IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Актуальность

В процессе выполнения работ по телеметрическому сопровождению строительства скважин на месторождении возникает необходимость проверить работоспособность чувствительных элементов, входящих в состав инклинометрических датчиков. Перевозка инклинометров с кустовых площадок буровых работ для поверки на базу технического обслуживания экономически невыгодна. Качество работы акселерометров оценить не составляет труда, для этого необходим оптический квадрант. Проверку магнитометров, в условиях месторождения силами телеметрической партии, должна обеспечить, предлагаемая установка. Она позволяет в полевых условиях осуществить проверку соответствия действительных характеристик магнитометров инклинометра паспортным данным. Это достигается путем базирования определенным образом, проверяемого инклинометра в установке и поочередного воздействия на его магнитометры постоянным магнитным полем известной величины и направления, создаваемым кольцами Гельмгольца.

Известен комплекс для проверки магнитометров инклинометра 1, 2, 3 содержащий платформу, регулируемые опоры и площадку для расположения на ней уровня. Парные призмы для базирования на них проверяемых инклинометров снабжены прижимным устройством. Комплекс содержит кольца Гельмгольца для проверки магнитометров инклинометра по осям X, Y. Катушка индуктивности расположена между кольцами Гельмгольца и служит для проверки магнитометра инклинометра по оси Z . Кольца Гельмгольца и катушка индуктивности создают поочередно магнитные поля заданной величины и направления.

Недостатком данного комплекса является то, что для проверки магнитометров, установленных по третьей оси инклинометра, необходима процедура поворота инклинометра в призмах на 90 градусов с последующим воздействием магнитного поля, создаваемого кольцами Гельмгольца. Эта процедура усложняет процесс контроля и увеличивает время контроля.

Решение

Разработка трехосной установки для проверки магнитометров инклинометров в условиях месторождения.

К проектируемой установке предъявляется ряд требований. Во-первых, установка из колец Гельмгольца должна выполнять главное правило для создания равномерного магнитного поля: расстояние между парой колец должно быть равным радиусу этих колец. Во-вторых, установка должна состоять из системы колец, расположенных по трем осям трехгранника ОХУZ. При выполнении этих условий получится установка [4], представленная на рис. 1.

Рис. 1. Установка из трех взаимно ортогональных систем колец Гельмгольца

Условия по габаритам колец Гельмгольца:

Магнитное поле, создаваемое кольцами должно соответствовать магнитному полю Земли. Магнитное поле Земли значительно варьируется во времени и пространстве. На широте 50° магнитная индукция в среднем составляет 5·10⁻⁵ Тл

Расстояние между катушками должно быть равно радиусу катушки.

Диаметр провода обмотки принимаем равным 0, 45мм.

Сила тока не превышает 0,3А

Магнитная постоянная µ₀=4π10^-7 НА^-2=1,25610^-6 НА^-2

Используя данные, рассчитаем напряженность магнитного поля в центре пар колец:

, [5]

Где ₀ – магнитная постоянная, N – количество витков катушки, I – сила тока, R – радиус кольца.

Расчет параметров колец Гельмгольца (рис.1) для случая, когда L=R:

Первая пара колец 1: R₁=100мм, L₁=100мм;

Вторая пара колец 2: R₂=120мм, L₂=120мм;

Третья пара колец 3: R₃=150мм, L₃=150мм

Для создания кольцами требуемого магнитного поля необходимо произвести расчет его параметров. Так как сила тока, диаметр провода и магнитная постоянная не изменяются в каждой паре колец, то необходимо задать разное количество витков на кольце. Определим это значение:

1. Тл

При N=19, В₀=5,12310^-5 Тл

1. Тл

При N=22, В₀=4,94310^-5 Тл

При N=28, В₀ = 5,03310^-5 Тл

При данных значениях количества витков для каждой пары мы получим равномерное магнитное поле в области пространства, прилегающего к оси пар колец в диапазоне ± 50 мм.

Результаты моделирования магнитных полей, создаваемых кольцами Гельмгольца в среде COMSOL [6], представлены на рис.2 - 3.

Рис. 2. Плотность магнитного потока, создаваемая первой парой колец Гельмгольца

На рис. 2 так же отражены изолинии. Одна изолиния определяет одинаковую напряженность магнитного поля на всем своем протяжении. В объеме пространства, ограниченном ± 20 мм относительно оси симметрии колец и от 0 до 100 мм вдоль оси наблюдается однородное магнитное поле. В данной области должен располагаться магнитометр для получения точных результатов проверки.

Первая пара колец с наименьшим радиусом установлена на оси Z. Соответственно, линии магнитного потока распространяются вдоль этой оси.

3D модель плотности магнитного потока первой пары колец представлена на рис. 3.

Рис. 3. 3D модель плотности магнитного потока первой пары колец

Вывод

Одна пара колец создает равномерную напряженность между ними в вдоль оси. Наша задача состоит в том, чтобы сделать максимальной объем, в котором отклонение от однородности магнитного поля не превышает 1%. Равномерное магнитное поле наблюдается от -50 до +50 мм по горизонтальной оси и от -50 до +150 мм по вертикальной оси. Это достаточно большая зона действия однородного магнитного поля для проверки магнитометров инклинометров с диаметром охранного кожуха до 70 мм.

Список источников

1. Ульянов И.А. Научный руководитель: Гормаков А.Н., «Комплекс для проверки магнитометров инклинометра». XIХ Международная научно-практическая конференция «Современные техника и технологии СТТ-2013», Томский политехнический университет, Томск, 2013 г. Том 1, с. 202-203.

2. Патент на полезную модель РФ 124790. Комплекс для проверки магнитометров инклинометров/ И.А. Ульянов, А.Н. Гормаков, А.В. Федулов, Опубл.10.02. 2013, Бюл. № 4.

3.А. Н. Гормаков, И. А. Ульянов, В. Г. Ткачев. Комплекс для поверки и калибровки скважинных инклинометров // Вестник науки Сибири : электронный научный журнал. Томский политехнический университет (ТПУ). — 2013. — № 1 (7). — [С. 90-95]. — Режим доступа: http://sjs.tpu.ru/journal/article/viewPDFInterstitial/611/463

4. Dexing magnet tech. co., limited - http://www.magnetic-instrument.com/ (дата обращения 10.02.2017)

5. В. Е. Огай; науч. рук. С. В. Муравьев. Моделирование катушек Гельмгольца в среде comsol // Космическое приборостроение : сборник научных трудов II Всероссийского форума школьников, студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, г. Томск, 10-12 апреля 2014 г. / Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ).

Томск: Изд-во ТПУ, 2014.[С.192-195]. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://portal.tpu.ru/files/conferences/tomskspace/proceedings-2014.pdf (дата обращения 10.02.2017)

6. COMSOL Multiphysics. – http://www.comsol.com// (дата обращения: 10.02.2017)

Код для цитирования: Скопировать