Geofizički karotažni sistemi se koriste za merenje različitih parametara od interesa u raznovrsnim tipovima bušotina. Ti parametri se određuju spuštanjem više tipova sondi u bušotinu. U ovom tekstu je predstavljen princip rada elektrolog sonde, za merenja u vodenim nezacevljenim bušotinama, realizacija njene upravljačke elektronike kao i komunikacija sa površinskom jedinicom.
Uvod
Ležišta nafte i gasa se ne nalaze svuda u svetu, niti je njihovo lociranje slučajan proces. Zato se ulažu velika sredstva i napori radi otkrivanja lokacija ležišta i što preciznijih podataka o njihovoj strukturi. Geofoziška karotažna (GFK) merenja se koriste za određivanje parametara od interesa u naftnim, vodenim i gasnim bušotinama [1]. Tipičan sistem za ispitivanje bušotina je prikazan na slici 1.
Slika 1. GFK sistem za ispitivanje bušotina
Osnovni delovi GFK sistema su:
1 – Površinska jedinica za analizu i nadgledanje merenih rezultata,
2 – kabel za spuštanje sonde kroz ispitivanu bušotinu i komunikacioni link između mernih instrumenata i površinske jedinice i
3 – merne sonde.
1 – Površinska jedinica za analizu i nadgledanje merenih rezultata,
2 – kabel za spuštanje sonde kroz ispitivanu bušotinu i komunikacioni link između mernih instrumenata i površinske jedinice i
3 – merne sonde.
Kako trenutno ne postoji sonda koja može da odredi sve parametre od interesa, merenje u bušotinama zahteva spuštanje različitih tipova sondi (ili lanca različitih sondi), da bi se došlo do željenih informacija. U daljem tekstu je detaljnije opisana elektrolog sonda za merenje specifičnog električnog otpora (SEO) zemljišta.
Merenje specifičnog električnog otpora zemljišta
Osnovni koncept elektrolog sonde prikazan je na slici 2. Struja niske frekvencije se emituje između dve elektrode u tačkama A i B, i to izazva promene potencijala u merenoj tački M. Potencijal se meri u odnosu na udaljenu tačku na površini zemlje, obično realizovanu zakopavanjem metalne šipke u zemlju nedaleko od površinske jedinice (odakle i potiče naziv “Mud pit”). U dalje opisanom sistemu koriste se dve merne tačke na rastojanju od 16” i 64” od tačke M.
Slika 2. Osnovni koncept elektrolog sonde
Ovim postupkom se dobija samo prividni SEO dok se podatak o stvarnoj vrednosti može proceniti. To je složen postupak gde se mora uzeti u obzir prečnik bušotine, debljina isplačnog kolača, dubina invazije, debljina sloja, svojstva susednih slojeva, kao i sama isplaka. Često je potrebno obaviti i druga merenja da bi se odredila stvarna vrednost SEO zemljišta. Strujno – povratna elektroda B (obično oklop kabla) se nalazi u bušotini, na rastojanju od oko 15 m iznad strujne elektrode A (koristi se i za merenje sopstvenog potencijala). To je dovoljno rastojanje da elektroda B nema uticaj na potencijal u tački M.
Hardverska realizacija uređaja
Pri projektovanju upravljačke elektronike posebna pažnja je usmerena da ceo sistem bude digitalno kontrolisan, kako bi se lako mogli implementirati algoritmi za automatsko prilagođenje i kalibrisanje sistema u procesu merenja.
Sa druge strane ostavljena je mogućnost ručnog menjanja strujnih opsega kako bi operater mogao sam da odabere mod rada uređaja. Na slici 3 dat je izgled celog površinskog mernog sistema baziranog na PC platformi.
Slika 3. Površinski merni sistem
Na slici 4 je dat blok dijagram glavne ploče elektrolog sonde. Srce celog uređaja je microchip-ov kontroler PIC 16f877. Izabran je zbog svoje dostupnosti, velikog broja ulazno/izlaznih pinova kao i integrisanih 10-bitnih A/D konvertora i serijskog interfejsa (USART).
Slika 4. Blok dijagram osnovne ploče elektrolog sonde
Generisanje sinusoidalnog signala vrši mikrokontroler preko D/A konvertora DAC08. To se pokazalo kao dobro rešenje, jer se dobija sinusoidalni signal sa vrlo malim izobličenjima. Takođe, lako se može promeniti oblik signala menjanjem samog koda, bez potrebe za izmenama hardvera. Pošto uređaj ima mogućnost promene frekvencije generisanog signala u par diskretnih koraka, ta promena se zadaje komandom bez ikakvih mehaničkih preklopnika.
Generisani sinusoidalni signal vodi se na naponom kontrolisani strujni izvor, realizovan sa operacionim pojačavačem TLC082 i puš-pul (push-pull) izlazom sa komplementarnim tranzistorima, kako bi se povećale strujne mogućnosti izvora.
Izbor jačine struje koja se šalje kroz strujne priključke sonde se bira izborom različitih vrednosti otpora u kolu strujnog izvora putem releja. Rad ovih releja, pa samim tim i izbor strujnog opsega kontroliše mikrokontroler. Realizovani su strujni opsezi od 3, 6, 12, 25 i 50mA.
Na blok šemi se takođe vide i blokovi RS485 magistrale preko koje upravljačka elektronika elektrolog sonde prima komande i šalje zahtevane podatke na personalni računar radi njihovog snimanja (logovanja) i dalje obrade. Interfejs sa operaterom je maksimalno uprošćen kako bi korišćenje same sonde bilo što jednostavnije.
Slika 5. Prednji panel površinskog sistema
Na prednjem panelu se nalaze tasteri (slika 5) za promenu strujnog i mernog opsega: “RANGE +” i “RANGE –“. Ukoliko je tasterom “AUTO/MANUAL RANGE” odabrano automatsko menjanje opsega, opseg će automatski menjati sam uređaj i tada tasteri “RANGE+”, “RANGE – “ nisu u funkciji. Prilikom ručnog (“MANUAL”) menjanja opsega treba obratiti pažnju da prilikom dostizanja maksimuma trenutno korišćenog opsega (što se vidi i na SCADA software-u na PC-u), treba preći na veći opseg. Inače se neće dobiti tačna vrednost merene veličine pomoću sonde. Takođe, pri suviše malim vrednostima merenog signala, za trenutno korišćeni opseg smanjuje se preciznost očitavanja i to može dovesti do povećane greške merenja.
Merenje signala sa 16” i 64” zahvata sonde takođe vrši mikrokontroler, ali se ulazni signali prvo prilagođavaju mernom naponskom opsegu A/D konvertora.
Prilagođenje se vrši na posebnoj štampanoj ploči, čijim radom upravlja mikrokontroler, preko upravljačkih signala. Blok šema te pločice je data na slici 6.
Slika 6. Blok dijagram kola za prilagođenje mernog signala
Dolazni signali sa 16” i 64” zahvata se u bloku ulaznog ispravljača napona prilagođavaju na određeni naponski nivo i ispravljaju komutacijom. Prilagođenje naponskog nivoa se vrši putem diferencijalnog pojačavača (slika 7).
Slika 7. Prilagođenje naponskog nivoa sa diferencijalnim pojačavačem
Pojačavač je realizovan sa TLC082 operacionim pojačavačem, a za potenciometre u povratnoj sprezi (R3 i R6) su korišćeni helipot potenciometri. Tako se lako može finom regulacijom podesiti potrebno pojačanje. Za ispravljanje signala, zbog malih vrednosti napona, korišćenje grecovog spoja bi unelo nedopustivo veolika izobličenja. Zbog toga je za komutaciju korišćen analogni prekidač HCF4066, koji je kontrolisan od strane mikrokontrolera.
Pošto mikrokontroler generiše i sinusoidalni signal, kolo za detekciju prolaska signala kroz nulu nije bilo potrebno već su upotrebljene dve nožice mikrokontrolera za generisanje kontrolnih signala C1 i C2 (slika 6). Oni menjaju stanja na određenim semplovima generisane sinusoide, pri kojim ona prolazi kroz nulu. C1 i C2 kontrolišu HCF4066, tako da on vrši komutaciju ulaznog signala, poput grecovog spoja sa idealnim diodama.
Slika 8. Ispravljanje ulaznog signala
Ispravljen i pojačan signal se vodi dalje na aktivan (low pass) filter sa vrlo niskom graničnom učestanošću. Tako se na izlazu dobija jednosmerni napon koji je proporcionalan efektivnoj vrednosti merenog signala. Taj napon se dalje vodi na A/D konvervor. Propuštanjem signala kroz filtar pre A/D konverzije se dobijaju bolji rezultati. Time je izbegnuta skokovita promena očitanih napona uzrokovana mogućim trenutnim lošim kontaktom pristupa na sondi sa zemljištem.
Komunikacioni protokol
Master modul upravlja preko PC-ja (SCADA softverom) mernim sondama i obrađuje rezultate merenja. Za komunikaciju sa master modulom korišćena je RS485 half-duplex magistrala [5]. Zbog half duplex magistrale nijedan modul u sistemu ne sme sam da inicira komunikaciju dok ne bude prozvan od strane master modula.
Takođe, kada slejv (slave) modul detektuje da je prozvan od strane master-a, treba da prođe dovoljno vremena da master oslobodi magistralu pre nego što je zauzme slejv da ne bi došlo do kolizije podataka na magistrali. Ovaj problem je rešen pravljenjem softverske pauze u kodu mikrokontrolera između trenutka detektovanja poruke prozivanja i zauzimanja magistrale u trajanju od 1.5 bitskog vremena prenosa. Za korišćenu brzinu prenosa (baud rate = 2400bps) ono iznosi (1/2400)*1.5≈0.625ms.
U daljem tekstu je detaljnije opisana sekvenca pri prozivanju elektrolog modula. Pri prozivanju korišćena je 9-bitna serijska komunikacija. Pri tome ukoliko je deveti bit 1, u pitanju je bajt adrese a ukoliko je deveti bit 0 radi se o bajtu podataka. To nam daje mogućnost od 255 slejv modula.
Radi pojednostavljenja samog protokola i da bi se izbeglo korišćenje bajta o dužini poruke (data lenght), usklađeno je da su sve poruke koje master šalje elektrolog slejvu jednake dužine, kao i da su svi odgovori koje elektrolog slejv šalje masteru iste dužine (slika 9).
Slika 9. Format poruke koju master šalje elektrologu
Prvi bajt je adresa elektrologa ‘p’ (aski karakter) sa devetim bitom koji je 1. Drugi bajt je funkcijski kod koji govori o kakvom se zahtevu radi. Dozvoljeni funkcijski kodovi (zahtevi) su :
’1’ – standardno očitavanje vrednosti sa 16” i 64” pristupa na sondi kao i trenutno izabranog strujnog opsega,
‘f’ – zahtev za očitavanje trenutne frekvencije sinusoidalne struje koja se šalje u zemlju i
‘F’ – komanda za promenu trenutne frekvencije sinusoidalne struje koja se šalje u zemlju.
’1’ – standardno očitavanje vrednosti sa 16” i 64” pristupa na sondi kao i trenutno izabranog strujnog opsega,
‘f’ – zahtev za očitavanje trenutne frekvencije sinusoidalne struje koja se šalje u zemlju i
‘F’ – komanda za promenu trenutne frekvencije sinusoidalne struje koja se šalje u zemlju.
Treći bajt u prva dva slučaja nije od interesa, dok pri komandi za promenu trenutne frekvencije (BRZ), sadrži vrednost za izbor jedne od predefinisanih frekvencija sinusoidalne struje koja se šalje u zemlju. BRZ ima vrednost između 1 i 4. Poruke koje elektrolog šalje master-u su prikazane na slici 10.
Slika 10. Poruke koje elektrolog šalje masteru
Prvi bajt je adresa elektrolog modula i ima deveti bit 1, dok svi ostali bajtovi imaju deveti bit 0. Drugi bajt vraća funkcijski kod na koji elektrolog slejv odgovara. On možeimati sledeće vrednosti:
• ‘1’ – standardno očitavanje vrednosti sa 16” i 64” pristupa na sondi kao i trenutno izabranog strujnog opsega,
• 16/1 – prvi bajt očitavanja sa 16” pristupa (pošto je očitavanje tipa intedžer (integer) pri slanju je razdvojeno na 2 bajta),
• 16/2 – drugi bajt očitavanja sa 16” pristupa,
• 64/1 – prvi bajt očitavanja sa 64” pristupa,
• 64/2 – drugi bajt očitavanja sa 64” pristupa,
• opseg – trenutni opseg merenja koji može imati vrednosti aski ‘1’ do ‘5’,
• x – bajtovi koji nisu od interesa,
• BRZ – podatak o trenutnoj frekvenciji, sme imati vrednost izmedju 1 i 4,
• ‘1’ – standardno očitavanje vrednosti sa 16” i 64” pristupa na sondi kao i trenutno izabranog strujnog opsega,
• 16/1 – prvi bajt očitavanja sa 16” pristupa (pošto je očitavanje tipa intedžer (integer) pri slanju je razdvojeno na 2 bajta),
• 16/2 – drugi bajt očitavanja sa 16” pristupa,
• 64/1 – prvi bajt očitavanja sa 64” pristupa,
• 64/2 – drugi bajt očitavanja sa 64” pristupa,
• opseg – trenutni opseg merenja koji može imati vrednosti aski ‘1’ do ‘5’,
• x – bajtovi koji nisu od interesa,
• BRZ – podatak o trenutnoj frekvenciji, sme imati vrednost izmedju 1 i 4,
• ‘f’ –očitavanje trenutne frekvencije sinusoidalne struje koja se šalje u zemlju,
• ‘e’ – primljen je nepostojeći funkcijski kod,
• Err – vraća funkcijski kod koji je primljen i prepoznat kao nepostojeći.
• ‘e’ – primljen je nepostojeći funkcijski kod,
• Err – vraća funkcijski kod koji je primljen i prepoznat kao nepostojeći.
Zaključak
U radu je rešavana problematika merenja specifičnog električnog otpora (SEO) u nezacevljenim vodenim bušotinama. Projektovani hardver treba da obezbedi pouzdanu i efikasnu komunikaciju elektrolog sonde, sa površinskom jedinicom u veoma teškim uslovima merenja u bušotini. Osnovni problem je prisustvo električnih smetnji od motora koji spušta sonde i drugih elektromagnetnih smetnji u zemlji.
Realizovan je i komunikacioni sistem koji sakuplja i obrađuje podatke sa mernih senzora i po prikazanom protokolu ih šalje na površinsku jedinicu (PC). Napisan je program za komunikaciju i testiran je pomoću simulatora i test pločice. Realizovani upravljački sistem koji je testiran u radnim uslovima. Napravljena je jedna serija pločica i kompletan merni sistem je počeo da se primenjuje u praksi. Prvi rezultati su veoma dobri.
