвешенном состоянии и тем самым обеспечивать очистку забоя в процессе бурения также в значительной мере зависят от вязкости.

Различают динамическую и кинематическую вязкость.

Динамическая вязкость ti жидкости определяется силами межмолекулярного взаимодействия. Измеряют ее в Па*с и определяют по формуле

где dw/dn -- градиент скорости по поперечному сечению потока; S -- площадь внутреннего сдвига.

Величина, обратная динамической вязкости, носит название текучести, которая выражается в Па^-1*с^-1.

Кинематическая вязкость представляет собой отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности с при той же температуре, т. е,

Иногда вязкость нефтепродуктов нормируется не в абсолютных величинах, а в градусах условной вязкости:

Условной вязкостью ВУ называется отношение времени истечения 200 мл испытуемого нефтепродукта через калиброванную трубку при температуре испытания (ф_ж) ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при температуре 20 °С (ф_в).

Вязкость в значительной мере зависит от степени нагрева вещества, поэтому необходимо всегда указывать температуру его определения. В технических требованиях вязкость чаще всего нормируется при 50 и 100 °С, реже при 20 °С (для маловязких масел).

Приборы для определения вязкости называют вискозиметрами. В зависимости от принципа действия вискозиметры бывают капиллярные, с падающим шариком и ротационные. Кроме того, существуют вискозиметры для определения условной вязкости.

Капиллярные вискозиметры. Действие капиллярных вискозиметров основано на законе Пуазейля, характеризующем истечение жидкостей из капилляров:

где r -- радиус капилляра, м; р -- давление, при котором происходит истечение жидкости из капилляра, Па; ф -- время истечения объема V жидкости, с; L -- длина капилляра.

Формулу (9.7) можно записать в следующем виде:

где Q -- расход жидкости через капилляр (Q=V/ф), м³/с; Др -- перепад давления на концах трубки, Па.

При постоянном расходе жидкости Q, а также при неизменных геометрических размерах капилляра ф и L динамическую вязкость можно определить по перепаду давления на капиллярной трубке

Истечение исследуемой жидкости из трубки определенных диаметра и длины происходит под действием силы тяжести или постоянного внешнего давления. Вязкость определяют по перепаду давления или по давлению перед капиллярной трубкой.

Вискозиметры с падающим шариком. Зависимость скорости падения шарика в жидкости от вязкости последней находят по формуле Стокса

где К. -- коэффициент пропорциональности; с -- плотность материала шарика; с_о -- плотность исследуемой жидкости; г -- радиус шарика; w -- скорость равномерного падения шарика.

Закон Стокса справедлив для условий, при которых шарик должен быть правильной формы, иметь гладкую поверхность и двигаться со скоростью, при которой вокруг него не было бы вихрей и устанавливалось ламинарное течение жидкости. Кроме того, жидкость должна быть однородна, без влияния посторонних движений (конвекционных токов, движения пузырьков газа и т. п.).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема автоматического вискозиметра с падающим шариком показана на рис. 9.5. В верхней части измерительной трубки 4 расположен шестеренчатый насос 2, который периодически по заданной программе забирает пробу из резервуара 3. При этом шарик 1, находящийся в нерабочем состоянии на нижней сетке 5, восходящим потоком жидкости поднимается вверх и останавливается у верхней ограничиваю щей сетки 6. В момент касания шарика верхней сетки насос автоматически останавливается и шарик падает в неподвижной среде. На измерительную трубку 4, выполненную из немагнитного металла, надеты катушки 7 и 8. Первичные и вторичные обмотки катушек соединены по дифференииально-трансформаторной схеме. При прохождении шарика через катушки на выходе измерительной схемы возникает сигнал разбаланса, который усиливается усилителем 9. Если расстояние между катушками 7 и 8 фиксировано и равно L, то скорость движения шарика в трубке w=L/ ф и формула (9.9) примет вид

т.е. измерение вязкости сводится к отсчету времени, в течение которого шарик при падении проходит путь от верхней до нижней сетки.

Вторичный прибор 11 представляет собой электросекундомер, управляемый релейным блоком 10. Пределы измерения прибора можно менять, подбирая размер шарика.

Ротационные вискозиметры. Действие этих приборов основано на измерении вязкостного сопротивления при вращении тела в жидкости. Крутящий момент при этом выражается линейной зависимостью

где К -- постоянная прибора; з -- вязкость жидкости, щ -- угловая скорость.

Ротационные вискозиметры различаются формой вращающегося элемента и способом измерения крутящего момента. В качестве вращающегося элемента применяют пластины, цилиндры, лопасти, набор дисков.

Крутящий момент определяют одним из следующих способов:

1) по силе тока, потребляемой электродвигателем привода вращающегося элемента:

2) по углу поворота уравновешивающей торсионной пружины;

3) по реактивному моменту вращения статора приводного электродвигателя.

Схема устройства ротационного вискозиметра, использующего первый способ измерения крутящего момента, показана на рис. 9.6.

Управляющая обмотка щ_y вместе с конденсатором С составляет одно из плеч мостовой схемы, в диагональ которой включен показывающий прибор П. Емкость С соответствует условию резонанса с индуктивностью обмотки оду. Нуль прибора устанавливается и уравновешивается мостовой схемой при вращении цилиндра в воде. При вращении цилиндра в исследуемой жидкости в зависимости от ее вязкости изменяется момент на валу двигателя, а следовательно, и эквивалентное сопротивление в цепи обмотки щ_у, что приводит к разбалансу моста. Таким образом, с изменением вязкости жидкости изменяется сила тока, протекающего через показывающий прибор, включенный в диагональ моста.

Для измерения дифференциальной вязкости (разность вязкостей бурового раствора на входе в скважину и выходе из нее) существует измерительная система, схема которой показана на рис. 9.7.

Синхронный двигатель 4 с постоянной угловой скоростью вращает ось двойного бесконтактного сельсина-датчика 5, который по индикаторной схеме соединен с двумя бесконтактными сельсинами-приемниками 2 и 7. Ось сельсина-приемника 2 механически соединена с телом вращения, погруженным в буровой раствор, поступающий в скважину, непосредственно вблизи всасывающей линии бурового насоса.

В связи с индикаторным режимом работы сельсинов, сельсин 2 будет также вращаться со скоростью п, а силы вязкости бурового раствора создадут на его оси тормозной момент. При этом произойдет рассогласование вращающихся сельсинов 5 и 2 и появится ток в проводах их связи.

При ламинарном движении слоя жидкости, примыкающего к телу вращения, вязкость будет пропорциональна тормозному моменту, а в пределах углового рассогласования сельсина до 30° -- току, проходящему по линии связи. Силу этого тока регистрирует миллиамперметр 3, шкала которого отградуирована непосредственно в единицах вязкости. Вязкость бурового раствора, выходящего из скважины, измеряют аналогичным сельсином-приемником и миллиамперметром 6. Тело вращения, связанное с осью сельсина 7, погружено в. буровой раствор, выходящий из скважины.

Размеры и форма тел вращения, а также электрические параметры сельсинов 2 и 7 принимают одинаковыми. Сила токов, протекающих через первичные обмотки трансформаторов ТР1 и ТР2, зависит от вязкости бурового раствора в сосудах 1 а 9. Электрические сигналы от вторичных обмоток трансформаторов поступают в ячейку автоматического -вычитания, состоящую из детекторов В, емкостных фильтров С и мостовой схемы (сопротивлений R1, R2, R3). Показания миллиамперметра 8 также градуируют в единицах вязкости раствора. Переменные сопротивления R1 и R3 позволяют балансировать мост и регулировать коэффициент передачи схемы.

4. Дистанционные измерительные устройства с электрическими каналами связи

При централизованном контроле и управлении технологическим процессом необходимо значения измеряемых параметров от различных точек технологических объектов передать к единому пункту контроля и управления либо к регулирующему устройству. При этом расстояния, на которые приходится передавать сигналы измеряемых параметров на нефтяных и газовых промыслах, в ряде случаев достигают боле десяти километров.

Система передачи измеряемой величины на расстояние (рис. 4.1) состоит из первичного измерительного преобразователя, передающего измерительного преобразователя, канала связи, приемника и вторичного прибора. Первичный измерительный преобразователь 1 находится в непосредственном контакте с измеряемой средой, воспринимает значение C_вx1 измеряемого параметра и преобразует его в сигнал х, который подается на вход передающего преобразователя 2. Передающий преобразователь преобразует измерительный сигнал в параметр С_вых1 удобный для телепередачи, и передает в канал связи. На приемной стороне сигнал С_вх2 поступает на вход приемника 3, где он преобразовывается в сигнал С_вых2, воздействующий на вторичный прибор 4. Вторичный прибор преобразует измерительный сигнал в показания значения измеряемой величины в удобном для восприятия виде. Следует учитывать, что сигнал С_вх2 на приемной стороне канала связи может отличаться от сигнала С_вых1 на выходе передающего преобразователя вследствие воздействия на канал связи различных помех.

Первичный преобразователь представляет собой чувствительный элемент, устанавливаемый непосредственно на объекте и находящийся под воздействием измеряемой среды. Вид и пределы измерения измеряемого параметра, условия монтажа и эксплуатации на конкретном объекте оказывают определяющее влияние на выбор принципа действия и конструктивное оформление первичных измерительных преобразователей и обусловливают весьма значительную номенклатуру их типов. Для измерения одного параметра в зависимости от требуемых пределов измерений и условий эксплуатации применяют большое число первичных и измерительных преобразователей.

В связи с тем что передающий измерительный преобразователь предназначен для преобразования измерительного сигнала в параметр, удобный для телепередачи, выбор типа его зависит от канала телепередачи.

В зависимости от условий телеизмерений в нефтяной и газовой промышленности применяют электрический и пневматический каналы связи. При измерении глубинных параметров процесса бурения скважин используют также гидравлический канал связи (см. гл. 10). В случае электрического канала связи измерительный сигнал преобразуется в пропорциональный электрический параметр: силу и напряжение тока, импульсы и частоту тока.

Метод преобразования измеряемого сигнала в силу и напряжение тока называют методом интенсивности. В устройствах интенсивности преобразователь измеряемой величины включен непосредственно в линию, а на приемной стороне непосредственно в линию ча показаний осуществляется обычно постоянным током. Это исподключен прибор, измеряющий силу тока или напряжение. Передаключает влияние изменения индуктивности и емкости линии связи на показания вторичного прибора и позволяет применять в качестве вторичных магнитоэлектрические приборы, обладающие большой точностью.

Погрешность дистанционных измерений по методу интенсивности, вследствие влияния параметров линии связи, находится в пределах 1-3%.

При использовании метода преобразования измеряемого сигнала в импульсы тока или частоту изменения параметров канала связи не влияют на погрешность дистанционных измерений. Дальность передачи зависит от уровня сигнала и чувствительности приемника.

В этом случае применяют методы преобразования: частотно-импульсные, времяимпульсные, кодоимпульсные и частотные.

В частотно-имульсных устройствах измеряемый сигнал преобразуется в пропорциональное число импульсов. На приемной стороне это число считается специальным счетчиком.

Во времяимпульсных устройствах длительность импульсов изменяют в зависимости от значения измеряемой величины.

В кодоимпульсных устройствах измеряемая величина передается в виде определенной комбинации импульсов (кода). Преимущества кодоимпульсного метода: а) большая помехоустойчивость, б) большая точность телеизмерения и в) возможность получения информации в цифровой форме.

В частотных преобразователях переменного тока измеряемая величина изменяет частоту переменного тока, передаваемого по каналу связи. На приемной стороне частота сигнала измеряется частотомерами или другими устройствами, проградуированными в единицах измеряемой величины.

Пневматический канал связи в системах дистанционной передачи преимущественно распространен на нефтехимических и газоперера-батывающих предприятиях, т. е. во всех случаях, когда в соответствии с требованиями взрывозащиты применение электроэнергии нежелательно.

Унифицированные параметры электро- и пневмопередачи и унифицированные электросиловой и пневмосиловой преобразователи, входящие в систему ГСП, приведены в гл. 3. В качестве приемных устройств в дистанционных пневмопередачах применяют устройства для измерения давления с градуировкой, соответствующей измеряемому параметру.

В системах дистанционной передачи этой группы сигнал измерительной информации, подаваемый в линию связи от передающего преобразователя, не приводится к унифицированному виду. Такие преобразователи широко применяют на практике, так как в ряде случаев при выполнении локальных задач, например при измерении давления, уровня, температуры, при передаче специальной информации в процессе бурения и при глубинных измерениях в нефтяных и газовых скважинах, они оказываются проще и дешевле систем с унифицированными сигналами.

Дифференциально-трансформаторная система. Принцип действия этой системы основан на компенсации разности напряжений, создаваемых в первичной Л и вторичной Б катушках (рис. 4.2). В полости катушки А находится сердечник 3, соединенный с чувствительным элементом измерительного устройства 1. В полости катушки Б находится сердечник 8, соединенный с механической системой вторичного прибора. Каждая из катушек имеет первичные 2 и 9 и вторичные 4 и 7 обмотки. Первичные обмотки имеют одинаковые характеристики, включены последовательно и питаются напряжением переменного тока. Вторичные обмотки (по две в каждой катушке) включены встречно, и выходные концы их подключены к входу усилителя 5.

При изменении измеряемого параметра перемещение сердечника 3 приводит к пропорциональному изменению напряжения электрического тока во вторичных обмотках вследствие изменения взаимоиндукции между первичной обмоткой и двумя вторичными обмотками. Дифференциальное действие заключается в том, что перемещение сердечника в одном направлении вызывает увеличение напряжения в одной из вторичных обмоток и уменьшение в другой. При обратном перемещении сердечника изменение напряжений на вторичных обмотках будет иметь обратный знак.

Когда сердечник 3 катушки Л находится в среднем положении, эдс е₁ и e₂, индуцируемые во вторичных обмотках, будут равны и направлены навстречу друг другу. Разность напряжений во вторичных обмотках будет равна нулю, т. е.

Если сердечник 8 катушки Б также находится в среднем положении, то разность напряжений на вторичных обмотках этой катушки тоже равна нулю:

При одинаковых параметрах катушек напряжение на входе усилителя 5 равно нулю, т. е.

Поэтому система находится в равновесном состоянии.

Изменение измеряемого параметра приведет к перемещению сердечника 3 от среднего положения. При этом изменится распределение магнитных потоков во вторичных обмотках и индуцируемые в них напряжения не будут равны друг другу. В цепи вторичных обмоток возникает ток, напряжение которого составит ДU. Напряжение будет пропорционально линейному перемещению сердечника, а его фаза -- функции направления перемещения сердечника. Напряжение ДU небаланса поступает на вход электронного усилителя 5, с выхода которого -- на управляющую обмотку реверсивного двигателя 11. Выходная ось реверсивного двигателя соединена с кулачком 10, который перемещает сердечник 8 до тех пор, пока не займет то же положение относительно катушек 7, что и сердечник 3 относительно катушек 4. При этом разности напряжений ДU₁ и ДU₂ во вторичных обмотках будут равны, а напряжение небаланса ДU равно нулю. Выходная ось двигателя 11 вращаться не будет, и система будет в равновесии.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким образом, положение сердечника 8 в процессе измерения будет соответствовать положению сердечника 3, система будет работать в следящем режиме и стрелка 6 будет по шкале показывать значение измеряемого параметра.

Индукционная система представляет собой самоуравновешивающийся мост переменного тока, состоящий из двух пар индукционных катушек, соединенных в мостовую схему (рис. 4.3). Одна пара катушек 1, 2 установлена в передающем преобразователе, вторая пара 4, 5 -- во вторичном приборе. Внутри катушек 1, 2 находится сердечник 3, механически связанный с чувствительным элементом первичного измерительного преобразователя. Внутри катушек 4, 5 расположен сердечник 6, механически связанный с движущимися частями вторичного прибора.

При равновесии системы падения напряжения в катушках 1 и 2, а также 4 и 5 равны по величине и фазе. Следовательно

где U -- напряжение, В; / -- сила тока, A; Z -- полное омическое сопротивление катушек, Ом.

Из приведенных равенств видно, что в момент равновесия потенциалы средних точек обеих катушек равны и, следовательно, тока в диагонали моста не будет,

Условие равновесия моста -- равенство отношений полных сопротивлений его плеч:

Полное сопротивление каждого плеча моста

где Rа -- активное сопротивление катушки, Ом; л: -- реактивное сопротивление катушки, Ом;

где щ=2рf -- угловая частота, с^-1; f -- частота, Гц; L -- индуктивность, Г; М -- взаимная индукционность, Г.

При среднем положении сердечников, когда полные сопротивления катушек 1, 2, 4 и 5 равны и ток в диагонали моста отсутствует, можно записать

где ц -- углы сдвига фаз между силой тока и напряжением, приложенным к катушкам.

Таким образом, в положении равновесия разности фаз напряжения на плечах 1 и 2, а также 4 и 5 равны между собой.

При изменении измеряемого параметра сердечник 3 перемещается, вследствие чего нарушается равновесие индукционной системы. В процессе перемещения сердечника вверх полное сопротивление катушки 1 увеличивается и напряжения в катушках 1 и 2 перераспределяются таким образом, что в катушке 1 оно возрастает, а в катушке 2 уменьшается. В результате потенциал точки n будет выше потенциала точки m. В диагонали моста пойдет уравнительный ток, а в катушке 4 сила тока увеличится по сравнению с силой тока в катушке 5. Втягивающее усилие катушки 4 увеличится, и сердечник 6 будет перемещаться вверх до наступления нового равновесия моста. При перемещении сердечника 3 вниз такое же перемещение будет совершать и сердечник 6. Таким образом, сердечники 3 и 6 работают в следящем режиме, а стрелка 7 вторичного прибора по шкале показывает значение измеряемой величины.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сельсинные системы -- индукционные самосинхронизирующиеся системы переменного тока, предназначенные для дистанционной передачи угловых или линейных перемещений сравнительно больших размеров (несколько оборотов или несколько метров). Сельсинная система состоит из двух электрически связанных друг с другом одинаковых малых трехфазных синхронных электромашин, у которых обмотки возбуждения питаются переменным током. Такие электромашины называются сельсинами. Принципиальная электрическая схема сельсинной системы дистанционной передачи приведена на рис. 4.4. Один сельсин СД является датчиком, другой СП -- приемником. Однофазные обмотки статоров сельсиндатчика СД и сельсина-приемника СП подключены к напряжению питания с угловой частотой о, а трехфазные обмотки роторов Р обоих сельсинов соединены соответствующими линиями связи. Переменное напряжение питания создает в статорных обмотках обоих сельсинов пульсирующие магнитные потоки.

Так как направления потоков совпадают с осями статорных обмоток, в фазных обмотках роторов индуцируются эдс, значения которых зависят от расположения их осей относительно осей обмоток статоров. При одинаковом положении роторов сельсина-датчика и сельсина-приемника по отношению к соответствующим статорным обмоткам, когда угол в равен углу б, эти эдс, индуцируемые в обмотках 1 -- 1? 2 -- 2?, 3 -- 3?, равны между собой и противоположны по направлению. Следовательно, результирующие эдс в каждой паре соединенных между собой фазных обмоток равны нулю и ток в цепях роторов отсутствует: i₁=i₂=i₃=0. Если ротор сельсина-датчика повернуть относительно ротора сельсина-приемника на некоторый угол и, то эдс в соответствующих фазовых обмотках обоих роторов не будут равны, так как обмотки роторов занимают относительно осей обмоток статоров неодинаковое положение. Результирующие эдс в фазовых обмотках роторов не будут равны нулю, и в их цепях возникнут уравнительные токи.

Так как уравнительные токи, протекающие в соответствующих цепях датчика и приемника, имеют противоположные направления, то и моменты, возникающие на их осях, действуют в противоположных направлениях. Таким образом, появившийся синхронизирующий момент на оси ротора сельсина-приемника стремится привести его в одинаковое положение с положением ротора сельсина-датчика, т.е. при возникновении угла рассогласования 6 синхронизирующий момент поворачивает ротор сельсина-приемника в положение, сводящее значение 9 к нулю.

бурение автоматизация технология

5. Применение информационных технологий в системах автоматики при бурении скважин

Усложнение технологических процессов добычи нефти и газа, увеличение единичной мощности оборудования, рассредоточенность в пространстве оперативного и эксплуатационного персонала и его неэффективное использование, а также целый ряд других причин привели к необходимости создания качественно новых систем управления этими процессами.

В настоящее время эта проблема решается созданием автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). Основное назначение АСУ ТП -- выработка и реализация управляющих воздействий на технологический процесс в соответствии с принятым критерием управления. Наиболее часто в качестве такого критерия применяется разность стоимостей готовой продукции и затрат на ее изготовление. В этом случае цель функционирования АСУ ТП -- выработка и реализация управляющих воздействий на процессы, которые позволяют получить максимальное значение этой разницы. Применяют также такие частные критерии управления, как максимальная производительность установки, минимальный расход некоторых компонентов и т. п.

...