过泵高低温直读监测系统 本发明涉及一种油田稠油、超稠油过泵加热采油井监测用的“过泵高低温直读监测系统”。
目前国内稠油、超稠油井井底流温流压资料是采用存储式高温长效电子压力计进行录取，该仪器可在井下连续监测一个采油生产周期的流温流压资料，在采油周期结束后，才能回收仪器，得到测试数据进行解释。这种测试方法存在测试资料滞后问题，应用中受到一定的限制；常规直读测试一般采用环空测试及捆绑电缆方式实现，它主要应用于稀油井测试，这两种方法均不能实现高温稠油生产井直读监测。其原因在于：井下仪器没有合适的高温电子压力计可供选择。稠油、超稠油注汽井生产初期井下最高温度可达260℃左右，国内外普通电子压力计的耐温指标一般在150℃以下，极个别的国外公司能提供190℃的电子压力计，仍不能满足260℃的高温测试要求，本单位研制的高温四参数系列测试仪耐高温400℃，但适用范围不同，一般应用于注汽阶段短时间剖面类测试，受绝热瓶技术限制不能长期监测。另外，环空测试方法和常规电缆捆绑测试方法还受稠油井管柱原油阻滞等因素影响，受电缆耐温耐磨的局限，均不能满足高温直读监测的需要。
针对上述现有技术中的问题，本发明的目的在于克服现有技术中的不足，而提供一种油田稠油、超稠油过泵加热采油井监测用的“过泵高低温直读监测系统”，经试验该系统可长时间连续稳定工作，能同步记录油井整个生产周期的井底流温、流压并可在地面直接显示和读取测试数据，测试过程不影响油井的正常生产，效果良好。
本发明是这样实现的：发明人在分析研究常规直读测试方法不能满足稠油、超稠油高温生产井直读监测要求的原因后针对稠油、超稠油过泵加热井高低温直读监测技术难题，经过二年的技术攻关，完成了过泵高低温直读监测的构思及其监测系统、加热测试双功能电缆、井下电缆多项自动对接技术、井下高温、压力传感器、井下无绝热数据采集传输系统、地面数据显示存储控制及室内分析系统六个技术难题进行研究，构成了过泵高低温直读监测系统(如图1至图7)。下面结合附图进行叙述：
过泵高低温直读监测的构思及其监测控制系统：井下传感器采集的温度、压力信号，经井下采集传输系统转换成数字信号，再对其进行编码传输，传输信号经井下连接器及加热测试双功能电缆的测试经芯上传至地面，地面控制系统对其进行解码，实现数据显示、IC卡存储，或由计算机直接读取测试数据(如图2)，此外，地面控制系统还通过电缆的测试线芯为井下系统加载电源。从图1看出该系统是由井下温度压力传感器8、数据采集传输系统7通过井下电缆连接器6连接到空心抽油杆4最底端，加热测试双功能电缆3从空心抽油杆4内孔下入，当加热测试双功能电缆3到达空心抽油杆4底端时，固定在加热测试双功能电缆3下端的电缆连接头5与井下电缆连接器6自动对接，电缆加热线与空心抽油杆4形成回路实现电加热；同时电缆测试线和井下数据(温度压力)采集传输系统7连接，将井下温度压力数据传输到地面数据、显示、存储控制系统1中，则构成过泵高低温直读监测系统，该系统技术指标：压力测量范围：0-60MPa，精度±0.1％F.S；温度测量范围：0--260℃，精度±0.5℃；测试系统耐温290℃；加热测试双功能电缆耐温260℃；井下仪器连续工作时间：12个月；测试信号传输速度：15.72k/s；
加热测试双功能电缆：由数据采集传输系统采集的测试信号经加热测试双功能电缆上传至地面数据显示存储控制系统，在进行电加热的同时进行测试。测试信号地传输采用载波技术，在一根线芯上实现供电与信号传输。在设计加热测试双功能电缆时采用同轴圆电缆(如图3)，主要由加热线芯和测试线芯两部分组成，其结构由内向外依次为：加强钢丝内芯及铜质信号线层3.1；耐温260℃氟塑料层3.2；加热导体层3.3；耐温260℃氟塑料层和护套层3.4。测试线向井下测试系统加载电源，并上传测试信号，加热线加载加热电源；
井下电缆多项自动对接技术：井下电缆多项自动对接技术包括电缆连接头5和井下电缆连接器6两部分，它是同时实现加热和测试的关键技术(如图4、图5)。井下电缆连接器6的下端与数据采集传输系统7及温度压力传感器8连成一体，其上端通过丝扣与空心抽油杆4相连，在油井作业时连在环流泵空心尾杆下端，随空心抽油杆4下入井中。电缆连接头5的主体5.3设计成锥形体，井下电缆连接器6的主体6.3设计成内锥形孔，在双功能电缆3重力作用下，两者形成可靠连接，使双功能电缆3中的加热导体层3.3，经电缆连接头5的主体5.3与井下电缆连接器6的主体6.3连接，由于电缆连接器主体6.3与抽油杆4相连，保证电缆加热导体与空心抽油杆4形成加热回路；同时电缆连接头5上的触头5.1和井下电缆连接器6中的测试线连接体6.1在弹簧5.4的作用下也形成可靠连接，使得双功能电缆3的测试信号线3.1经触头5.1，井下电缆连接器6中的测试线连接体6.1与井下测试系统导通。电缆连接头5的触头5.1的外壁5.2和井下电缆连接器6的测试线连接体6.1的外壁6.2均为耐高温绝缘的氟塑料，可保证测试线与加热线绝缘；
温度压力传感器：它包括温度和压力传感器，感知测试介质的温度和压力。温度敏感元针选择技术成熟性能可靠的PT100铂电阻传感器，该型号传感器具有测量范围宽、精度高、稳定性好等特点，适合于井下长期直读测试的要求；压力敏感元件采用螺纹安装硅膜片压力传感器，该型传感器以独特的集成电路敏感元件为特征。敏感元件中含有一个小型的硅膜片，在其上面通过原子键合粘接上电气绝缘的压阻式惠斯登电桥。其制造过程采用了扩散增强熔接法，将微电路技术与超小型化工艺相结合。根据硅叠芯片的性能，考虑到现场震动、冲击、高温环境等因素，采用特殊的封装工艺，以保证传感器的高性能、高精度和高可靠性，使传感器能在恶劣的环境下完成压力测量。由于钛制隔离膜片可以作为硅压阻式力收集器和被敏感介质间的阻挡层，因此，该型传感器可以在具有高温、腐蚀及导电性介质的环境使用，使用寿命较长。单晶结构封装技术使传感器每工作一年的漂移小于0.01％，可保证其长期稳定。由于采用Nesson结构设计，使其能感受测量比较小的压力的同时，又能在较高的压力峰值冲击下保护膜片不受损坏。压力传感器供电采用自适应技术，消除电源漂移给输入信号带来的误差；
井下无绝热数据采集传输系统：该系统是负责将温度压力传感器输出的信号转换成数字信号，完成测试数据的存储及上传。从图6看出，微控制器7.9是该系统的核心，它将温度传感器7.1和压力传感器7.2输出的电信号经A/D转换器7.3转换成数字信号，获取的井下温度压力数字信号经编码器7.4，调制器7.5及放大器7.6，送至隔耦合器7.7，经电缆测试线芯上传至地面控制系统1。该系统应用数字载波技术，通过一根线芯实现向下加载测试电源同时上传测试信号。采用自刻度校正技术消除温度、放大倍数、电源漂移等影响，以保证该系统的精度。信号传输应用抗误码技术，保证了信号传输的准确性；
地面数据显示存储控制及室内分析系统：地面数据显示存储控制系统1除负责将井下上传来的测试数据进行解码显示存储外，它还负责对井下数据采集系统加载电源(详见图7)，其中微控制器1.4负责井下测试系统电源的监测和调整控制，使井下测试电源始终处于最佳工作状态，保证井下系统供电的可靠性和稳定性；它还负责接收井下上传来的测试数据。在它的控制下，上传来的井下温度压力测试信号经隔离耦合器1.6均衡放大器1.14解调器1.13、解码器1.12后，与地面时间基准1.5提供的时间信息进行数据合成，形成完整的测试数据，以便于后续处理分析。与时间信息合成的测试数据有三种输出方式可选择：(1)测试数据经过直接接口1.15由地面数据读取设备1.17即地面计算机直接读取存储；(2)测试数据经过显示接口1.10后，送至数据显示面板1.9，在地面系统的数据显示面板1.9上，井下温度压力及井下电源的电压等各参数轮流循环显示；(3)测试数据经过存储接口1.8后存入数据存储器1.7中。数据存储器1.7采用油井IC卡存储技术，便于携带和避免物理损坏，同时保证地面监测设备与室内分析设备的相对独立，并可根据测试井具体情况设置测试数据的存储时间间隔，既保证可用存储时间的相对增大，又保证测井信息不丢失，存储间隔设置由参数设置电路1.3完成，参数设置电路1.3同时还可实现对井下电源工作状态的调整。测试数据的室内分析解释设备为普通个人微机，其数据来源有两种途径，一是通过数据读取设备1.17读取油井IC卡记录的测试数据，二是利用便携式计算机，通过地面数据监测系统的直接接口1.15，直接读取的井下测数据。地面直接接口1.15的另一个功能是校正地面系统的基准时间，以保证测试数据与时间的一致性。此外，地面数据存储控制系统还根据测试的井下温度数据，自动控制加热电源开关1.16的开闭，实现节能目的。
本发明与现有技术相比具有现场适应性强，加热测试可同步进行，测试数据可即时读取，耐高温、测量精度高、节能、稳定性好等特点。
图1是过泵高低温直读监测系统整体结构示意图，图中1是地面数据显示存储控制系统，2是变频加热电源，3是加热测试双功能电缆，4是空心抽油杆，5是电缆连接头，6是井下电缆连接器，7数据采集传输系统，8是温度压力传感器。
图2是过泵高低温直读监测系统实现原理框图，图中8是温度压力传感器，7是数据采集传输系统，6是井下电缆连接器，3是加热测试双功能电缆，1是地面数据显示存储控制系统，1.1′是数据显示，1.2′是IC卡数据存储，1.3′是直接读取数据，1.4′是变频加热控制，1.5′是读取IC卡数据。
图3是高温加热测试双功能电缆结构示意图，图中3.1是加强钢丝内芯及铜质信号线层，3.2是耐温氟塑料层，3.3是加热导体层，3.4是耐高温氟塑料层和护套层。
图4是井下电缆连接头结构剖面示意图，图中5.1是触头，5.2是氟塑料绝缘层，5.3是连接头主体，5.4是弹簧，5.5是挡环，5.6是电缆与触头连线，5.7是电缆。
图5是井下电缆连接器结构剖面示意图，图中6.1是测试线连接体，6.2是氟塑料绝缘层，6.3是连接器主体，6.4是空心抽油杆。
图6是数据(温度压力)采集传输系统工作框图，图中7.1是温度传感器，7.2是压力传感器，7.3是A/D转换器，7.4是编码器，7.5是调制器，7.6是放大器，7.7是隔离耦合器，7.8是井下电源，7.9是微控制器。
图7是地面数据显示存储及室内分析系统结构框图，图中1.1是地面电源，1.2是电源变换，1.3是参数设置，1.4是微控制器，1.5是时间基准，1.6是隔离耦合器，1.7是存储器，1.8是存储接口，1.9是数据显示面板，1.10是显示接口，1.11是数据合成，1.12是解码器，1.13是解调器，1.14是均衡放大器，1.15是直接接口，1.16是加热电源开关，1.17是数据读取设备。
实施例：首先按附图和设计要求从市场购买所需材料和零部件或元器件，而后按附图和设计要求制作零部件并组装。下面结合附图描述几个实施例：
实施例1：
本发明如图1图2过泵高低温直读监测的构思及其监测系统：井下传感器采集的温度、压力信号，经井下采集传输系统转换成数字信号，再对其进行编码传输，传输信号经井下电缆连接器及加热测试双功能电缆的测试线芯上传至地面，地面控制系统对其进行解码，实现数据显示、IC卡存储，或由计算机直接读测试数据，此外，地面控制系统还通过电缆的测试线芯为井下测试系统加载电源。温度压力传感器8、数据采集传输系统7接在井下电缆连接器6的下端，井下电缆连接器6上端接到空心抽油杆4最底端，加热测试双功能电缆3从空心抽油杆4内孔下入，当加热测试双功能电缆3下至空心抽油杆4底端时，固定在加热测试双功能电缆3下端的电缆连接头5与井下电缆连接器6自动对接，电缆加热线与空心抽油杆4形成回路实现电加热，同时，电缆测试线和数据采集传输系统7连接，将井下温度压力数据传输到地面数据显示存储控制系统1中，实现了过泵高低温直读监测系统。
实施例2：
本发明的特征还在于加热测试双功能电缆：由数据采集传输系统7所采集的测试信号经加热测试双功能电缆3上传至地面数据显示存储控制系统1，在进行电加热的同时进行测试，测试信号的传输采用载波技术，在一根芯线上实现供电与信号传输。加热测试双功能电缆3设计成同轴圆电缆，主要由加热芯线和测试芯线组成，其结构由内向外依次为：加强钢丝内芯及铜质信号线层(3.1)是由Φ0.8×12加强钢丝，Φ0.8×7(3.53mm)TR铜信号线，外径Φ4.0做成；耐温氟塑料层(3.2)是由耐温260℃氟塑料绝缘材料，厚度为0.8mm，外径Φ5.6做成；加热导体层(3.3)是由Φ2×11(35mm2)TR加热导体，外径Φ9.6做成；耐温氟塑料层和护套层(3.4)是由耐温260℃氟塑料绝缘层和护套层，厚度为2×0.8mm外径Φ12.8做成。
实施例3：
本发明的特征在于，井下电缆多项自动对接技术，它包括电缆连接头5和井下电缆连接器6两部分，二者是同时实现加热和测试的关键技术。井下电缆连接器6的下端连接数据采集传输系统7及温度压力传感器8，其上端与空心抽油杆4相连，在油井作业时连在环流泵空心尾杆下端，随空心抽油杆4下入。电缆连接头5的主体(5.3)为锥形体，井下电缆连接器6的主体(6.3)为内锥形孔，两者在双功能电缆3的重力作用下形成可靠连接，加热测试双功能电缆3中的加热导体层(3.3)经电缆连接头5的主体(5.3)与电缆连接器6的主体(6.3)连接，电缆连接器主体(6.3)与空心抽油杆4相连，从而保证电缆加热导体与空心抽油杆4形成加热回路。同时，电缆连接头5上的触头(5.1)和井下电缆连接器6中的测试线连接体(6.1)在弹簧(5.4)的作用下也形成可靠连接，使得加热测试双功能电缆3的测试信号线(3.1)经触头(5.1)、井下电缆连接器6中的测试线连接体(6.1)、与井下测试系统导通。电缆连接头5的触头(5.1)外壁(5.2)和井下电缆连接器6的测试线连接体(6.1)外壁(6.2)均为耐高温氟塑料。
实施例4：
本发明的特征还在于温度压力传感器：它包括温度和压力传感器，感知测试介质的温度压力，温度敏感元件是选择技术成熟、性能可靠的PT100铂电阻传感器，它具有测量范围宽、精度高、稳定性好等特点；压力敏感元件是采用螺纹安装硅腊片压力传感器，它以独特的集成电路敏感元件为特征，敏感元件中含有一个小型的硅膜片，在其上面通过原子键合粘接上电气绝缘的压阻式惠斯登电桥，其制造过程采用了扩散增强熔接法，将微电路技术与超小型化工艺相结合，根据硅叠芯片的性能，考虑到现场震动、冲击、高温环境等因素，采用特殊的封装工艺，以保证传感器的高性能、高精度和高可靠性；由于钛制隔离膜片可作为硅压阻式力收集器和被敏感介质间的阻挡层，因此，该型号传感器可以在具有高温、腐蚀及导电性介质的环境中使用，使用寿命较长。采用单晶结构封装技术使传感器每工作一年的漂移小于0.01％，可保证其长期稳定，由于采Nesson结构设计，使其能感受测量比较小的压力的同时，又能在极高的压力峰值冲击下保护膜片不受损坏。压力传感器供电是采用自适应技术，消除电源漂移给输入信号带来的误差。
实施例5：
本发明的特征还在于，井下无绝热数据采集传输系统：该系统是负责将温度压力传感器输出的信号转换成数字信号，完成测试数据的存储及上传；微控制器(7.9)是该系统的核心，它将温度传感器(7.1)和压力传感器(7.2)输出的电信号经A/D转换器(7.3)转换成数字信号，获取的井下温度压力数字信号经编码器(7.4)、调制器(7.5)及放大器(7.6)，送至隔离耦合器(7.7)，经电缆测试线芯上传至地面控制系统，该系统应用数字载波技术，通过一根线芯实现向下加载测试电源同时上传测试信号；采用自刻度校正技术，消除温度、放大倍数、电源漂移等影响，以保证该系统的精度，信号传输应用抗误码技术，保证了信号传输的准确性。
实施例6：
本发明的特征还在于，地面数据显示存储控制及室内分析：地面数据显示存储控制系统1除负责将井下上传来的测试数据进行解码显示存储外，还负责对井下数据采集系统加载电源。其中微控制器(1.4)负责接收井下上传来的测试数据，在它的控制下，上传来的井下温度压力信号经隔离耦合器(1.6)、均衡放大器(1.14)、解调器(1.13)、解码器(1.12)后与地面时间基准(1.5)提供的时间信息进行数据合成，形成完整的测试数据，便于后续处理分析；与时间信息合成的测试数据有三种输出方式可选择：一是测试数据经过直接接口(1.15)，由地面数据读取设备(1.17)即地面计算机直接读取存储；二是测试数据经过显示接口(1.10)后送至数据显示面板(1.9)，在数据显示面板(1.9)上井下温度压力及井下电源的电压等各参数轮流循环显示；三是测试数据经过存储接口(1.8)后存入数据存储器(1.7)中，数据存储器(1.7)采用油井IC卡存储技术，将井下传送来的测试数据存储在IC卡中，可根据测井具体情况设置测试数据的存储时间间隔，存储时间间隔设置由参数设置电路(1.3)完成。此外，它还根据测试的井下温度数据自动控制变频加热电源开关1.16的开闭，实现节能目的。