Программа для моделирования и анализа гидродинамических исследований скважин
 Скачать 6.29 Mb.
|
|
Глава 2. Моделирование 2.1 Моделирование и его виды Важной частью научных исследований является эксперимент, где предметом исследования служит процесс, явление либо физический объект. Экспериментами считаются наблюдения за определенными явлениями, которые происходят в определенных условиях, а также постановка научных опытов. Иногда эксперимент может быть трудновыполнимым, затратным или невозможным. Для этого и существует моделирование, которое направлено на обнаружение определенных свойств данного объекта, в определенном контексте времени и действий. На рисунке 2.1 представлена схема классификации видов моделирования. [7]. Рис. 2.1. Схема классификации видов моделирования. Для начала уточним понятие слова модель. Под моделью понимается теоритическая концепция, которая позволяет воспроизвести объект исследования. Под физическим моделированием понимается модель, которая является объектом исследований, либо его подобием с теми же характеристиками. Как правило, создается макет исследуемого объекта, после чего, осуществляются 23 эксперименты, в ходе которых получают определенные параметры. Далее производится оценка погрешностей и выполняемых условий. Под математическим моделированием подразумевается процесс, который подразумевает полное соответствие реального объекта исследования с его математическим описанием, где получение результатов является полностью соответствующим реальному объекту исследования. Математическое моделирование делится на 2 части. Оно может быть аналитическим либо компьютерным. Под аналитическим моделированием понимается косвенное описание исследуемого объекта при помощи математических выражений. Под компьютерным моделированием понимается создание триады «модель-алгоритм-программа», которая включает в себя все преимущества теоретического и практического характера. На первоначальный стадии создается модель объекта исследования. Данная модель отображает основные свойства данного объекта, такие как законы, от которых зависит исследуемый объект и т.д. То есть создается математическая модель, которая изучается теоретическими методами. Это дает первоначальное понятие об исследовании объекта. На второй стадии ведется разработка алгоритма для того, чтобы реализовать данную модель на компьютере. Эта модель представляется в удобной форме для применения численных методов, где осуществляется очередность вычислительных действий, с целью получения искомых параметров. Последовательность вычислительных операций не должны влиять на основные свойства модели, а также должны быть оптимизированы. На третьей стадии формируются программы, которые должны представить модель и алгоритм на язык, который будет доступный компьютеру для понимания. 24 Компьютерное моделирование делится на 3 вида: численное, имитационное и статистическое моделирование. Под численным моделированием понимается построение компьютерной модели, где применяются численные решения для математических выражений. Под имитационным моделированием понимается представление на компьютере, то есть имитация, функционала системы. Происходит имитация явлений с сохранением их логической структуры, очередности протекания во времени. Это все дает возможность получить сведения о состоянии системы в заданные моменты времени. Под статистическим моделированием понимается получение статистических данных о процессах, протекающих в моделируемой системе. 25 Глава 3. Описание программно-аппаратной части 3.1. Первичная регистрирующая аппаратура С развитием технологий и инноваций датчики стали важной частью нашей жизни. Куда не посмотришь, везде находятся датчики. Когда мы идем по магазинам в торговый центр, дверь автоматически открывается перед нами. Умные гаджеты позволяют нам регулировать температуру дома до нужной точки с помощью термостата. Смартфоны имеют огромный список датчиков, которые определяют температуру, местоположение, уровень света, вращение, ускорение, и т.д. Датчики могут видеть окружающую среду вокруг нас (камеры), записывать голоса или другой звук (микрофон), обнаруживать присутствие объекта (ультразвуковой датчик), узнавать при прикосновении характеристики человека (датчик давления), скорость автомобиля (акселерометр) и даже обнаруживать специфический запах (электрохимические датчики). В общем, датчики принимают физический параметр и преобразуют его в электрический сигнал. Затем мы можем увидеть потоковые исходные данные на нашем компьютере и обработать их, чтобы в конечном итоге получить значимые для нас результаты. С помощью датчиков многие компании способны создавать умные и интеллектуальные системы, которые облегчают и делают удобнее жизнь пользователей. Датчики совершили значительную революцию в нашем технологическом мире. Сложные операции стало проще выполнять и что было невозможно раньше, стало возможным сейчас. Почти в каждой сфере деятельности человека используются измерения датчиков, начиная с контроля 26 качества пищевых продуктов, добычи и переработки полезных ископаемых или медикаментов до индустрии моды и развлечений. В данной работе использовались датчики давления производителя Honeywell серии MLH. 3.1.1 Датчики давления производителя «Honeywell» Приборы, которые используются для регистрации волн давления в нашем исследовании, должны обладать большой чувствительностью, защитой от резкого скачка напряжения, высокой скоростью измерения и другими необходимыми нам параметрами. Наиболее подходящими датчиками давления оказались датчики фирмы «Honeywell» серии MLH (Рис. 3.1). Датчики давления Honeywell разработаны для удовлетворения широкого спектра требований к испытаниям и измерениям для применения в аэрокосмической, транспортной, нефтегазовой и заводской автоматизации, и это лишь часть из них. Данные чувствительные датчики обеспечивают точность и надежность показаний даже в самых суровых условиях эксплуатации. [9, 15]. Рис. 3.1. Датчики давления фирмы «Honeywell» серии MLH. 27 В этой серии применяется передовая технология ATF (Advanced Thick Film). Суть данной технологии состоит в том, что она использует проводящие, резистивные и изоляционные пасты, содержащие стеклянную фритту, нанесенную на рисунки, и при высокой температуре наносятся на керамическую подложку (рис. 3.2). То есть производится монтаж тензорезистивного моста с керамической подложкой на противоположную сторону металлической диафрагмы данного датчика, на которую будет прикладываться давление. Компании «Honeywell» удалось осуществить увеличение точности, интервала измерений до 560 атмосфер, а также увеличить интервал температур от –40°С до +125 °С. Рис. 3.2. Создание типичного пленочного соединения. Еще одно важное преимущество данных датчиков является то, что они имеют широкий интервал давлений от 0 атмосфер до 560 атмосфер. В данной работе использовали датчики давления MLH200PSB06A (рис.3.3). 28 Рис. 3.3. Датчик давления MLH200PSB06A. Датчик давления MLH200PSB06A предназначен для измерения в интервале от 0 атмосфер до 13,5 атмосфер. Технические характеристики даны в таблице 1. Особенности данного манометра: Металлическое изолирование внутренних высокочувствительных элементов делают допустимым его применение в различных средах. Защита от резких скачков напряжения; Высокая скорость измерения. Таблица 1 Технические характеристики манометра MLH200PSB06A Тип измерения Избыточное давление Напряжение питания 5 В Давление Разрыва 136 атм Тип резьбы 1/8 – 27 NPT Точность ±0,25% Время реакции < 2 мс Диапазон рабочих температур -40 ºC до 125 ºC 29 Продолжение таблицы 1 Устойчивость к перегрузке 100 g Сертификация CE, UL UNSPSC 41111927 Доступность Глобально Температурная компенсация Да Диапазон давлений 0-13,5 атм Напряжение выхода 0,5-4,5 В Размах выходного сигнала 4 В Диапазон компенсируемых температур -40 ºC до 125 ºC Вес 57 г Длина 27 мм Ширина 27 мм Высота 55 мм 3.1.2 Грузопоршневой манометр МП-60 Грузопоршневой манометр МП-60 (рис. 3.4) класса точности 0,05 изготовлен с целью поверки и калибровки измерительных устройств давления (деформационных манометров, датчиков, регистраторов и т. д.). А также предназначен для замера избыточного давления в системе. [19]. Данный вид манометров считаются одним из точных и стабильных приборов давления, которые дают отличную цикличность результатов 30 измерений. Технические характеристики данного грузо поршневого манометра представлены в таблице 2. Рис. 3.4. Грузопоршневой манометр МП-60. Таблица 2 Технические характеристики грузопоршневого манометра МП-60 Наименование параметров Норма для манометра Верхний предел измерения 6 МПа (60 кгс/см 2 ) Нижний предел измерения 0,1МПа (1 кгс/см 2 ) Номинальное значение площади поршня 0,5 см Номинальное значение массы поршня с грузоприемным устройством 0,5 x 0,98 кг 31 Продолжение таблицы 2 Давление, создаваемое поршнем с грузоприёмным устройством 0,1 Мпа (1 кгс/см 2 ) С помощью данного грузопоршневого манометра МП-60 производилась калибровка датчиков давления MLH200PSB06A, графики которых будут представлены в 3 главе. 3.2 Вторичная регистрирующая аппаратура 3.2.1 Описание АЦП-ЦАП Сегодняшний мир наполнен цифровыми и аналоговыми сигналами. Хотя эти сигналы ведут себя по-разному, они часто используются для достижения больших целей. Представьте себе инженера, которому поручено управлять установкой, если вы планируете использовать какой-либо микроконтроллер или микропроцессор, то необходимо будет считывать аналоговую температуру с бесконечным количеством значений и преобразовывать ее в двоичное код. Затем это двоичное представление аналогового значения будет обрабатываться микроконтроллером или микропроцессором. При работе с аналоговым значением, которое необходимо обработать цифровой системой, необходим аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Та же теория может быть применена назад к цифровому сигналу, который необходимо преобразовать в аналоговый сигнал. Потоковая передача песни в Интернете включает несколько различных шагов, которые используют преобразование цифровых сигналов в аналоговые сигналы. Сигнал, который устройство принимает с сервера, будет двоичным представлением исходного аналогового сигнала. Звуковой ответ от этих двоичных данных будет непонятен для слушателя. Первоначальный сигнал был аналоговым, поэтому и окончательное представление данного сигнала тоже должно быть аналоговым. 32 Эта проблема решена с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Этот тип устройства принимает двоичный код, который мог быть закодирован аналого-цифровым преобразователем, и превращает его обратно в аналоговое напряжение. Преобразование сигналов с аналогового на цифровое или цифровое на аналоговое является неотъемлемой задачей для сегодняшнего инженера. Существует много разных аналого-цифровых преобразователей и цифро- аналоговых преобразователей. Хотя они отличаются своей архитектурой, все они работают для достижения одной цели. Поскольку цифровая обработка сигналов не может быть выполнена с аналоговыми значениями, это было бы аналогично тому, как говорящий по-французски человек говорил с немецкоязычным человеком. Без переводчика это не сработало. Устройства АЦП и ЦАП могут помочь действовать как этот переводчик. Когда АЦП видит аналоговое напряжение, его задача состоит в том, чтобы превратить аналоговое напряжение в двоичный код за определенный период времени. Это означает, что АЦП будет отображать аналоговое напряжение в одно мгновение, а затем определяет, какое значение будет в двоичном виде на выходной стороне АЦП. Количество замеров, которые устройство принимает каждую секунду, будет зависеть от технических характеристик, которые записаны в его документации. Наличие большой частоты дискретизации позволит устройству быть более точным, но это не единственный способ повысить точность. Поскольку это преобразование аналогового сигнала в двоичный код, будет конечное число дискретных шагов, которые могут быть использованы для представления напряжения в определенный момент времени. Количество бит, которое может использоваться для представления этого числа – это разрешение. Чем выше разрешение для АЦП, тем больше дискретных шагов могут быть приняты им. Для более подробного ознакомления с этим важно понять, как определить, сколько шагов может выполнить АЦП. АЦП имеет двоичный выход, который 33 представляет собой напряжение питания. Если напряжение питания составляет 10 В и имеется 8-разрядный АЦП, то будет 256 шагов. Для определения разрешения используется уравнение 2 n . «2» является числом постоянным, а N - количеством бит. 2 8 =256 шагов. Использование 256 шагов с питанием 10 В означает, что каждый шаг будет 39,0625 мВ. Для каждого из этих шагов будет существовать другой двоичный код. При измерении на графике получается контур лестницы. Эта лестница является передаточной функцией АЦП. На рисунке 3.5 показана функция с использованием 3-разрядного АЦП с опорным сигналом 2 В. [17]. Рис. 3.5. Передача функции 3-разрядного АЦП с опорным сигналом 2 В. Существует несколько различных архитектур АЦП. Три наиболее популярные архитектуры АЦП - это регистры последовательного приближения, Delta-Sigma и конвейерный. Каждый из них преобразует аналоговый сигнал в цифровой, но есть небольшие различия в том, как это делается. Суть работы АЦП с регистром последовательного приближения (рис. 3.6) состоит в том, что с началом цикла преобразования все без исключения выходы данного регистра находятся в логическом 0, кроме 1 разряда. Что создает на внутреннем выходе ЦАП сигнал, а его значение соответствует 34 половине входного интервала АЦП. А на выходе компаратора значение характеризует разность между выходным сигналом ЦАП и входным напряжением. Рис. 3.6. Упрощенная блок-схема АЦП с регистром последовательного приближения. Суть работы АЦП с архитектурой Delta-Sigma (рис. 3.7), что на вход Uвх поступает постоянное напряжение. Сигнал на выходе интегратора, то постоянно растет, то убывает. Далее сигнал, с выхода компаратора направляется через ЦАП на вход сумматора. В этой точки средняя значение напряжения находится на уровне Uвх, за счет отрицательной обратной связи (ООС). Из этого следует, что среднее напряжение на выходе ЦАП равно напряжению Uвх. Таким образом, среднее напряжение на выходе ЦАП обуславливается плотностью потока единиц в 1-разрядном потоке данных, которые проходят через ЦАП. Когда растет сигнал на входе в ЦАП до +Uref, то растет количество единиц в потоке данных, а количество 0 уменьшается. Аналогично, если сигнал убывает до -Uref, то наоборот, количество 0 растет, а единиц убывает. Если говорить иначе, то в поочередном потоке разрядов на выходе компаратора будет содержатся среднее значение напряжения на входе Uвх. А цифровой фильтр и дециматор обрабатывают поочередно поток битов и предоставляют конечные данные на выходе. 35 Рис. 3.7. Блок-схема Delta-Sigma АЦП первого порядка. Суть конвейерных АЦП (рис. 3.8) состоит в том, что сигнал проходит через первый АЦП, где первоначально старшие разряды проходят оцифровку и на выходе получается двоичное представление сигнала. Далее, двоичный код поступает в ЦАП. На вход второго АЦП усиливается и поступает разность сигнала на выходе ЦАП и аналогового сигнала на входе. После этого, сигналы на выходе двух АЦП объединяются в единый код. В случае если динамический интервал сигнала с первого АЦП не соответствует динамическому интервалу второго АЦП, то появляется нелинейность и, допустима вероятность утраты кода. Для того, чтобы ликвидировать данную ошибку применяется цифровая коррекция ошибки. 36 Рис. 3.8. Блок-схема 12-разрядного конвейерного АЦП. У каждой из этих архитектур будут положительные и отрицательные стороны. АЦП с регистром последовательного приближения будет проста в использовании, как правило, использует более низкую мощность и обладает минимальным временем отклика с большой точностью. АЦП с архитектурой Delta-Sigma будет усреднять сигнал за время, затрачиваемое на преобразование его в цифровой. Также архитектура Delta-Sigma будет обладать очень высоким разрешением и высокой стабильностью при малой мощности и низкой стоимости. Однако данная архитектура будет работать на гораздо более низких скоростях, чем АЦП с регистром последовательного приближения и конвейерного АЦП. Конвейерные АЦП делят преобразование на разные этапы, что обеспечивает очень быструю скорость обработки. АЦП конвейерного типа будет работать на более высоких скоростях и более высокой пропускной способности, чем предыдущие примеры, но будет иметь более низкое разрешение и требует больше мощности для запуска. 37 3.2.2 Внешний модуль АЦП-ЦАП Е14-440 В данной работе использовался АЦП-ЦАП Е14-440 (рис. 3.9). Важно подчеркнуть, что это современное универсальное устройство на базе шины USB предназначено для ввода и вывода, а также для обработки аналоговых и цифровых данных, которое совместимо с IBM PC. Данное устройство представляет собой законченную систему, в основе которой лежит цифровой сигнальный процессор. Модель процессора «ADSP-2185M» была разработана компанией Analog Devices. Гибкая архитектура данной модели и полный набор инструкций позволяют процессору параллельно выполнять несколько операций. [18]. Рис. 3.9. Внешний вид модуля АЦП-ЦАП Е14-440 с его составляющими. Внешний модуль обладает следующими характеристиками: Шина USB (Rev. 1.1); Тактовая частота работы процессора 48 МГц; 16 дифференциальных или 32 канала с общей землей для аналогового ввода с возможностью автоматической корректировки данных; Предельная допустимая частота работы 14-разрядного АЦП 400 кГц; 38 2 входа для цифровой синхронизации ввода аналоговых сигналов; Порт ввода и вывода, который имеет16 входных и 16 выходных линий; 2 канала аналогового вывода 12-разрядного ЦАП с предельной допустимой частотой 125 кГц; Пропускная способность не более 500 кСлов/с. В таблице 3 представлены параметры входного аналогового тракта, а в таблице 4 представлены параметры ЦАП. Таблица 3 Технические характеристики входного аналогового тракта Тип модуля E-440 Количество каналов 16 дифференциальных или 32 с общей землей Разрядность АЦП 14 бит Разрядность, рассчитанная по отношению сигнал/шум на заземленном входе PGA при частоте АЦП 400 кГц Усиление = 1 13,8 бит Усиление = 4 13,8 бит Усиление = 16 13,5 бит Усиление = 64 13,0 бит Разрядность, рассчитанная по отношению сигнал/(шум+гармоники) полученная при оцифровке синусоидального сигнала частотой 10 кГц с амплитудой 2.5В при частоте запуска АЦП 400 кГц Усиление = 4 13,2 бит 39 Продолжение таблицы 3 Время преобразования 2,5 мкс Входное сопротивление при одноканальном вводе Не менее 1МОм Диапазон входного сигнала 10 В; 2,5 В; 0,625 В; 0,15625 В Максимальная частота преобразования 400 кГц Таблица 4 Параметры ЦАП Количество каналов 2 Разрядность 12 бит Максимальная частота преобразования 125 кГц Время установления 8 мкс Выходной диапазон 5 В Также на устройстве E14-440 есть цифровые входные и выходные линии, которые могут применяться пользователем под свои задачи. Параметры данных линий приведены в таблице 5. 40 Таблица 5 Параметры цифровых линий Входной порт 16 бит; КМОП; серия НСТ Выходной порт 16 бит; КМОП; серия НСТ Напряжение низкого уровня мин. 0 В; макс 0,4 В Напряжение высокого уровня мин. 2,4 В; макс 5,0 В Выходной ток низкого уровня (макс) 6 мА Выходной ток высокого уровня (макс) 6 мА Входной ток 10 А 3.3 Перистальтические насосы В данной работе используется перистальтический насос марки «Watson- Marlow 620 Du». В начале поговорим о перистальтических насосах в общем, а далее рассмотрим конкретную модель подробнее. Перистальтический насос представляет собой эластичную трубку, по которой перекачивается жидкость (рис.3.10). Жидкость находится в эластичной трубке, установленной внутри круглого корпуса насоса. Благодаря роликам, эластичная трубка продавливается, тем самым заставляя жидкость перемещаться по ней (обычно количество роликов составляет от 2 и более). Перекачиваемая жидкость контактирует только с внутренней поверхностью чистой эластичной трубки. Перистальтические насосы могут работать непрерывно, или они могут быть проиндексированы посредством частичных оборотов для перемещения меньшего количества жидкости. 41 Рис. 3.10. Перистальтический насос с 2 роликами. Преимущества данных насосов: Нет ощутимого изнашивания. Поскольку единственная часть насоса, находящаяся в контакте с перекачиваемой жидкостью, является внутренняя поверхность трубки, которую легко очистить, промыть или заменить; Легок в обслуживании и экономически выгоден; Легко программируется для дозирования перекачиваемой жидкости. 3.3.1 Перистальтический насос «Watson-Marlow 620Du» «Watson-Marlow 620Du» – это высокопроизводительный насос, со встроенными функциями управления и интеграции, которые не имеют себе равных (рис. 3.11). Данная модель насоса обеспечивает мгновенную мощность 42 и точность, а 16-клавишная цифровая клавиатура делает ручное управление действительно простым. [20]. Рис. 3.11. Внешний вид насоса Watson-Marlow 620Du. Характеристики насоса: Расход жидкости до 18,3 л/мин; Рабочий интервал давления от 0 бар до 4 бар; Управление насосом осуществляется дистонционно либо вручную; Насос имеет четыре программируемых вывода состояния для различных параметров; Обратная связь скорости насоса обеспечивается сигналами 0В до 10В, 4 мА до 20 мА или 0 Гц до 1258Гц; Управление сетью с помощью протоколов стандарта RS-485 и RS- 232. Была произведена калибровка насоса, о которой поговорим в 3 главе более подробно. 43 3.4 Описание программной составляющей 3.4.1 Описание программы Get440 Для калибровки датчиков давления и насоса, которые применяли в данной работе, использовали программу Get440. Данное программное обеспечение (ПО) состоит из 3 составляющих: 1. Библиотека LUSBAPI.DLL, которая идет в комплекте с АЦП-ЦАП Е14-440. Данная библиотека отвечает за взаимодействие ПО (ЭВМ) и модуля Е14-440. Иначе говоря, является драйвером для их синхронизации. 2. Библиотека USB440.DLL, которая отвечает за весь функционал управления АЦП, ЦАП с поддержкой усреднения и интерполяции. Что обеспечивает основной программе оптимальный интерфейс для взаимодействия с E14-440. Данная библиотека была разработана в программной среде Visual C++ v.6, совместима с операционными системами Microsoft Windows 98/ME/2000/XP. 3. Основное приложение управления, разработанное как набор таблиц и макросов в среде редактора электронных таблиц Excel из пакета Microsoft Office 2000-2003. Запускаются макросы с помощью добавочного пункта меню рабочих листов книги, настройка режимов осуществляется через элементы управления специальных форм, а также через рабочие листы. Разберем подробнее 3 пункт, который включает в данную книгу Excel 4 рабочих листа и 1 лист графиков: ListADC – лист, который заполняется данными, при регистрации АЦП. GraphADC – лист графиков, который связан с ListADC. В нем отображаются временные зависимости сигналов. ListPar – лист параметров и результатов обработки текущего замера. 44 ListProg – лист программы автоматического эксперимента. Каждый столбец листа представляет параметры шага программы. 3.4.2 Описание программы графической обработки представления данных Для обработки данных проведенного эксперимента использовалась программа графической обработки данных GrDataN.xls, которая написана и разработана в среде макросов и электронных таблиц Excel. Данное ПО осуществляет расчет и обработку параметров пласта по данным эксперимента методом ФВД. Программа имеет большой функционал: Загружать большие массивы данных или вводить их вручную; Вносить коррективы в список параметров; Производить построение графиков для каждого канала по исходным замерам, постройка общего графика каналов; Осуществлять отбор исходных данных; Удалять бесполезные и искаженные данные с графиков; Производить построение графиков с учетом линии тренда, после обработки данных; Производить Фурье-анализ по полученным данным; Осуществлять вычисление отношения амплитуд и сдвигов фаз относительно канала дебита возмущающей скважины; Вычислять по модели фильтрации Щелкачева В.Н. параметры пласта в случае межскважинного прослушивания и для самопрослушивания; Формировать удобный отчет в виде таблицы. 45 3.4.3 Программа для моделирования и анализа гидродинамических исследований скважин Данная программа была разработана фирмой «Kappa», которая была использована для численного моделирования 2 скважин, горизонтальной и вертикальной. Для того, чтобы проверить возможна ли обработка горизонтальных скважин методом ФВД. Программа Saphir служит для интерпретации гидродинамических исследований скважин (ГДИС). Данное ПО используется в международных и отечественных крупных нефтяных компаниях. Это ПО позволяет загружать большое количество данных о дебитах, давлениях и т. д. А также Saphir обладает большими возможностями, в плане функционала: выбор, удаление, объединение, разделение, перемещение и сдвиг любых данных о дебитах и давлениях, в графическом и численном представлении. |