一种模块化高温多功能智能井下测控系统技术领域
本发明涉及油田井下注采领域以及地质井下测控领域中的井下检测与控制。
背景技术
注水作为油田稳产增产的重要措施之一，在油田开发中的地位越来越重要。胜利油田分公司目前投入开发油田59个，其中注水开发油田54个（657个开发单元），水驱动用于地质储量27.93×108吨，占分公司动用储量的84.4%，胜利油田总注水井数6528口，配注水量67.34×104m3/d，开井4923口，配注水量58.68×104m3/d，开井率75.4%，日注水量55×104m3/d。方案分注井2743口，在油田注水开发的过程中，为了缓解层间、层内和平面矛盾，提高注水效率和波及体积，提高原油采收率和采出程度，国内外许多油田采用了分层注水的开发方式，分层注水技术的研究开发和应用越来越重要。随着地质探测、海油、陆地石油的开发不断的深入，对于高温设备的需求日益加剧，目前新疆吐哈油田、天津大港油田、冀东油田等高温井越来越多，高温井下分层注采，精确调节每一层段的注水量对与石油产出极为重要，目前油田调整井下流量的测调设备基本上有单双流量井下测调仪、双导向双流量井下测调仪、桥式同心测调仪、桥式同心测调仪、桥式偏心分层流量测调仪、直读式偏心验封仪、分层注水集成式配水系统、验封测调仪、水嘴投劳仪、井下高温压力计、井下流量计等仪器，但是，仪器仅仅工作在125℃左右范围内，在集成度、高可靠性、多功能上以及通用性上不能满足日益发展的需要。因而实施模块化高温多功能智能井下测控系统对于解决高温恶劣环境的科学测量与控制、提高原油采收率、降低多种仪器开发成本具重要意义。
发明内容
本发明提供了模块化高温多功能智能井下测控系统，以解决井下125℃以上高温恶劣环境的检测与控制，同时解决传统井下仪器电路结构分散、集成度低、可靠性差、体积大、通用性差、功能少、智能化低，维修困难。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
模块化高温多功能智能井下测控系统，包括井上供电通讯计算机单元、井下部分。所述的井下部分包括井下高温供电单元、高温压力信号采集单元、高温温度信号采集单元、高温恒流励磁单元、高温流量信号单元；高温直流电机驱动器单元、放大器、井下通讯单元、中央处理单元和存储器。井下部分安装在密封探管内，通过绞车电缆连接下到井下。所述高温压力信号采集单元、高温温度信号采集单元、高温流量信号单元采集并输出温度、压力、流量模拟信号，该模拟信号通过集成厚膜芯片放大器进行信号放大、滤波、整形、保护处理，通过所述的中央处理单元将放大、滤波、整形和保护处理的模拟信号转换成数字信号，进行分析处理；处理后的数据存储在存储器的同时，通过井下通讯单元进行同轴变频载波再将信号传至井上供电通信计算机单元；所述集成厚膜芯片是在陶瓷基片上印制图形并经过高温烧结形成无源网络。
进一步，所述的高温压力信号采集单元为高温传感器，采用宝石芯体；所述的高温温度信号采集单元为高温温度传感器；高温流量信号单元为高温流量传感器所述的高温恒流励磁单元为励磁线圈，采用聚酰亚胺材料。
进一步，压力、温度、流量传感器信号的放大、信号滤波、采集信号读取、计算机曲线校准拟合为信号采集系统。
进一步，通讯计算机单元具有变频载波功能，最远距离可以传输9Km。
进一步，所述的供电单元，具有宽电压输入，三路电压输出，电流文波低与0.1%以及高精密电压基准5v和10v，精度0.05%。
［0010］再进一步，所述的直流电机驱动单元具有三路电机控制功能，耐压200V，输出电流1A，通过中央处理单元控制。
再进一步，所述的电路具有电机位置反馈、电机过流保护、电机过流电源保护、信号采集过压保护功能。
所述的井上供电通讯计算机单元用于井下设备供电、载波通讯、井下仪器电压调节、供电保护以及计算机交互；软件采用模糊PID控制和算法处理。
本发明与现有技术相比，其技术效果显著。首先，采用厚膜集成芯片将分立元件集成在陶瓷硅板上，电阻、电容植入硅板上，进行封装处理，从而达到耐高温、体积小、抗干扰性，其次，整体分成九个模块，可以选择性安装在母板上，更换维修简单，达到使用单芯片完成每一模块功能。最后，耐高温材料的选用可以提高整个系统在井下高温条件下地稳定性和准确性。
附图说明
图1为总体电路原理框图。
图2为压力、温度、流量传感器接口电路原理框图。
图3为通讯单元接口电路原理框图。
图4为电机控制电路原理框图。
图5为供电单元电路原理框图。
图6为励磁电路原理框图。
图7为中央处理单元总控制流程图。
图8为总体硬件组成图。
具体实施方式
如图1所示，该系统包括井上供电通讯计算机单元1和井下部分12。井下部分12包括井下高温供电单元2、高温压力信号采集单元4、高温温度信号采集单元3、高温恒流励磁单元6、高温流量信号单元5；高温直流电机驱动器单元7；中央处理单元8和存储器9井下通讯单元11。井下部分12安装在外部密封探管内，通过绞车电缆连接下到井下；高温压力信号采集单元4、高温温度信号采集单元3、高温流量信号单元5采集并输出温度、压力、流量模拟信号，该模拟信号通过集成厚膜芯片放大器10进行信号放大、滤波、整形、保护处理，通过所述的中央处理单元8将放大、滤波、整形和保护处理的模拟信号转换成数字信号，进行分析处理；处理后的数据存储在存储器的同时，通过井下通讯单元11进行同轴变频载波再将信号传至井上供电通信计算机单元1；最终传至计算机进行数据处理，生成压力曲线、流量时间曲线等，同时，计算机根据采集数据，发送信号至井下，控制电机位置，以达到测量控制的目的，从而达到各口井的数据记忆，数据回放、综合参数评定等多种参数的优化和智能控制。
如图2所示，所述的高温压力传感单元4为高温压力传感器13，所述的高温温度信号采集单元3为高温温度传感器14；所述的高温流量信号单元5为流量传感器15。由于该系统主要应用于油田、地质等高温（175℃-200℃）井下极其恶劣环境。压力传感器13采用宝石芯体，蓝宝石由单晶绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000℃以内），对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，可应用于各种复杂环境场合。高温温度传感器14由双膜片构成钛合金感压膜片和钛合金测量膜片。蓝宝石上异质外延硅应变敏感电路膜片，被熔焊在钛合金测量膜片上。被测压力传送到测量膜片上。在压力的作用下，钛合金测量膜片产生微应形变，该形变使电桥输出会发生变化，变化的幅值与被测压力成正比。电桥电路将电桥的失衡信号，转换为电压信号输出。温度传感器使用PN结正向电压工作特性，二极管温度可达200℃。电磁流量计传感器励磁线圈及骨架采用聚酰亚胺材料，聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达400℃以上，长期使用温度范围-200～300℃，无明显熔点，高绝缘性能，103赫下介电常数4.0，介电损耗仅0.004～0.007，属F至H级绝缘材料。集成厚膜混合芯片是运用印刷技术在陶瓷基片上印制图形并经高温烧结形成无源网络，厚膜材料耐温程度高，导热效果好，基本上可以达到铜的导热程度，最高温度可以达到225℃，厚膜材料是一类涂料或浆料，由一种或几种固体微粒（0.2～10微米）均匀悬浮于载体中而形成。所述的高温压力信号采集单元、高温温度信号采集单元、高温流量信号采集单元。压力信号：精密电压基准(20)的10v电源提供给压力传感器13精密的供电电压信号，传感器输出电压信号和温度信号进行拟合，可以校正由于温度、供电电压等因素波动引起的压力传感器13的输出信号波动，精度为0.05%，第一放大器16、第一滤波器17以及过压保护装置18为信号调理芯片，第一放大器16将信号放大后，经过第一滤波器17的贝塞尔滤波后，通过过压保护装置18，进入到中央处理单元8。温度采集：温度传感器14为集成单芯片，参数为：电压输出范围1.5～VCC-1.5V、温度测量范围-65～200℃、电源电压范围+8～+20V、工作温度范围-55～+200℃、温度-电压转换系数12mV/℃；温度测量采用集成专用芯片，精密基准15v电压供电，根据温度变化，使PN结发生变化，可以测量-65～200℃。流量采集：流量传感器15为非磁性材料，信号调理模块为第二放大器19、采样保持装置20、以及放大滤波装置21，感应电压经过第二放大器19精密低噪声放大后进行采样保持，消除多次谐波干扰，再经过放大滤波装置21做后置放大，进入到中央处理单元8，电压基准22的0.5v信号供给滤波放大装置21的REF保证负流量可以有效采集。
如图3所示，所述的高温通讯单元功放将方波信号传至同轴电缆23，井上供电通讯计算机单元1接收信号。井上供电通讯计算机单元1发送信号，井下通讯单元11接收，信号接收芯片为1、2、3、4、5、6。井上方波信号经同轴电缆传至信号输入24，通过过压保护25将电压较高的信号滤除，经过滤波放大26、滤波整形27处理后，进行巴特沃斯滤波28，消除谐波干扰，通过高频驱动29功放传递信号给中央处理单元8，读取频率信号。
如图4所示，3路高温直流电机驱动器单元电机控制模块可以分别控制三台直流电机分时工作，芯片采用H桥结构，集成芯片参数如下：Vcc电压200v、输出电流1A、耐温200℃，中央处理单元8接收到井上供电通讯单元指令后，发出高电平信号，使H桥电路30导通，驱动电机31工作。
如图5所示，所述的井下高温供电单元使用DC-DC降压模块，具体参数如下：输入电压36v-72v，输出正负15v、正5v，输出电流200mA，输入电压32为固定电压，PMW33为固定占空比输出。
如图6所示，所述的高温恒流励磁单元，集成模块内部为精密基准提供精密电压，控制压控恒流源输出恒定电流，同时将输出电流电压反馈比较，从而达到精密恒流的作用；图1中央处理单元8控制，产生开关信号，驱动H桥电路是线圈两侧产生方波信号。线圈采用耐高温400度材料，包括骨架、导线、漆包线。
如图7所示，所述的中央处理单元总控制流程图，包括有两片中央处理单元，其中第一中央处理单元34处理通讯以及电机控制，第二中央处理单元35处理模拟量信号采集与反馈信号。缆头电压采集为同轴载波电缆进入仪器DCDC电源输入端电压，通过分压方式读取缆头电压。电机过流保护,设置接地电阻，读取电阻电压测量流过电机电流达到保护作用。电机位置反馈,通过霍尔元件读取信号从而达到位置反馈效果。仪器状态反馈，通过霍尔元件读取信号从而达到读取仪器在打开状态与关闭状态。存储器存储校准参数。
如图8示出了模块化高温多功能智能井下测控使用情况系统工作框图。
本说明书中所述的只是发明的具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。