全电动智能井的井下参数检测方法

周星辰　于琪　姜丽萍

【摘 要】智能井技术是为了适应现代油藏经营管理和信息应用于油气藏开发而发展起来的新技术，通过生产动态的实时监测和实时控制，达到提高油藏采收率和提高油藏经营管理水平的目的。本文讨论了全电动智能井的压力、温度等井下参数的检测方法，给出了温度、压力、电机电流等井下参数的测量与信号处理电路，结合所设计的软件，构成了一个井下智能节点系统，地面实验验证了设计的可行性。

【关键词】智能井；井下参数检测；电路设计

0 前言

井下智能节点除了包括要实现井下节点间以及节点与地面通信外，还包括井下温度的测量，井下压力的测量以及电机参数的测量。智能节点的作用就是要实现这些物理量的测量并将测量值传送到地面。地面将数据处理后再送出控制信号给井下智能节点来实现对井下流体的控制。

1 总体方案设计

全电动智能井井下参数检测系统由压力传感器、温度传感器、电机参数检测模块、各信号处理电路、井下CPUA/D转换等部分组成，其系统结构设计如图1。

2 井下参数检测方法

2.1 温度检测方法与信号处理

热电阻的阻值会随着温度的变化而改变，在一定温度范围内，温度与阻值呈线性化关系。Pt1000铂热电阻是比较常用的一种温度传感器，其测温范围-70～450（℃），其在0℃时阻值为1000欧姆，在300℃时它的阻值为2120.515欧姆。井下温度一般为100℃～200℃之间，故选用Pt1000铂热电阻作为井下温度检测传感器是合适的。

依据热电阻的特性，如果通过此热电阻的电流恒定，那么，电阻两端的电压将和被测温度呈线性关系。因此，测温电路设计的核心是为热电阻提供恒流源。另外，为了使电压信号与AD转换器件的输入范围匹配，输出电压须用运放将其放大到0到5V之间，电路设计如图2所示。

2.2 压力检测方法

考虑到井下空间有限，需尽量选择体积小的传感器，故选用MPS30H系列压力传感器来测量压力。该传感器采用MEMS（微机电系统）技术制造，利用压阻效应将待测压力信号转换成电压信号。

根据MPS30H压力传感器的技术资料，该传感器的内部实际上是一个电桥，传感器引出的四根引线分别是传感器的供电（+、-）和信号（V+、V-），对于这种典型的电桥电路，可采用集成运放来作信号处理，电路设计如图3所示。

电路图中P_OUT为通过集成运放处理后的输出信号，左边为压力传感器等效电路。

电路中，电阻R21、R22、R24用来调整信号的放大倍数。放大倍数由未经放大的原始信号和目标信号的大小来确定。

将所选的压力传感器接在压力器上打压至量程值50MPa，压力传感器的电源端加5V电源，用万用表测得输出信号的值为43mV。所选井下CPU自带的AD转换器最大可测5V的电压，实际设计正常的测量值在其测量范围的80%即4V左右。

为了便于计算，直接放大100倍，即50MPa对应输出4.3V。这里只是粗略的对应关系，具体以标准压力表校准为准。放大100倍不妨取R21=200kΩ，R22=R24=2kΩ，R25为匹配电阻，其值应该接近R21//R22的值，R25直接取2kΩ。

2.3 电机电流检测

全电动智能井系统井下节点由直流减速电机驱动阀门开关，对电机电压和电机电流进行监测，有助于我们了解电机的工作状态。

井下电机是整个智能井系统核心部件滑套阀的驱动源，为了实时获取驱动电机的工作状态，必须对电机相关参数进行监测。电机监测的参数的主要包括电压和电流。

测量的电流对象是流过电机驱动器的电流大小，而所选直流减速电机正常工作时的电流为0.6A，电机电流受负载波动（下转第49页）（上接第52页）等因素的影响，设计测量模块的量程应留一定余量。这里选用MAX471电流测量芯片，此芯片测量电流量程为3A，可测量3～36V系统的直流电流。电流转换比值为1V/A，系统满量程测量3A时输出电压为3V，刚好在AD转换的可直接转换的范围内。该芯片使用非常简单，除了提供电源外不需任何额外的元件，将RS+和RS-作为两个端点串入测量回路中即可得到电流值对应的电压输出信号。测量电路如图4（a）所示。

2.4 电机电压检测

测量的电压对象是电机驱动模块的电源电压即24V，系统中所用的井下CPU自带的AD转换器可转换的电压范围为0～5V，所以24V的待测电压必须进行处理。这里采用两个电阻分压取样，为了防止取样电路后级的AD转换电路对取样值的影响，采用电压跟随器进行隔离，电压跟随器所用的运放还是选用压力测量系统中所用的运放LM124。具体测量电路如图4（b）所示。其中，R34和R35分别取6.8kΩ和1.0kΩ，按分压原理，分压系数为（R34+R35）/R35=7.8，故采样值经过AD转换得到的电压值乘以7.8即得到电机的电压值。

3 参数测量软件设计

根据模块的划分原则，程序设计可划分为初始化模块， A/D 转换子程序和显示子程序等，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序。主程序框图如图5。

4 结语

本文对全电动智能井井下参数测量给出了一套解决方案，并利用实验室设备进行了验证实验，实验表明所设计的电路可行。针对井下的高温高压工作环境，还需要进一步的改进、优化和严格测试，例如电路的小型化，选用高温元件以使得电路能在高温环境下正常工作。

【参考文献】

[1]姚军，刘均荣，张凯.国外智能井技术[M].北京：石油工业出版社，2011：292.

[2]宋家友.集成电子线路设计手册[M].福建：福建科学技术出版社，2002：503.

[3]何希才，任力颖，杨静.实用传感器接口电路实例[M].北京：中国电力出版社，2007：230.

[4]刘和平，郑群英，江渝，邓力，刘淑春.dsPIC通用数字信号控制器原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007：477.

[5]王瑛.分层测压技术在油田开发中的应用[D].大庆油田第七采油厂，2014.

[6]薛淑红，张静，明红.石油工业测温仪表的选型与使用讨论[D].中国石化股份有限公司中原油田分公司技术检测中心，2013.

[责任编辑：杨玉洁]