一種面向測(cè)井儀的井下溫度測(cè)量方案

地層溫度是油氣測(cè)井和地質(zhì)勘探課題中的一個(gè)主要參數(shù)，其測(cè)量監(jiān)控是測(cè)井儀器的集成功能中的必要部分。本文針對(duì)常見類型的電法數(shù)字測(cè)井儀，提出一種井下作業(yè)的溫度測(cè)量方案，并分別對(duì)該方案中功能模塊的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，著重介紹傳感器選型、溫度轉(zhuǎn)換電路及其接口和數(shù)據(jù)刻度校正方法等方面。最后通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)該方案實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行驗(yàn)證，以滿足測(cè)井儀的井下溫度測(cè)量需要。

地層溫度是油氣探測(cè)開發(fā)的重要參數(shù)，它可作為地層勘探、鉆井測(cè)井的一項(xiàng)實(shí)用參考指標(biāo)和地質(zhì)評(píng)價(jià)的一支信息依據(jù)。為了準(zhǔn)確分析與地層介質(zhì)相關(guān)的溫度信息因素，并且及時(shí)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境溫度確保測(cè)井儀器的正常工作狀態(tài)，需要井下作業(yè)的測(cè)井儀器能夠靈敏地捕捉和測(cè)量地層溫度，并將該信息傳輸至地面控制系統(tǒng)用以記錄分析?；诖吮疚奶岢鲆环N低成本、高靈敏度、高精度的面向數(shù)字測(cè)井儀的溫度測(cè)量方案，以實(shí)現(xiàn)上述需求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該井下溫度探測(cè)系統(tǒng)由傳感測(cè)溫電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)傳輸電路、地面上位機(jī)系統(tǒng)組成，其總體結(jié)構(gòu)框圖如下所示：

圖1 系統(tǒng)總體框圖

本文主要就傳感測(cè)溫電路、信號(hào)采集電路以及地面上位機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法加以討論，提出可實(shí)現(xiàn)的具體溫度測(cè)量方案，并且假設(shè)來自采集電路的信號(hào)可以正確地通過信號(hào)傳輸電路至地面上位機(jī)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感器的選取

地層溫度的主要來源是地球內(nèi)部熱能，一般情況下取決于地層的埋藏深度，地溫與深度之間有以下關(guān)系：

（1）

其中： 為地面活動(dòng)層下邊界的溫度，典型值為20 ； 為平均地溫梯度，單位為 ，典型值為 ； 為距活動(dòng)層下界處的距離，單位為 。因此，當(dāng)測(cè)井深度為5千米時(shí)該處地層溫度可達(dá)170 ，溫度傳感器需對(duì)此溫度范圍有效響應(yīng)。

考慮到其他如溫度系數(shù)、精度和穩(wěn)定性、探測(cè)位置的自由度、與其他電路接口的簡(jiǎn)易程度等因素，選擇鉑電阻熱傳感器Pt100作為溫度傳感器件。其熱響應(yīng)時(shí)間小，溫度范圍大，適合井下作業(yè)測(cè)溫。在 范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系可精確地表示為[1]：

（2）

其中 為鉑電阻傳感器在 的阻值， 為鉑電阻處于 的電阻值。對(duì)于Pt100， 。在 ，電阻值近似線性變化；大于 時(shí)二次項(xiàng) 將產(chǎn)生一定影響，是深井測(cè)溫時(shí)需考慮并作一定校正處理的因素。

2.2 溫度測(cè)量電路

溫度測(cè)量電路將溫度傳感器的參數(shù)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將此信號(hào)輸出至信號(hào)采集電路前端。該部分電阻式測(cè)溫電路設(shè)計(jì)如下：

圖2 電阻式溫度測(cè)量電路

運(yùn)用線性區(qū)運(yùn)算放大器的一般分析方法，可以得到以下節(jié)點(diǎn)的輸出電壓：

（3）

其中 為Pt100傳感器一定溫度下的電阻；當(dāng)選擇 與Pt100的 電阻

有關(guān)系 時(shí)，結(jié)合（2）得到

（4）

（4）中 表達(dá)式只有為 變量，這樣輸出電壓信號(hào) 與溫度 近似線性變化，

即完成了對(duì)溫度的測(cè)量。電容 進(jìn)行輸入低通濾波；電容 和電阻 構(gòu)成一階RC低通電路，濾除進(jìn)入采集電路的輸入信號(hào) 上的高頻噪聲。

2.3 信號(hào)采集電路及接口

信號(hào)采集電路需完成溫度信號(hào)和其他測(cè)井信號(hào)的從模擬量到數(shù)字序列轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果送至微控制器，該文原載于中國(guó)社會(huì)科學(xué)院文獻(xiàn)信息中心主辦的《環(huán)球市場(chǎng)信息導(dǎo)報(bào)》雜志http：//www.ems86.com總第543期2014年第11期-----轉(zhuǎn)載須注名來源以完成存儲(chǔ)、編碼、發(fā)送等其它任務(wù)。采集電路分別與各傳感測(cè)量電路模塊和微控制器接口，這樣方便不同測(cè)量模塊的功能組合，且轉(zhuǎn)換得到的結(jié)果具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，微控制器易于處理。該部分電路設(shè)計(jì)如下：

圖3 信號(hào)采集電路與接口

在此電路中，各傳感測(cè)量信號(hào)和溫度信號(hào)一起接入到多路選擇開關(guān)MUX的輸入端，微控制器MCU通過改變其地址線 對(duì)不同信號(hào)進(jìn)行選通（或控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的不同通道）。ADC與MCU通過SPI接口互連，用來傳輸AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)。MCU工作在主控接收模式，通過某端口引腳輸出連接ADC的讀寫模式引腳 來控制AD轉(zhuǎn)換的采樣與開啟，并以串行時(shí)鐘引腳SCK輸出向ADC提供數(shù)據(jù)時(shí)鐘。ADC工作在從動(dòng)發(fā)送模式，當(dāng)其完成1字節(jié)的模數(shù)轉(zhuǎn)換將使BUSY引腳上信號(hào)置位，從而該信號(hào)的上升沿跳變可以在ExtInt引腳觸發(fā)MCU的外部中斷。查詢或處理該中斷，隨后即可通過DATA引腳將轉(zhuǎn)換的結(jié)果序列輸出至MCU的串行數(shù)據(jù)輸入引腳SDI，完成對(duì)溫度信號(hào)及其他測(cè)量信號(hào)的采集。

該方案中溫度測(cè)量電路與微控制器無直接接口，因此該測(cè)溫模塊與測(cè)井儀的其它功能模塊相對(duì)獨(dú)立，且不占用微控制器的多余引腳等硬件資源，適合在井下作業(yè)的數(shù)字測(cè)井儀器平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)采集流程

可編程微控制器對(duì)包含溫度轉(zhuǎn)換信號(hào)的數(shù)據(jù)采集是在SPI協(xié)議下，從模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC讀取一定位寬的轉(zhuǎn)換結(jié)果。該采集過程的軟件流程如下：

圖4 微控制器的數(shù)據(jù)采集流程

3.2地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)刻度

為獲得準(zhǔn)確的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)，在硬件部分可通過在測(cè)量電路選擇合適的電阻、電容，使溫度測(cè)量輸出信號(hào) 的噪聲較小，且測(cè)溫范圍內(nèi) 的幅度更多地處于ADC的采集范圍，以提高轉(zhuǎn)換分辨率和抗干擾能力。

另一方面由于實(shí)際測(cè)井應(yīng)用需要對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，因此地面系統(tǒng)應(yīng)對(duì)各測(cè)量的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確刻度。溫度數(shù)據(jù)的刻度主要是將溫度傳感器置于可量化的標(biāo)準(zhǔn)熱源中，讀取地面系統(tǒng)的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)度，并將其與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系作為地面軟件處理和計(jì)算的依據(jù)。

在實(shí)際標(biāo)度過程中，若局部溫度數(shù)據(jù)由于Pt100鉑電阻傳感器阻值變化而產(chǎn)生較明顯的非線性，可采用基于最小二乘法的高次多項(xiàng)式擬合或分段線性標(biāo)定等方法，以克服傳感器本身性質(zhì)或其他偶然因素帶來的非線性誤差，地面系統(tǒng)上位機(jī)軟件也可做出針對(duì)性的數(shù)據(jù)修改和校正。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

圖5所示是溫度傳感器在標(biāo)準(zhǔn)烤箱下測(cè)得的一組AD數(shù)據(jù)結(jié)果與擬采用的標(biāo)定曲線：

圖5 實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)與標(biāo)定曲線

由以上數(shù)據(jù)可得測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，在很大范圍內(nèi)線性度良好，測(cè)量精度高；超過 時(shí)Pt100傳感器出現(xiàn)一定的非線性誤差，采用最小二乘法的二次擬合更適用大范圍的溫度標(biāo)定。

溫度數(shù)據(jù)標(biāo)定后將各系數(shù)應(yīng)用在上位機(jī)軟件，將計(jì)算得到的溫度與標(biāo)準(zhǔn)烤箱溫度對(duì)比，二者誤差在 。測(cè)量結(jié)果精度較高且對(duì)溫度變化靈敏，能夠?qū)⒌貙訙囟葘?shí)時(shí)地反映給地面系統(tǒng)，各性能指標(biāo)可靠滿足設(shè)計(jì)需求，說明該設(shè)計(jì)下的溫度測(cè)量模塊適用于數(shù)字測(cè)井儀較大范圍的井下測(cè)溫。

（作者單位：西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室）