Глубинные манометры-термометры Tota Systems на основе кварцевых пьезорезонансных датчиков без глубинной электроники

Кварцевые пьезорезонансные датчики давления и температуры характеризуются высокой точностью и стабильностью, а также широким диапазоном рабочих давлений и температур, что делает их привлекательными для использования в задачах измерения параметров нефтяных и газовых скважин.

 Рис.1 Внешний вид кварцевого датчика давления.

Так, абсолютная погрешность измерения давления может составлять 0.02% от верхнего предела измерения (ВПИ), старение (дрейф показаний со временем) не более 0.02% ВПИ в год.

В результате длительного сотрудничества компании Tota Systems (Альметьевск) и отечественного разработчика и производителя кварцевых датчиков СКТБ ЭлПА (Углич) были разработаны и в настоящее время успешно применяются в нефтяных и газовых скважинах датчики давления (с ВПИ от 40 до 130 МПа, в том числе в коррозионно-стойком исполнении) и температуры (до 250С) с метрологическими характеристиками, не уступающими зарубежным аналогам.

В компании Tota Systems разработана и освоена уникальная технология измерений на основе кварцевых датчиков без скважинной электроники. В скважину устанавливаются только сами кварцевые датчики и соединительный кабель, а вся электроника, обеспечивающая получение и обработку измерительного сигнала датчика, выносится на поверхность, и устанавливается на устье скважины. Это позволяет убрать электронные компоненты из зоны с неблагоприятными условиями эксплуатации, таких как повышенная температура и коррозионная среда. Такое решение значительно повышает надёжность и ремонтопригодность измерительной аппаратуры.

Дополнительным преимуществом данной технологии является возможность одновременного опроса множества датчиков, соединённых параллельно при помощи одного и того же кабеля. Так, одним из приложений является измерение профиля температур в скважине при помощи множества датчиков температуры, размещённых в скважине на заданных глубинах.

До недавнего времени одним из слабых мест рассматриваемой измерительной технологии была низкая разрешающая способность (или разрешение) по давлению и температуре по сравнению с датчиками, оснащёнными скважинной электроникой. Разрешение это минимальная разность значений измеряемой величины, которую датчик может уверенно зарегистрировать, выделив на фоне шумов.

Разрешение датчика с электроникой не зависит от длины кабеля, шумов в кабеле и диапазона рабочих частот датчика. В случае датчика без электроники это не так, и разрешение определяется соотношением уровней сигнала и шума (помех), а также ослаблением полезного сигнала в кабеле.

Для повышения разрешающей способности датчиков без электроники была проделана серьёзная работа. Пришлось не только поднять уровень сигнала возбуждения, но и решить ряд проблем, связанных с интермодуляционными искажениями (определяющими допустимую величину нелинейности измерительной цепи) и наличием побочных резонансов датчиков. При менее интенсивном сигнале, используемом в датчиках с электроникой, все эти проблемы замаскированы шумами, и не заметны. Также была проделана работа по снижению уровня помех, проникающих в измерительную систему от устьевого оборудования скважины.

Отметим также, что сам по себе сигнал возбуждения резонаторов представляет значительную помеху для слабого измерительного сигнала. Так амплитуда полезного сигнала кварцевого датчика не превышает единицы мВ, а уровень мощности составляет доли мкВт. При этом уровень сигнала возбуждения резонаторов, передаваемый в кабель с датчиками, может составлять десятки вольт при мощности в десятки Вт.

Все описанные проблемы были успешно решены инженерами компании Tota Systems. В результате удалось более чем на порядок увеличить разрешение датчиков. Сейчас в продуктовой линейке компании Tota Systems представлены датчики давления с ВПИ до 130 МПа, и разрешением до 100 Па при интервале опроса 1 с, что соответствует разрешению лучших кварцевых датчиков (в том числе зарубежных), оснащённых скважинной электроникой.