全電動(dòng)智能井的井下參數(shù)檢測(cè)方法

周星辰　于琪　姜麗萍

【摘 要】智能井技術(shù)是為了適應(yīng)現(xiàn)代油藏經(jīng)營(yíng)管理和信息應(yīng)用于油氣藏開發(fā)而發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，通過生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制，達(dá)到提高油藏采收率和提高油藏經(jīng)營(yíng)管理水平的目的。本文討論了全電動(dòng)智能井的壓力、溫度等井下參數(shù)的檢測(cè)方法，給出了溫度、壓力、電機(jī)電流等井下參數(shù)的測(cè)量與信號(hào)處理電路，結(jié)合所設(shè)計(jì)的軟件，構(gòu)成了一個(gè)井下智能節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

【關(guān)鍵詞】智能井；井下參數(shù)檢測(cè)；電路設(shè)計(jì)

0 前言

井下智能節(jié)點(diǎn)除了包括要實(shí)現(xiàn)井下節(jié)點(diǎn)間以及節(jié)點(diǎn)與地面通信外，還包括井下溫度的測(cè)量，井下壓力的測(cè)量以及電機(jī)參數(shù)的測(cè)量。智能節(jié)點(diǎn)的作用就是要實(shí)現(xiàn)這些物理量的測(cè)量并將測(cè)量值傳送到地面。地面將數(shù)據(jù)處理后再送出控制信號(hào)給井下智能節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下流體的控制。

1 總體方案設(shè)計(jì)

全電動(dòng)智能井井下參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)由壓力傳感器、溫度傳感器、電機(jī)參數(shù)檢測(cè)模塊、各信號(hào)處理電路、井下CPUA/D轉(zhuǎn)換等部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1。

2 井下參數(shù)檢測(cè)方法

2.1 溫度檢測(cè)方法與信號(hào)處理

熱電阻的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度與阻值呈線性化關(guān)系。Pt1000鉑熱電阻是比較常用的一種溫度傳感器，其測(cè)溫范圍-70～450（℃），其在0℃時(shí)阻值為1000歐姆，在300℃時(shí)它的阻值為2120.515歐姆。井下溫度一般為100℃～200℃之間，故選用Pt1000鉑熱電阻作為井下溫度檢測(cè)傳感器是合適的。

依據(jù)熱電阻的特性，如果通過此熱電阻的電流恒定，那么，電阻兩端的電壓將和被測(cè)溫度呈線性關(guān)系。因此，測(cè)溫電路設(shè)計(jì)的核心是為熱電阻提供恒流源。另外，為了使電壓信號(hào)與AD轉(zhuǎn)換器件的輸入范圍匹配，輸出電壓須用運(yùn)放將其放大到0到5V之間，電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 壓力檢測(cè)方法

考慮到井下空間有限，需盡量選擇體積小的傳感器，故選用MPS30H系列壓力傳感器來(lái)測(cè)量壓力。該傳感器采用MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)制造，利用壓阻效應(yīng)將待測(cè)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

根據(jù)MPS30H壓力傳感器的技術(shù)資料，該傳感器的內(nèi)部實(shí)際上是一個(gè)電橋，傳感器引出的四根引線分別是傳感器的供電（+、-）和信號(hào)（V+、V-），對(duì)于這種典型的電橋電路，可采用集成運(yùn)放來(lái)作信號(hào)處理，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

電路圖中P_OUT為通過集成運(yùn)放處理后的輸出信號(hào)，左邊為壓力傳感器等效電路。

電路中，電阻R21、R22、R24用來(lái)調(diào)整信號(hào)的放大倍數(shù)。放大倍數(shù)由未經(jīng)放大的原始信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)的大小來(lái)確定。

將所選的壓力傳感器接在壓力器上打壓至量程值50MPa，壓力傳感器的電源端加5V電源，用萬(wàn)用表測(cè)得輸出信號(hào)的值為43mV。所選井下CPU自帶的AD轉(zhuǎn)換器最大可測(cè)5V的電壓，實(shí)際設(shè)計(jì)正常的測(cè)量值在其測(cè)量范圍的80%即4V左右。

為了便于計(jì)算，直接放大100倍，即50MPa對(duì)應(yīng)輸出4.3V。這里只是粗略的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體以標(biāo)準(zhǔn)壓力表校準(zhǔn)為準(zhǔn)。放大100倍不妨取R21=200kΩ，R22=R24=2kΩ，R25為匹配電阻，其值應(yīng)該接近R21//R22的值，R25直接取2kΩ。

2.3 電機(jī)電流檢測(cè)

全電動(dòng)智能井系統(tǒng)井下節(jié)點(diǎn)由直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥門開關(guān)，對(duì)電機(jī)電壓和電機(jī)電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有助于我們了解電機(jī)的工作狀態(tài)。

井下電機(jī)是整個(gè)智能井系統(tǒng)核心部件滑套閥的驅(qū)動(dòng)源，為了實(shí)時(shí)獲取驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作狀態(tài)，必須對(duì)電機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。電機(jī)監(jiān)測(cè)的參數(shù)的主要包括電壓和電流。

測(cè)量的電流對(duì)象是流過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電流大小，而所選直流減速電機(jī)正常工作時(shí)的電流為0.6A，電機(jī)電流受負(fù)載波動(dòng)（下轉(zhuǎn)第49頁(yè)）（上接第52頁(yè)）等因素的影響，設(shè)計(jì)測(cè)量模塊的量程應(yīng)留一定余量。這里選用MAX471電流測(cè)量芯片，此芯片測(cè)量電流量程為3A，可測(cè)量3～36V系統(tǒng)的直流電流。電流轉(zhuǎn)換比值為1V/A，系統(tǒng)滿量程測(cè)量3A時(shí)輸出電壓為3V，剛好在AD轉(zhuǎn)換的可直接轉(zhuǎn)換的范圍內(nèi)。該芯片使用非常簡(jiǎn)單，除了提供電源外不需任何額外的元件，將RS+和RS-作為兩個(gè)端點(diǎn)串入測(cè)量回路中即可得到電流值對(duì)應(yīng)的電壓輸出信號(hào)。測(cè)量電路如圖4（a）所示。

2.4 電機(jī)電壓檢測(cè)

測(cè)量的電壓對(duì)象是電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電源電壓即24V，系統(tǒng)中所用的井下CPU自帶的AD轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換的電壓范圍為0～5V，所以24V的待測(cè)電壓必須進(jìn)行處理。這里采用兩個(gè)電阻分壓取樣，為了防止取樣電路后級(jí)的AD轉(zhuǎn)換電路對(duì)取樣值的影響，采用電壓跟隨器進(jìn)行隔離，電壓跟隨器所用的運(yùn)放還是選用壓力測(cè)量系統(tǒng)中所用的運(yùn)放LM124。具體測(cè)量電路如圖4（b）所示。其中，R34和R35分別取6.8kΩ和1.0kΩ，按分壓原理，分壓系數(shù)為（R34+R35）/R35=7.8，故采樣值經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換得到的電壓值乘以7.8即得到電機(jī)的電壓值。

3 參數(shù)測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)模塊的劃分原則，程序設(shè)計(jì)可劃分為初始化模塊， A/D 轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序等，這三個(gè)程序模塊構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)軟件的主程序。主程序框圖如圖5。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)全電動(dòng)智能井井下參數(shù)測(cè)量給出了一套解決方案，并利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的電路可行。針對(duì)井下的高溫高壓工作環(huán)境，還需要進(jìn)一步的改進(jìn)、優(yōu)化和嚴(yán)格測(cè)試，例如電路的小型化，選用高溫元件以使得電路能在高溫環(huán)境下正常工作。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]