毛细管测压装置.pdf

一种毛细管测压装置，对整机进行控制的单片机系统；将输入的压力电流信号转换成电压信号的电流转电压电路；A/D转换电路，该电路的输入端接电流转电压电路并与单片机系统相连接；信号处理系统，该电路与单片机系统相连接；显示电路，该电路的输入端接单片机系统；它还包括串口通信电路，该电路与单片机系统相连接。本发明采用了单片机系统完成压力和温度的数据采集，信号处理系统实现复杂的迭代算法，提高了系统的精度和执行效率，通信接口既有信号处理系统与外接计算机之间的串口通信，还有单片机与和显示电路的数据传输。本发明具有体积小、携带方便、测压精度高、所测数据准确迅速、实时监测和显示等优点，可用于监测油气井内的压力。

1、  一种毛细管测压装置，其特征在于它包括：
对整机进行控制的单片机系统；
将输入的压力电流信号转换成电压信号的电流转电压电路；
A/D转换电路，该电路的输入端接电流转电压电路并与单片机系统相连接；
信号处理系统，该电路与单片机系统相连接；
显示电路，该电路的输入端接单片机系统；
它还包括串口通信电路，该电路与单片机系统相连接。

2、  按照权利要求1所述的毛细管测压装置，其特征在于所说的单片机系统为：集成电路(U1A)的16脚通过电阻(R5A)接集成电路(U5A)的1脚、11脚通过电阻(R6A)接集成电路(U5A)的2脚、10脚通过电阻(R7A)接集成电路(U5A)的3脚、15脚通过电阻R8A接集成电路(U5A)的5脚、2脚和3脚接由晶体振荡器(Y1A)和电容(C15A)以及电容(C16A)连接构成的振荡电路、13脚接电容(C7A)的一端并接地、14脚接电容(C7A)的另一端及电源、1脚和4脚接电容(C8A)的一端和地、38脚和39脚接电容(C8A)的另一端以及电源，集成电路(U1A)的17脚和18脚以及21脚接显示电路、29脚～36脚通过总线接信号处理系统、22脚～24脚、5脚接信号处理系统。上述的集成电路(U1A)的型号为MSP430F2272、集成电路(U6A)的型号为MAX3232、集成电路(U7A)的型号为YD711。

3、  按照权利要求1所述的毛细管测压装置，其特征在于所说的信号处理系统为：集成电路(U4B)的D8端～D15端通过总线接集成电路(U1A)的D8端～D15端、D0端～D7端通过总线接集成电路(U2B)和集成电路(U3B)的D0端～D7端、D16端～D31端通过总线接集成电路(U1B)的D16端～D31端、A0端～A21端通过总线接(U1B)的A0端～A21端、A0端～A16端通过总线接集成电路(U2B)和集成电路(U3B)的A0端～A16端、地端接地、电源端接电源、读写端接集成电路(U3B)的29脚和集成电路(U6B)的输入端、36脚接集成电路(U2B)的22脚、130脚接晶体振荡器(Y1B)的3脚、98脚接集成电路(U5B)的9脚和11脚、99脚接集成电路(U5B)的7脚、100脚接集成电路(U5B)的3脚、102脚接集成电路(U5B)的1脚、103脚接集成电路(U5B)的2脚、95脚接集成电路(U5B)的14脚、96脚接集成电路(U5B)的13脚、124脚通过电阻(R5B)接电源、138脚和139脚接电容(C3B)的一端以及电源、集成电路(U4B)的133脚、134脚、45脚及122脚接地、131脚接电容(C15B)的一端和电容(C16B)以及电容(C17B)的一端并通过电阻(R4B)接电源、127脚接电容(C18B)的一端并通过电阻(R6B)接电源、35脚接集成电路(U3B)的22脚、33脚接集成电路(U1B)的26脚、32脚接集成电路(U1A)的22脚、135脚和136脚接电源，电容(C4B)是电源的滤波电容，电容(C3B)的另一端和电容(C15B)～电容(C18B)的另一端接地，电容(C2B)和电容(C4B)以及电容(C5B)是电源的滤波电容；集成电路(U1B)的46脚和27脚接地、37脚和13脚以及47脚接电源；集成电路(U2B)的16脚和24脚接地、31脚和32脚接电源，电容(C1B)是电源的滤波电容。集成电路(U3B)的32脚接电源、30脚通过电阻(R1B)接电源、16脚接地、24脚接集成电路(U6B)的输出端；集成电路(U6B)的输出端通过电阻(R2B)接电源；晶体振荡器(Y1B)的4脚接电源、2脚接地。集成电路(U4B)的120脚和116脚以及110脚接串口通信电路；上述电路的集成电路(U1B)的型号为AT49BV642D、集成电路(U2B)的型号为SST39VF010、集成电路(U3B)的型号为DS1556W、集成电路(U4B)的型号为TMS320VC33、集成电路(U5B)的型号为JTAG_TMS320、集成电路(U6B)的型号为74F06、集成电路(U7B)的型号为MAX3232。

毛细管测压装置
技术领域
本发明属于测压技术领域，具体涉及到毛细管测压装置。
背景技术
毛细管测压技术是以氮气或惰性气体为压力传递介质，将井下压力传递到地面，在地面完成压力的测试，根据相应的数学算法，用所测压力推算出井下测压深度处的压力。
毛细管测压系统的测压原理采用帕斯卡定理，即密封容器中的任一点的压力相等。井下压力监测所用的毛细管测压装置由井下结构和地面系统组成。井下结构包括：井口穿越器、过电缆封隔器穿越器、毛细钢管、传压筒和毛细管保护器。地面部分由氮气(或惰性气体)源、氮气(或惰性气体)增压泵、空气压缩机、安全吹扫系统、压力变送器、计算机、数据采集控制系统组成。数据采集控制系统又可以分为：压力采集、温度采集、控制电路、显示电路四个部分。井下测压点处的压力作用在传压筒内的气柱上时，由气体传递压力至井口，井口处的毛细管端口连接压力变送器，把毛细管内的压力转换成电信号，该信号被送到数据采集控制系统，在此系统中，显示压力数据并对实测压力数据处理，之后一方面存储，一方面被传送到计算机，回放后做进一步的处理。
毛细管测压装置可以安装在自喷井中，也可以安装在各种机采井中，可完成各种稳定试井和不稳定试井工作，适用于直井、斜井、水平井和稠油热采井的单层测试和分层测试，实现采油不停产的情况下测试的要求。但是，国内外对毛细管测压的研究主要集中两个方面：(1)井底压力的计算方法研究，如计算井底压力的常用的方法多达13种，见于SPE1676由加拿大人KHALID AZIZ写的论文《Calculationof Bottom-Hole Pressure in Gas Wells》；(2)毛细管压力曲线对油田开采及油气藏评价作用方面的研究。而对于地面数据采集控制系统的实现研究较少。
到目前为止，塔里木油田指挥部和胜利油田，从1994年起就引进的该类设备，主要是美国PRUETT公司的Pruett 7000系列毛细管测压装置，以及大港油田于2002年引进的PS-60型毛细管井下压力检测系统。从文献中看到的只是原理介绍，性能参数和安装方式，都没有给出地面的压力采集和处理电路。国内专利中只有一篇与毛细管测压有关，专利申请号00235040.8，该专利主要介绍了一种用于油田的毛细管测压的连续注气装置，涉及到毛细管中氮气补充的问题，可实现在毛细管在下放过程中连续补充氮气，但毛细管测压没在本专利中涉及，更没有涉及到压力数据采集和控制系统。
《石油钻采工艺》1998年(第20卷)第1期中“毛细管测压系统简介”，只是简要地介绍了美国PRUETT公司的Pruett 7000系列的毛细管测压系统的原理、组成及安装方法。但是没有给出地面数据采集和处理的电路。
《油气井测试》2005年(第14卷)第1期中“毛细管测压技术在大港油田的应用”，介绍了PS-60型的毛细管井下压力检测系统的组成、原理及安装方法，给出了系统的技术指标，并介绍了该系统在大港油田的应用情况，但同样没给出地面的压力采集原理及实现电路。
《石油仪器》2008年第2期中“毛细管油井测压的理论研究”，主要介绍了毛细管测压系统的原理及井口压力向井底压力的推算，本论文就没提到地面的数据采集。
美国专利US2006/0116828A1中公开了测量岩石样品中毛细管压力，并且通过毛细管压力曲线分析地层的孔隙度和渗透率，该专利与测井底的压力无关。
石油工程师协会论文SPE1676，主要介绍了由井口压力计算井底压力的数学方法。文中给出了一种作者认为容易计算、精度高的递推算法和实现流程图；文中涉及了13种的数据处理方法。但没有涉及井口压力的采集和处理实现原理。
石油工程师协会论文SPE111465，介绍了毛细管技术在巴西的Campos盆地进行井下测压和应用，文章中采用了毛细管测压装置监测井下的压力，详细介绍了毛细管测压装置的结构组成、毛细管和压力变送器的选择、数据的分析单元以及安装要求，最后还把用该装置测的井下参数与其他方法获取的数据进行了比较，结论是该装置精度高、操作简单、省时、节约成本。但是同样它没能给出数据获取和分析单元的实现原理。
由上所述，对于毛细管井下压力检测系统，从文献中看到的只是原理介绍，没有给出地面的压力采集和处理电路。在石油和天然气开采技术领域，当前需要迫切解决的一个技术问题是提供一种监测井下压力的装置，该装置通过油井中毛细管内的气体传送井底的压力，在地面实时采集和显示测压处的压力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、体积小、携带方便、测压精度高、所测数据准确迅速、实时监测和显示的毛细管测压装置。
解决上述技术问题所采用的技术方案是它包括：对整机进行控制的单片机系统；将输入的压力电流信号转换成电压信号的电流转电压电路；A/D转换电路，该电路的输入端接电流转电压电路并与单片机系统相连接；信号处理系统，该电路与单片机系统相连接；显示电路，该电路的输入端接单片机系统；它还包括串口通信电路，该电路与单片机系统相连接。
本发明的单片机系统为：集成电路U1A的16脚通过电阻R5A接集成电路U5A的1脚、11脚通过电阻R6A接集成电路U5A的2脚、10脚通过电阻R7A接集成电路U5A的3脚、15脚通过电阻R8A接集成电路U5A的5脚、2脚和3脚接由晶体振荡器Y1A和电容C15A以及电容C16A连接构成的振荡电路、13脚接电容C7A的一端并接地、14脚接电容C7A的另一端及电源、1脚和4脚接电容C8A的一端和地、38脚和39脚接电容C8A的另一端以及电源，集成电路U1A的17脚和18脚以及21脚接显示电路、29脚～36脚通过总线接信号处理系统、22脚～24脚、5脚接信号处理系统。上述的集成电路U1A的型号为MSP430F2272、集成电路U6A的型号为MAX3232、集成电路U7A的型号为YD711。
本发明的信号处理系统为：集成电路U4B的D8端～D15端通过总线接集成电路U1A的D8端～D15端、D0端～D7端通过总线接集成电路U2B和集成电路U3B的D0端～D7端、D16端～D31端通过总线接集成电路U1B的D16端～D31端、A0端～A21端通过总线接U1B的A0端～A21端、A0端～A16端通过总线接集成电路U2B和集成电路U3B的A0端～A16端、地端接地、电源端接电源、读写端接集成电路U3B的29脚和集成电路U6B的输入端、36脚接集成电路U2B的22脚、130脚接晶体振荡器Y1B的3脚、98脚接集成电路U5B的9脚和11脚、99脚接集成电路U5B的7脚、100脚接集成电路U5B的3脚、102脚接集成电路U5B的1脚、103脚接集成电路U5B的2脚、95脚接集成电路U5B的14脚、96脚接集成电路U5B的13脚、124脚通过电阻R5B接电源、138脚和139脚接电容C3B的一端以及电源、集成电路U4B的133脚、134脚、45脚及122脚接地、131脚接电容C15B的一端和电容C16B以及电容C17B的一端并通过电阻R4B接电源、127脚接电容C18B的一端并通过电阻R6B接电源、35脚接集成电路U3B的22脚、33脚接集成电路U1B的26脚、32脚接集成电路U1A的22脚、135脚和136脚接电源，电容C4B是电源的滤波电容，电容C3B的另一端和电容C15B～电容C18B的另一端接地，电容C2B和电容C4B以及电容C5B是电源的滤波电容。集成电路U1B的46脚和27脚接地、37脚和13脚以及47脚接电源。集成电路U2B的16脚和24脚接地、31脚和32脚接电源，电容C1B是电源的滤波电容。集成电路U3B的32脚接电源、30脚通过电阻R1B接电源、16脚接地、24脚接集成电路U6B的输出端。集成电路U6B的输出端通过电阻R2B接电源。晶体振荡器Y1B的4脚接电源、2脚接地。集成电路U4B的120脚和116脚以及110脚接串口通信电路。上述电路的集成电路U1B的型号为AT49BV642D、集成电路U2B的型号为SST39VF010、集成电路U3B的型号为DS1556W、集成电路U4B的型号为TMS320VC33、集成电路U5B的型号为JTAG_TMS320、集成电路U6B的型号为74F06、集成电路U7B的型号为MAX3232。
本发明采用了单片机系统和信号处理系统，单片机系统完成压力和温度的数据采集，信号处理系统实现复杂的迭代算法，提高了系统的精度和执行效率，通信接口既有信号处理系统与外接计算机之间的串口通信，还有单片机与和显示电路的数据传输，方便数据的实时监测和显示，迅速获得实时结果。本发明具有体积小、携带方便、测压精度高、所测数据准确迅速、实时监测和显示等优点，可用于监测油气井内的压力。
附图说明
图1是本发明的电气原理方框图。
图2是本发明一个实施例的数据采集电子线路原理图。
图3是本发明一个实施例的数据处理电子线路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
图1是本发明的电气原理方框图，参见图1。本发明是由电流转电压电路、A/D转换电路、单片机系统、显示电路、信号处理系统、串口通信电路连接构成。电流转电压电路输出端接A/D转换电路，A/D转换电路与单片机系统相连接，单片机系统的输出端接显示电路，单片机系统与信号处理系统相连接，信号处理系统与串口通信电路相连接。
电流转电压电路将电流转换成电压信号输出到A/D转换电路，A/D转换电路将输入的电压信号转换为数字信号输出到单片机系统，完成毛细管压力的数据采集。单片机系统将所输入的压力和温度信号通过8位的并口传输到信号处理系统，信号处理系统根据井口处的毛细管压力数据推算出测点压力和油层压力，信号处理系统将数据存储到该系统的存储器中，同时通过串口通信电路，把数据传输到外接计算机，进行实时监测；信号处理系统将数据传送给单片机系统，单片机系统通过串口把井口处毛细管压力数据及处理得到的测点压力、油层压力送到显示电路，进行显示。
在图2中，本实施例的电流转电压电路由集成电路U3A、集成电路U4A、电阻R1A、电阻R2A、电位器R3A、电位器R4A、电容C9A～电容C12A连接构成，集成电路U3A和集成电路U4A的型号为ISO-A4-P3-04。一路输入的压力电流信号由集成电路U3A的1脚输入，集成电路U3A的4脚接电容C10A和电容C12A的一端并接5V电源正极、5脚和电容C10A的另一端以及电容C12A的另一端接地、9脚接电位器R3A的一端、10脚接电位器R3A的另一端和可调端、8脚接地、11脚通过电阻R1A接A/D转换电路。另一路输入的压力电流信号由集成电路U4A的1脚输入，集成电路U4A的4脚接电容C9A和电容C11A的一端并接5V电源正极、5脚和电容C9A的另一端以及电容C11A的另一端接地、9脚接电位器R4A的一端、10脚接电位器R4A的另一端和可调端、8脚接地、11脚通过电阻R2A接A/D转换电路。
本实施例的A/D转换电路由集成电路U2A、集成电路U5A、电阻R5A～电阻R9A、电容C1A～电容C6A、电容C13A、电容C14A、电容C22A连接构成，集成电路U2A的型号为REF02，集成电路U5A的型号为ADS1226。集成电路U5A的10脚接电容C13A的一端并通过电阻R1A接集成电路U3A的11脚、8脚通过电阻R2A接集成电路U4A的11脚以及电容C14A的一端、14脚接集成电路U2A的6脚和电容C3A的一端以及电容C4A的一端、15脚接电容C5A的一端和电容C22A的一端以及5V电源正极、16脚接电容C6A的一端和电源，集成电路U5A的4、6、9、11、12、13脚接地。集成电路U2A的2脚接电容C1A和电容C2A的一端以及12V电源正极、4脚接地，电容C1A、电容C2A、电容C3A、电容C4A、电容C5A、电容C6A、电容C22A的另一端接地。集成电路U2A、电容C1A～电容C4A、电容C13A连接成稳压电路，为集成电路U5A提供参考电源。集成电路U5A的1脚～3脚分别通过电阻R5A～电阻R7A接单片机系统。
本实施例的单片机系统由集成电路U1A、电容C7A、电容C8A、电容C15A、电容C16A、晶体振荡器Y1A连接构成，集成电路U1A的型号为MSP430F2272。集成电路U1A的16脚通过电阻R5A接集成电路U5A的1脚、11脚通过电阻R6A接集成电路U5A的2脚、10脚通过电阻R7A接集成电路U5A的3脚、15脚通过电阻R8A接集成电路U5A的5脚、2脚和3脚接由晶体振荡器Y1A和电容C15A以及电容C16A连接构成的振荡电路、13脚接电容C7A的一端并接地、14脚接电容C7A的另一端及电源、1脚和4脚接电容C8A的一端和地、38脚和39脚接电容C8A的另一端以及电源，集成电路U1A的17脚和18脚以及21脚接显示电路、29脚～36脚通过总线接信号处理系统、22脚～24脚、5脚接信号处理系统。
本实施例的显示电路由集成电路U6A、集成电路U7A、电容C17A～电容C21A连接构成，集成电路U6A的型号为MAX3232，集成电路U7A的型号为YD711。集成电路U6A的11脚接集成电路U1A的18脚、12脚接集成电路U1A的17脚，集成电路U7A的13脚接集成电路U1A的21脚，集成电路U6A的14脚接集成电路U7A的14脚、4脚和5脚接电容C17A的两端、15脚接地、1脚和3脚接电容C21A的两端、13脚接集成电路U7A的15脚、16脚接电容C18A的一端及电源、6脚接电容C20A的一端、2脚接电容C19A的一端、电容C18A、电容C19A、电容C20A的另一端接地，集成电路U7A的1脚～3脚接地、18脚～20脚接12V电源正极。
在图2、3中，本实施例的信号处理系统由集成电路U1B～集成电路U6B、电阻R1B～电阻R6B、电容C1B～电容C5B、电容C15B～电容C18B、晶体振荡器Y1B连接构成，集成电路U1B为数据存储器型号为AT49BV642D、集成电路U2B是程序存储器型号为SST39VF010、集成电路U3B的型号为DS1556W、集成电路U4B的型号为TMS320VC33、集成电路U5B的型号为JTAG_TMS320、集成电路U6B的型号为74F06。集成电路U4B的D8端～D15端通过总线接集成电路U1A的D8端～D15端、D0端～D7端通过总线接集成电路U2B和集成电路U3B的D0端～D7端、D16端～D31端通过总线接集成电路U1B的D16端～D31端、A0端～A21端通过总线接U1B的A0端～A21端、A0端～A16端通过总线接集成电路U2B和集成电路U3B的A0端～A16端、地端接地、电源端接电源、读写端接集成电路U3B的29脚和集成电路U6B的输入端、36脚接集成电路U2B的22脚、130脚接晶体振荡器Y1B的3脚、98脚接集成电路U5B的9脚和11脚、99脚接集成电路U5B的7脚、100脚接集成电路U5B的3脚、102脚接集成电路U5B的1脚、103脚接集成电路U5B的2脚、95脚接集成电路U5B的14脚、96脚接集成电路U5B的13脚、124脚通过电阻R5B接电源、138脚和139脚接电容C3B的一端以及电源、集成电路U4B的133脚、134脚、45脚及122脚接地、131脚接电容C15B的一端和电容C16B以及电容C17B的一端并通过电阻R4B接电源、127脚接电容C18B的一端并通过电阻R6B接电源、35脚接集成电路U3B的22脚、33脚接集成电路U1B的26脚、32脚接集成电路U1A的22脚、135脚和136脚接电源，电容C4B是电源的滤波电容，电容C3B的另一端和电容C15B～电容C18B的另一端接地，电容C2B和电容C4B以及电容C5B是电源的滤波电容。集成电路U1B的46脚和27脚接地、37脚和13脚以及47脚接电源。集成电路U2B的16脚和24脚接地、31脚和32脚接电源，电容C1B是电源的滤波电容。集成电路U3B的32脚接电源、30脚通过电阻R1B接电源、16脚接地、24脚接集成电路U6B的输出端。集成电路U6B的输出端通过电阻R2B接电源。晶体振荡器Y1B的4脚接电源、2脚接地。集成电路U4B的120脚和116脚以及110脚接串口通信电路。
本实施例的串口通信电路由集成电路U7B、电容C7B～电容C11B、插座J1连接构成，集成电路U7B的型号为MAX3232。集成电路U7B的9脚接集成电路U4B的120脚和116脚、10脚接集成电路U4B的110脚、7脚接插座J1的2脚、4脚和5脚接电容C7B的两端、15脚接地、1脚和3脚接电容C8B的两端、11脚接插座J1的3脚、2脚接电容C10B的一端、16脚接电容C10B和电容C11B的另一端及电源、6脚接电容C9B的一端，电容C11B的一端和电容C9B的另一端以及插座的5脚接地。插座J1的1脚接5V电源正极。
本发明的工作原理如下：
压力电流信号第一路从集成电路U3A的1脚输入，由集成电路U3A转换成电压信号从集成电路U3A的11脚输出，送到集成电路U5A的模拟输入端10脚，转换成数字信号，通过集成电路U5A的3脚以串行方式输出到集成电路U1A的10脚，完成压力信号输入1的数据采集。压力电流信号第二路从集成电路U4A的1脚，由集成电路U4A的3脚输出，送到集成电路U5A的模拟输入端8脚，转换成数字信号，两路分时采样，通过集成电路U5A的3脚输出到集成电路U1A的10脚。温度信号为数字信号，由集成电路U1A的19脚，实现温度数据的采集。把压力和温度信号采集到集成电路U1A，对其做简单的处理，通过集成电路U1A的P1.0口～P1.7口送到集成电路U4B的D8端～D15端。集成电路U4B将集成电路U1A送来的信号作相应的处理，同时，集成电路U4B还把集成电路U3B的时间信息读出，与压力数据对应起来。处理后的数据流向分三路：第一路通过数据线D31～D16送到集成电路U1B；第二路通过集成电路U4B的110脚送到集成电路U7B的10脚，集成电路U7B进行电平转换后，由集成电路U7B的7脚送到插座J1的2脚，以串行方式送到外接计算机。第三路通过集成电路U4B的111脚送到集成电路U1A的23脚，然后由集成电路U1A的18脚输出到集成电路U6A的11脚，电平转换后由集成电路U6A的14脚输出到集成电路U7A的14脚，实现实时显示功能。另外，数据处理系统还接收外接计算机输入的数据通过插座J1的3脚送到集成电路U7B的11脚，由集成电路U7B 9脚输出到集成电路U4B的116脚和120脚，经集成电路U4B的信号走向与第三路相同。由显示电路输出到显示器。