معرفی نظارت بر سقوط در نفت و گاز

صنعت نفت و گاز در برخی از محیط های شدید روی زمین فعالیت می کند، با چاه هایی که مسافت ها را در زیر سطح قرار می دهند، نظارت بر شکاف - عمل جمع آوری داده ها از سنسورهایی که در اعماق این چاه ها قرار دارند - برای بهینه سازی تولید، اطمینان از یکپارچگی و جلوگیری از محدودیت های سنتی تخریب شده توسط شرایط سخت محدود شده است، مانند دمای بیش از 175 درجه سانتیگراد، بیش از 15000 فشار های انتقال و اغلب نیاز به شدت انتقال داده های قابل اعتماد و جلوگیری از حد نیاز است.

ظهور سنسورهای هوشمند، که میکروپرسورها، حافظه، ماژول های ارتباطی و مواد پیشرفته را ترکیب می کند، نظارت بر شکاف را تغییر می دهد، این دستگاه های هوشمند، جمع آوری داده های خودکار و تجزیه و تحلیل را به طور چشمگیری بهبود می بخشد تصمیم گیری عملیاتی.با ادغام پردازش بر روی صفحه و ارتباطات بی سیم، سنسورهای هوشمند نیاز به کابل کشی فیزیکی و دستی، کاهش خطرات و بازیابی اطلاعات را کاهش می دهد.

پیشرفت تکنولوژی کلیدی در توسعه سنسور هوشمند

پیشرفت های اخیر در میکروالکترونیک، برداشت انرژی و تله بی سیم، نسل جدیدی از سنسورهای ضعیف را فعال کرده است، این دستگاه ها دیگر مبدل های منفعل نیستند، بلکه گره های فعال در یک شبکه صنعتی از چیزها (IIoT) هستند. زیر بخش ها جزئیات مهم ترین نوآوری های رانندگی این تحول را به طور دقیق نشان می دهند.

بسته بندی محیط زیست و مواد

سنسورهای هوشمند مدرن در آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی مانند Inconel یاTable قرار دارند، اغلب با پوشش های سرامیکی یا الماس برای محافظت اضافی. الکترونیک از مایعات سوراخ شده با استفاده از ترکیبات سفالگری با درجه حرارت بالا و آب های هوا، برخی از طرح ها از مهر و موم های فلزی به فلز همراه اتاق های روغن متعادل برای زنده ماندن از دوچرخه های حرارتی و شوک مکانیکی استفاده می کنند.

به عنوان مثال، بسیاری از سنسورها در حال حاضر دمای عملیاتی را از 40 درجه سانتیگراد تا 200 درجه سانتی گراد و فشار بیش از 20،000 psi را در بر می گیرند، این اجازه می دهد تا نظارت مداوم در سلامت های گسترده و با فشار بالا (HPHT) داشته باشد.

نوآوری های انتقال داده های بی سیم

از لحاظ تاریخی، داده های ضعیف از طریق کابل های الکتریکی منتقل می شدند که گران، سنگین و مستعد آسیب بودند. سنسورهای هوشمند در حال حاضر از فناوری های بی سیم چندگانه استفاده می کنند:

  • تلهومتر پالس (FLT 1) از تغییرات در فشار گل حفاری برای رمزگذاری داده ها استفاده می کند.این یک اسب کار برای برنامه های اندازه گیری زمان واقعی (MWD) است.
  • [EM] تلهومتر [FLT 1] داده ها را از طریق تشکیل زمین انتقال می دهد، ارائه پهنای باند بالاتر از پالس گل در شکل های خاص اما عمق محدود.
  • تله ایکووستیک [FLT 1] سیگنال ها را از طریق لوله یا رشته مته ارسال می کند، ارائه پهنای باند متوسط با کاهش سیگنال درtenuation.
  • سنجش بینایی فیبر (تعامل آکوستیک توزیع شده، DAS و سنجش دمای توزیع شده، DTS) از پالس های نور در کابل فیبر نوری استفاده می کند، در حالی که نه یک "حساسیت"، فیبر به عنوان یک واسطه سنجش مداوم عمل می کند و می تواند با سیستم های سنسور هوشمند برای عملیات هیبریدی یکپارچه شود.

تحقیقات در سیستم های تله متری هیبریدی که به طور خودکار بر اساس شرایط پایین تغییر می کنند، یک منطقه رو به رشد از منافع است. ارائه دهندگان خدمات خدمات مانند SLB همچنان به اصلاح این راه حل های بی سیم ادامه می دهند.

هوش و مدیریت قدرت Onboard Intelligence and Power Management

سنسورهای هوشمند معمولا شامل میکروکنترلر یا FPGA هستند که داده های سنسور خام را به صورت محلی پردازش می کنند.این قابلیت محاسباتی لبه فیلتر، تشخیص رویداد و فشرده سازی داده ها را انجام می دهد، به عنوان مثال، سنسور فشار هوشمند تنها زمانی که فشار بیش از آستانه است، هشدار می دهد، به جای اینکه خواندن مداوم را جریان دهد.

قدرت یک محدودیت اولیه است. بسیاری از سنسورها از باتری های کلرید لیتیوم-سیلیل با درجه حرارت بالا برای 150 درجه سانتیگراد تا 200 درجه سانتیگراد استفاده می کنند، برخی از نمونه های اولیه تولید انرژی را از ارتعاشات ضعیف، گرادیان حرارتی (اثر مشاهده)، یا انرژی خویشاوندی جریان ایجاد شده، یک مرز تحقیقاتی فعال هستند، با برخی از نمونه های اولیه که نشان می دهند که در حال گردش در چاه هستند.

چالش های فنی اصلی در توسعه سنسور هوشمند Downhole Smart Development

علی رغم پیشرفت سریع، مهندسی یک سیستم سنسور هوشمند قابل اعتماد همچنان با مشکلات مواجه است.چالش های زیر نیازمند نوآوری مداوم هستند:

محدودیت های دما و فشار

اجزای نیمه هادی استاندارد بالای 175 درجه سانتیگراد نمی توانند سنسورهای هوشمند نیاز به سیلیکون-در-استولاتور تخصصی (SOI)، سیلیکون کاربید (SiC)، یا لوازم الکترونیکی نیتید گالوانیوم (GaN) دارند که در دمای اتصال تا 300 درجه سانتیگراد عمل می کنند، این مواد هزینه و محدودیت عملکرد محاسباتی را افزایش می دهند. علاوه بر این، فشار بالا مواد و مهر و موم را تشدید می کند و خواستار تجزیه و تحلیل دقیق عنصر و آزمایش زندگی است.

اطلاعات صداقت و امنیت

سیگنال های بی سیم تله متری را می توان با ایجاد سر و صدا، ارتعاشات و تداخل چندپاتی به جلو اصلاح خطا (FEC) و طرح های پیشرفته برای اطمینان از بازیابی داده های قابل اعتماد، علاوه بر این، به عنوان سنسور متصل به شبکه های سطحی و سیستم عامل های ابر، امنیت سایبری مهم می شود. رمزگذاری و پروتکل های تأییدیه باید به اندازه کافی سبک برای اجرای میکروکنترلرهای منابع آموزش دیده اما قوی برای جلوگیری از دسترسی غیر مخرب یا دستکاری.

قابلیت اطمینان و کالیبراسیون طولانی مدت

حسگرهای هوشمند پایین سوراخ باید برای ماه ها یا سالها بدون تعمیر و نگهداری عمل کنند، آنها چرخه های حرارتی، شوک در طول نصب را تجربه می کنند و قرار گرفتن در معرض هیدروژن سولفید و دی اکسید کربن.چ در طول زمان یک مسئله شناخته شده است، به ویژه برای سنسورهای شیمیایی (به عنوان مثال، pH، H S]) در روش های بازیافت حساس یا استفاده از ابزارهای پیچیده، اما ممکن است از ابزارهای مداخله پیچیده باقی بماند.

مطالعه ای که توسط جامعه مهندسان نفت (SPE) انجام شده است نشان داد که نرخ شکست سنسور در HPHT هنوز بیش از 10٪ در طول یک استقرار سه ساله، با تاکید بر نیاز به بهبود بیشتر مواد و طراحی بیشتر است.

استفاده از سنسور های زیر شکاف هوشمند

استقرار سنسور های ضعیف هوشمند فراتر از نظارت بر مخازن سنتی گسترش یافته است. مناطق کلیدی در حال حاضر شامل:

بهینه سازی عملکرد real-Time Well Performance Optimization

سنسورهای هوشمند در عمق های متعدد در امتداد چاه فشار مداوم، دما و پروفایل های جریان را فراهم می کنند.این داده ها به مدل های مخزن برای بهینه سازی تنظیمات، تنظیم نرخ تزریق، و شناسایی مناطق جریان متقابل یا پیشرفت آب، کنترل خودکار می تواند عوامل بهبودی را تا 5 تا 15٪ در مقایسه با مداخله دستی بهبود بخشد.

خوب و بی پرده تشخیص

سنسورهای فیبر نوری توزیع شده (DTS /DAS) می توانند نشت های کاتترینگ، خرابی های سیمان و مهاجرت گاز را در زمان واقعی مشخص کنند. سنسورهای نقطه هوشمند در بسته ها و چاه ها تشخیص زودهنگام مسائل یکپارچگی جلوگیری از ضربه فاجعه بار و آسیب های زیست محیطی، همراه با الزامات نظارتی برای ایمنی.

نظارت بر شن و خاک

تولید شن یک مشکل پر هزینه در بسیاری از چاه ها است. سنسورهای صوتی هوشمند می توانند ذرات شنی را که بر دیواره لوله تأثیر می گذارند، شناسایی کنند، الگوهای سیگنال را به غلظت شن و ماسه متصل کنند، زمانی که همراه با کلاس های یادگیری ماشین، این سنسورها می توانند اپراتورهای را برای اقدامات پیشگیرانه هشدار دهند (به عنوان مثال، کاهش نرخ جریان یا نصب صفحه نمایش های شنی) قبل از فرسایش بحرانی می شود.

مدیریت Reservoir و ادغام 4D Seismic

آرایه های سنجش فشار هوشمند و زمین های مستقر در پایینچاله به عنوان ایستگاه های نظارت دائمی عمل می کنند، هنگامی که با نظرسنجی های لرزه ای 4D ادغام شده اند، تصویر متحرک حرکات مایع را در طول عملیات آب و یا EOR فعال می کند.این synergy به اپراتورهای کمک می کند تا استراتژی های تزریق را برای حداکثر بهره وری افزایش دهند.

مسیر های آینده و روند نوظهور

دهه بعد وعده داده است که حتی سنسور های هوشمند را ضعیف تر کند.چندین روند برای گسترش آنچه که ممکن است، به هم پیوسته اند:

هوش مصنوعی در Edge

پیشرفت در شتاب دهنده های شبکه عصبی کم قدرت (به عنوان مثال، Edge630، NVIDIA Jetson Nano Vari برای دمای بالا) به سنسورهای سوراخ کننده اجازه می دهد تا مدل های پیشرفته AI را به صورت محلی اجرا کنند، چنین سنسورها می توانند رویدادهای تشکیل دهنده (فاژدها، تماس های مایع) را بدون انتقال داده های خام طبقه بندی کنند.این نیاز به پهنای باند را کاهش می دهد و تصمیمات خودکار در زمان واقعی مانند تنظیم یک دریچه را قادر می سازد.

برداشت انرژی و سیستم های خود-Powered

برداشت انرژی ارتعاشی از ابزار خوب و جریان مایع مانگ است.موالکتریک ژنراتورها با استفاده از تفاوت دما بین محیط ضعیف داغ و بخش خنک کننده چاه ممکن است قدرت پایدار را فراهم کند. برخی محققان در حال بررسی (FLT:0pyroالکتریک و پیزوالکتریک برداشت کنندگان انرژی [FLT: ۱] هستند که نوسانات حرارتی و فشار مکانیکی را به طور کامل شارژ باتری و جایگزین سازی دائمی قادر می سازد.

مینیاتورسازی و ادغام در Smart Well Completions

به عنوان سنسور کوچک، آنها می توانند به طور مستقیم در سخت افزار تکمیل - در صفحه نمایش های شنی، آستین کشویی، و بسته بندی کنندگان تعبیه شده است.این روند " تکمیل هوشمند" ترکیب انواع سنسور چندگانه (فشار، دما، فشار، شیمیایی، جریان) در یک پلت فرم تک بی سیم مجهز است.این تکمیل اجازه می دهد کنترل زودی داخلی با داده های بسیار دقیق دانه، وعده می دهد که به طور کامل دیجیتال است.

مشخصات و مکانیسم های انتقال رمان

تحقیقات در مورد سنسورهای کوانتومی برای برنامه های کاربردی کم عمق در مراحل اولیه است. مراکز نیتروژن- واکسیناسیون (NV) در الماس برای میدان مغناطیسی و اندازه گیری دما با وضوح استثنایی مورد بررسی قرار می گیرند، در حالی که در حال حاضر محدود به تظاهرات آزمایشگاهی است، چنین سنسورها می توانند در نهایت گرانش فوق العاده پیش بینی شده یا اندازه گیری های گرادیانت مغناطیسی برای نقشه برداری ساختار مخزن از داخل چاه را ارائه دهند.

نتیجه گیری

سنسورهای هوشمند برای نظارت بر شکاف از دستگاه های آزمایشی به ابزارهای ضروری در عملیات مدرن نفت و گاز تکامل یافته اند.با ترکیب مواد قوی، تله بی سیم، هوش محلی و مدیریت پیشرفته قدرت، این سنسورها داده های زمان واقعی را ارائه می دهند که ایمنی را بهبود می بخشد، هزینه ها را کاهش می دهد و بهبود می بخشد.