油井井下高溫度和壓力測試系統(tǒng)研究與應(yīng)用

摘要：為了對井下溫度壓力參數(shù)測試系統(tǒng)進(jìn)行研制，采用鉑電阻和藍(lán)寶石硅晶體作為前端傳感器，系統(tǒng)采用井下直接測量，避免通過中間介質(zhì)進(jìn)行傳導(dǎo)，可實現(xiàn)較小誤差。恒流源驅(qū)動方式使采集前端信號工作穩(wěn)定，采用時間同步的方式將采集信號與深度關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)分析時能夠繪出溫度壓強(qiáng)隨油井深度變化的曲線，實現(xiàn)精確測量，掌握地層分布規(guī)律。
關(guān)鍵詞：PT100；高溫度；壓力測量；恒流源

0 引言
    在開采石油的過程中，井下的溫度和壓強(qiáng)是必不可少的測量參數(shù)，準(zhǔn)確的井下溫度和壓強(qiáng)測量對于油井監(jiān)測等都具有重要的作用。油田投入開發(fā)后，隨著開采時間的增長，油層壓力不斷下降，地下原油大量脫氣，粘度增加，油井產(chǎn)量大大減少，甚至?xí)娡．a(chǎn)。為了彌補(bǔ)原油采出后所造成的地下虧空，保持或提高油層壓力，實現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，利用注水井把水(或者氣)注入油層，以補(bǔ)充和保持油層壓力。然而采取這些操作時一定要在對井下條件有全面了解之后才能進(jìn)行。在傳統(tǒng)的測量井溫過程中，使用了紅外測溫儀、紅外熱成像儀、溫度傳感器陣列等，但由于井下環(huán)境對測試儀器產(chǎn)生很大的影響，容易造成測試誤差，且對于溫度場的測量有很多不足。油井高溫高壓測量變送儀中溫度傳感器采用熱電偶，熱電偶具有耐高溫，精確度高的優(yōu)點。壓強(qiáng)傳感器采用藍(lán)寶石壓力傳感器，以耐溫耐壓外殼封裝，保證在惡劣環(huán)境中能正常工作，在一次下井的過程中就完成對不同深度溫度和壓強(qiáng)的測量、存儲和處理，而且本儀器在保證測量精度的條件下采用了盡量簡單
的方法，儀器直接進(jìn)入油層中進(jìn)行測量，省去了中間的傳輸介質(zhì)，以免造成不必要的失真。井上控制部分和手持終端則實現(xiàn)了信息的對接、處理及存儲，能夠精確地對溫度及壓強(qiáng)進(jìn)行測量。

1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成
1．1 系統(tǒng)組成
    系統(tǒng)由微控制器、溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、時鐘、存儲器、電源以及耐壓耐高溫外殼等部分組成。油井溫度在150℃范圍內(nèi)，選用熱電阻PT1000作為溫度傳感器，它具有耐高溫，靈敏度高，壽命長，經(jīng)濟(jì)的特點。采用恒流源驅(qū)動測量方式，具有穩(wěn)定性好，靈敏度高，精度高等優(yōu)點。壓強(qiáng)傳感器采用藍(lán)寶石壓力傳感器，壓強(qiáng)為30 MPa以下，溫度信號與壓力信號經(jīng)過放大電路放大，由微處理器片內(nèi)兩路10位A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行存儲處理，MCU微處理器選用PIC16F876單片機(jī)，將所需數(shù)據(jù)以及當(dāng)前時刻相關(guān)聯(lián)，輸出到存儲器保存，具有體積小，功耗低和內(nèi)高溫，工作穩(wěn)定等特點，系統(tǒng)總框圖如圖1所示。

1．2 恒流源驅(qū)動
    由于溫度對集成運放參數(shù)影響不如對晶體管或場效應(yīng)管參數(shù)影響顯著，由集成運放構(gòu)成的恒流源具有穩(wěn)定性更好，恒流性能更高的優(yōu)點，尤其在負(fù)載一端需要接地的情況下。采用雙運放恒流源驅(qū)動PT1000，如圖2所示。其中，放大器U1構(gòu)成加法器；U2構(gòu)成跟隨器，U1，U2均選用低噪聲、低失調(diào)、高開環(huán)增益雙極性運算放大器OP07。設(shè)圖2中參考電阻R5上下兩端的電位分別為Va和Vb，Va即為同相加法器U1的輸出，當(dāng)取電阻R1=R2，R3=R4時，則Va=VREF+Vb，故恒流源的輸出電流為：
    I=(Va-Vb)／R5=VREF／R5        (1)
    該雙運放恒流源具有負(fù)載可接地，當(dāng)運放為雙電源供電時，輸出電流為雙極性，恒定電流大小通過改變輸入?yún)⒖蓟鶞?zhǔn)VREF或調(diào)整參考電阻R5的大小來實現(xiàn)，很容易得到穩(wěn)定的小電流和補(bǔ)償校準(zhǔn)。由于電阻的失配，參考電阻R5的兩端電壓將會受到其驅(qū)動負(fù)載端電壓的影響，從而會影響恒流源的穩(wěn)定性。顯然這對高精度的恒流源是不能接受的。所以R1～R4這4個電阻的選取原則是失配要盡量的小，且每對電阻的失配大小方向要一致。采用精密電阻進(jìn)行篩選，選出其中阻值接近的4個電阻。
1．3 信號采集
    本系統(tǒng)所需恒流源要具有輸出電流恒定，溫度穩(wěn)定性好，輸出電阻很大，輸出電流小于0．5 mA，負(fù)載一端接地，輸出電流極性可改變。選用儀表芯片AD620進(jìn)行信號放大。采用OP07進(jìn)行進(jìn)一步放大。并送入片內(nèi)10位A／D轉(zhuǎn)換器。溫度放大電路如圖3所示。壓力信號采集采用藍(lán)寶石硅晶體，電路如圖4所示，選用AD623進(jìn)行進(jìn)放大，信號經(jīng)過放大進(jìn)入PIC單片機(jī)內(nèi)部10位A／D轉(zhuǎn)換器。

2 系統(tǒng)軟件處理
2．1 軟件補(bǔ)償
    擴(kuò)散硅壓力傳感器以其獨特的優(yōu)點而獲得了廣泛的應(yīng)用，但因其熱靈敏度漂移的存在而降低了精度，影響了它在溫度變化較大情況下的使用。對擴(kuò)散硅壓力傳感器熱靈敏度漂移的補(bǔ)償方法主要有軟件補(bǔ)償。由于該系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)采用PID控制算法。由于該系統(tǒng)降溫部分采取PWM作為控制量，升溫部分把電壓有效值作為控制量，故采取數(shù)字PID增量型控制算法。數(shù)字PID增量型控制算式為：
   
2．2 程序框圖
    系統(tǒng)下位機(jī)流程圖如圖5所示。

3 結(jié)語
    本系統(tǒng)設(shè)計包括了前端弱信號檢測和放大調(diào)理、濾波、溫度和壓力補(bǔ)償、單片機(jī)數(shù)據(jù)采集處理和存儲等功能，同時開發(fā)相應(yīng)上位機(jī)處理軟件和終端系統(tǒng)，在測井模擬實驗室進(jìn)行測量實驗。結(jié)果表明，系統(tǒng)長期運行穩(wěn)定，溫度和壓力精度較高，完全適合現(xiàn)場油井測試的應(yīng)用。