周星辰　于琪　姜麗萍

【摘 要】智能井技術(shù)是為了適應現(xiàn)代油藏經(jīng)營管理和信息應用于油氣藏開發(fā)而發(fā)展起來的新技術(shù)，通過生產(chǎn)動態(tài)的實時監(jiān)測和實時控制，達到提高油藏采收率和提高油藏經(jīng)營管理水平的目的。本文討論了全電動智能井的壓力、溫度等井下參數(shù)的檢測方法，給出了溫度、壓力、電機電流等井下參數(shù)的測量與信號處理電路，結(jié)合所設計的軟件，構(gòu)成了一個井下智能節(jié)點系統(tǒng)，地面實驗驗證了設計的可行性。

【關鍵詞】智能井；井下參數(shù)檢測；電路設計

0 前言

井下智能節(jié)點除了包括要實現(xiàn)井下節(jié)點間以及節(jié)點與地面通信外，還包括井下溫度的測量，井下壓力的測量以及電機參數(shù)的測量。智能節(jié)點的作用就是要實現(xiàn)這些物理量的測量并將測量值傳送到地面。地面將數(shù)據(jù)處理后再送出控制信號給井下智能節(jié)點來實現(xiàn)對井下流體的控制。

1 總體方案設計

全電動智能井井下參數(shù)檢測系統(tǒng)由壓力傳感器、溫度傳感器、電機參數(shù)檢測模塊、各信號處理電路、井下CPUA/D轉(zhuǎn)換等部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計如圖1。

2 井下參數(shù)檢測方法

2.1 溫度檢測方法與信號處理

熱電阻的阻值會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系。Pt1000鉑熱電阻是比較常用的一種溫度傳感器，其測溫范圍-70～450（℃），其在0℃時阻值為1000歐姆，在300℃時它的阻值為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溫度呈線性關系。因此，測溫電路設計的核心是為熱電阻提供恒流源。另外，為了使電壓信號與AD轉(zhuǎn)換器件的輸入范圍匹配，輸出電壓須用運放將其放大到0到5V之間，電路設計如圖2所示。

2.2 壓力檢測方法

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系列壓力傳感器來測量壓力。該傳感器采用MEMS（微機電系統(tǒng)）技術(shù)制造，利用壓阻效應將待測壓力信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。

根據(jù)MPS30H壓力傳感器的技術(shù)資料，該傳感器的內(nèi)部實際上是一個電橋，傳感器引出的四根引線分別是傳感器的供電（+、-）和信號（V+、V-），對于這種典型的電橋電路，可采用集成運放來作信號處理，電路設計如圖3所示。

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

電路中，電阻R21、R22、R24用來調(diào)整信號的放大倍數(shù)。放大倍數(shù)由未經(jīng)放大的原始信號和目標信號的大小來確定。

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，用萬用表測得輸出信號的值為43mV。所選井下CPU自帶的AD轉(zhuǎn)換器最大可測5V的電壓，實際設計正常的測量值在其測量范圍的80%即4V左右。

為了便于計算，直接放大100倍，即50MPa對應輸出4.3V。這里只是粗略的對應關系，具體以標準壓力表校準為準。放大100倍不妨取R21=200kΩ，R22=R24=2kΩ，R25為匹配電阻，其值應該接近R21//R22的值，R25直接取2kΩ。

2.3 電機電流檢測

全電動智能井系統(tǒng)井下節(jié)點由直流減速電機驅(qū)動閥門開關，對電機電壓和電機電流進行監(jiān)測，有助于我們了解電機的工作狀態(tài)。

井下電機是整個智能井系統(tǒng)核心部件滑套閥的驅(qū)動源，為了實時獲取驅(qū)動電機的工作狀態(tài)，必須對電機相關參數(shù)進行監(jiān)測。電機監(jiān)測的參數(shù)的主要包括電壓和電流。

測量的電流對象是流過電機驅(qū)動器的電流大小，而所選直流減速電機正常工作時的電流為0.6A，電機電流受負載波動（下轉(zhuǎn)第49頁）（上接第52頁）等因素的影響，設計測量模塊的量程應留一定余量。這里選用MAX471電流測量芯片，此芯片測量電流量程為3A，可測量3～36V系統(tǒng)的直流電流。電流轉(zhuǎn)換比值為1V/A，系統(tǒng)滿量程測量3A時輸出電壓為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-作為兩個端點串入測量回路中即可得到電流值對應的電壓輸出信號。測量電路如圖4（a）所示。

2.4 電機電壓檢測

測量的電壓對象是電機驅(qū)動模塊的電源電壓即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的待測電壓必須進行處理。這里采用兩個電阻分壓取樣，為了防止取樣電路后級的AD轉(zhuǎn)換電路對取樣值的影響，采用電壓跟隨器進行隔離，電壓跟隨器所用的運放還是選用壓力測量系統(tǒng)中所用的運放LM124。具體測量電路如圖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即得到電機的電壓值。

3 參數(shù)測量軟件設計

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

4 結(jié)語

本文對全電動智能井井下參數(shù)測量給出了一套解決方案，并利用實驗室設備進行了驗證實驗，實驗表明所設計的電路可行。針對井下的高溫高壓工作環(huán)境，還需要進一步的改進、優(yōu)化和嚴格測試，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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[責任編輯：楊玉潔]