油井井下高溫度和壓力測試系統研究與應用

摘 要：為了對井下溫度壓力參數測試系統進行研制，采用鉑電阻和藍寶石硅晶體作為前端傳感器，系統采用井下直接測量，避免通過中間介質進行傳導，可實現較小誤差。恒流源驅動方式使采集前端信號工作穩定，采用時間同步的方式將采集信號與深度關聯，數據分析時能夠繪出溫度壓強隨油井深度變化的曲線，實現精確測量，掌握地層分布規律。

關鍵詞：PT1000； 高溫度； 壓力測量； 恒流源

中圖分類號：

TN919-34; TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)19

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Research and Application on Test System of High Temperature

and Pressure Underground Wells

HAN Jian， GUO Zhi-yuan， ZHANG Xi-peng， ZHANG Yan-long

(College of Electronic Science， Notheast Petroleum University， Daqing 163318， China)

Abstract： In order to develop a test system of the parameters of high temperature and pressure underground wells， Platinum resistance and Si-sapphire are used as sensor of front-end. The way of directly measurement is used by this system to avoid conduction between medium so that decrease the error. It is stable in sampling the signal of front-end driven by constant-current source. Sampled signals are relation with depth by the way of synchronization in time， and the curve of temperature and pressure can be draw as the variations of depth on wells when analyzing the data. The rules of stratum distribution are mastered with the accurate measurement.

Keywords： PT1000; high temperature; measurement of pressure; constant-current source

0 引 言

在開采石油的過程中，井下的溫度和壓強是必不可少的測量參數，準確的井下溫度和壓強測量對于油井監測等都具有重要的作用。油田投入開發后，隨著開采時間的增長，油層壓力不斷下降，地下原油大量脫氣，粘度增加，油井產量大大減少，甚至會停噴停產\\。為了彌補原油采出后所造成的地下虧空，保持或提高油層壓力，實現油田高產穩產，利用注水井把水(或者氣)注入油層，以補充和保持油層壓力。然而采取這些操作時一定要在對井下條件有全面了解之后才能進行。在傳統的測量井溫過程中，使用了紅外測溫儀、紅外熱成像儀、溫度傳感器陣列等，但由于井下環境對測試儀器產生很大的影響，容易造成測試誤差，且對于溫度場的測量有很多不足\\。油井高溫高壓測量變送儀中溫度傳感器采用熱電偶，熱電偶具有耐高溫，精確度高的優點。壓強傳感器采用藍寶石壓力傳感器，以耐溫耐壓外殼封裝，保證在惡劣環境中能正常工作，在一次下井的過程中就完成對不同深度溫度和壓強的測量、存儲和處理，而且本儀器在保證測量精度的條件下采用了盡量簡單的方法，儀器直接進入油層中進行測量，省去了中間的傳輸介質，以免造成不必要的失真。井上控制部分和手持終端則實現了信息的對接、處理及存儲，能夠精確地對溫度及壓強進行測量。

1 硬件系統構成

1.1 系統組成

系統由微控制器、溫度傳感器、壓強傳感器、模/數轉換器、時鐘、存儲器、電源以及耐壓耐高溫外殼等部分組成。油井溫度在150 ℃范圍內，選用熱電阻PT1000作為溫度傳感器，它具有耐高溫，靈敏度高，壽命長，經濟的特點\\。采用恒流源驅動測量方式，具有穩定性好，靈敏度高，精度高等優點。壓強傳感器采用藍寶石壓力傳感器，壓強為30 MPa以下，溫度信號與壓力信號經過放大電路放大，由微處理器片內兩路10位A/D轉換器轉換為數字量進行存儲處理，MCU微處理器選用PIC16F876單片機，將所需數據以及當前時刻相關聯，輸出到存儲器保存，具有體積小，功耗低和內高溫，工作穩定等特點，系統總框圖如圖1所示。

1.2 恒流源驅動

由于溫度對集成運放參數影響不

如對晶體管或場效應管參數影響顯著，

由集成運放構成的恒流源具有穩定性更好，恒流性能更高的優點，尤其在負載一端需要接地的情況下\\。采用雙運放恒流源驅動PT1000，如圖2所示。其中，放大器U1構成加法器；U2構成跟隨器，U1，U2均選用低噪聲、低失調、高開環增益雙極性運算放大器OP07。設圖2中參考電阻R5上下兩端的電位分別為Va和Vb，Va即為同相加法器U1的輸出，當取電阻R1=R2，R3=R4時，則Va=VREF+Vb，故恒流源的輸出電流為:

該雙運放恒流源具有負載可接地，當運放為雙電源供電時，輸出電流為雙極性，恒定電流大小通過改變輸入參考基準VREF或調整參考電阻R5的大小來實現，很容易得到穩定的小電流和補償校準。由于電阻的失配，參考電阻R5的兩端電壓將會受到其驅動負載端電壓的影響，從而會影響恒流源的穩定性。顯然這對高精度的恒流源是不能接受的。所以R1~R4這4個電阻的選取原則是失配要盡量的小，且每對電阻的失配大小方向要一致。采用精密電阻進行篩選，選出其中阻值接近的4個電阻。

1.3 信號采集

本系統所需恒流源要具有輸出電流恒定，溫度穩定性好，輸出電阻很大，輸出電流小于0.5 mA，負載一端接地，輸出電流極性可改變。選用儀表芯片AD620進行信號放大。采用OP07進行進一步放大，并送入片內10位A/D轉換器，溫度放大電路如圖3所示。壓力信號采集采用藍寶石硅晶體，電路如圖4所示，選用AD623進行進放大，信號經過放大進入PIC單片機內部10位A/D轉換器。

2 系統軟件處理

2.1 軟件補償

擴散硅壓力傳感器以其獨特的優點而獲得了廣泛的應用，但因其熱靈敏度漂移的存在而降低了精度，影響了它在溫度變化較大情況下的使用。對擴散硅壓力傳感器熱靈敏度漂移的補償方法主要有軟件補償\\。由于該系統為閉環控制系統采用PID控制算法。由于該系統降溫部分采取PWM作為控制量，升溫部分把電壓

2.2 程序框圖

系統下位機流程圖如圖5所示。

3 結 語

本系統設計包括了前端弱信號檢測和放大調理、濾波、溫度和壓力補償、單片機數據采集處理和存儲等功能，同時開發相應上位機處理軟件和終端系統，在測井模擬實驗室進行測量實驗。結果表明，系統長期運行穩定，溫度和壓力精度較高，完全適合現場油井測試的應用。