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(jìn)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(guò)中間介質(zhì)進(jìn)行傳導，可實(shí)現較小誤差。恒流源驅動(dòng)方式使采集前端信號工作穩定，采用時(shí)間同步的方式將采集信號與深度關(guān)聯(lián)，數據分析時(shí)能夠繪出溫度壓強隨油井深度變化的曲線(xiàn)，實(shí)現精確測量，掌握地層分布規律。
關(guān)鍵詞：PT100；高溫度；壓力測量；恒流源

0 引言
在開(kāi)采石油的過(guò)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(kāi)發(fā)后，隨著(zhù)開(kāi)采時(shí)間的增長(cháng)，油層壓力不斷下降，地下原油大量脫氣，粘度增加，油井產(chǎn)量大大減少，甚至會(huì )停噴停產(chǎn)。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(shí)現油田高產(chǎn)穩產(chǎn)，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(shí)一定要在對井下條件有全面了解之后才能進(jìn)行。在傳統的測量井溫過(guò)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(huán)境對測試儀器產(chǎn)生很大的影響，容易造成測試誤差，且對于溫度場(chǎng)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(yōu)點(diǎn)。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(huán)境中能正常工作，在一次下井的過(guò)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(jiǎn)單
的方法，儀器直接進(jìn)入油層中進(jìn)行測量，省去了中間的傳輸介質(zhì)，以免造成不必要的失真。井上控制部分和手持終端則實(shí)現了信息的對接、處理及存儲，能夠精確地對溫度及壓強進(jìn)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(shí)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(cháng)，經(jīng)濟的特點(diǎn)。采用恒流源驅動(dòng)測量方式，具有穩定性好，靈敏度高，精度高等優(yōu)點(diǎn)。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(jīng)過(guò)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(jìn)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(shí)刻相關(guān)聯(lián)，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(diǎn)，系統總框圖如圖1所示。

1．2 恒流源驅動(dòng)
由于溫度對集成運放參數影響不如對晶體管或場(chǎng)效應管參數影響顯著(zhù)，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(yōu)點(diǎn)，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(dòng)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(kāi)環(huán)增益雙極性運算放大器OP07。設圖2中參考電阻R5上下兩端的電位分別為Va和Vb，Va即為同相加法器U1的輸出，當取電阻R1=R2，R3=R4時(shí)，則Va=VREF+Vb，故恒流源的輸出電流為：
I=(Va-Vb)／R5=VREF／R5 (1)
該雙運放恒流源具有負載可接地，當運放為雙電源供電時(shí)，輸出電流為雙極性，恒定電流大小通過(guò)改變輸入參考基準VREF或調整參考電阻R5的大小來(lái)實(shí)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R5的兩端電壓將會(huì )受到其驅動(dòng)負載端電壓的影響，從而會(huì )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(gè)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(jìn)行篩選，選出其中阻值接近的4個(gè)電阻。