全電動智能井的井下參數檢測方法

周星辰　于琪　姜麗萍

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

【關鍵詞】智能井；井下參數檢測；電路設計

0 前言

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

1 總體方案設計

全電動智能井井下參數檢測系統由壓力傳感器、溫度傳感器、電機參數檢測模塊、各信號處理電路、井下CPUA/D轉換等部分組成，其系統結構設計如圖1。

2 井下參數檢測方法

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，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）技術制造，利用壓阻效應將待測壓力信號轉換成電壓信號。

根據MPS30H壓力傳感器的技術資料，該傳感器的內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用來調整信號的放大倍數。放大倍數由未經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

全電動智能井系統井下節點由直流減速電機驅動閥門開關，對電機電壓和電機電流進行監測，有助于我們了解電機的工作狀態。

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

測量的電流對象是流過電機驅動器的電流大小，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系統的直流電流。電流轉換比值為1V/A，系統滿量程測量3A時輸出電壓為3V，剛好在AD轉換的可直接轉換的范圍內。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動模塊的電源電壓即24V，系統中所用的井下CPU自帶的AD轉換器可轉換的電壓范圍為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，分壓系數為（R34+R35）/R35=7.8，故采樣值經過AD轉換得到的電壓值乘以7.8即得到電機的電壓值。

3 參數測量軟件設計

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

4 結語

本文對全電動智能井井下參數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境，還需要進一步的改進、優化和嚴格測試，例如電路的小型化，選用高溫元件以使得電路能在高溫環境下正常工作。

【參考文獻】

[1]姚軍，劉均榮，張凱.國外智能井技術[M].北京：石油工業出版社，2011：292.

[2]宋家友.集成電子線路設計手冊[M].福建：福建科學技術出版社，2002：503.

[3]何希才，任力穎，楊靜.實用傳感器接口電路實例[M].北京：中國電力出版社，2007：230.

[4]劉和平，鄭群英，江渝，鄧力，劉淑春.dsPIC通用數字信號控制器原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：477.

[5]王瑛.分層測壓技術在油田開發中的應用[D].大慶油田第七采油廠，2014.

[6]薛淑紅，張靜，明紅.石油工業測溫儀表的選型與使用討論[D].中國石化股份有限公司中原油田分公司技術檢測中心，2013.

[責任編輯：楊玉潔]