CN101285787B - 三维油藏含水率测量的智能传感阵系统 - Google Patents

Abstract

三维油藏含水率测量的智能传感阵系统，属于模拟仿真技术领域，主要涉及模拟石油的开发。该系统包含上位机1、核心控制单元2、多路选通电路3、若干的均匀放置于地质模型的砂石层10中的三维传感器阵列7、控制程序5，其特征在于：所述的核心控制单元2在控制程序5的控制下通过多路选通电路3依次选通三维传感器阵列7的各个传感器6，接收传感器6送来的数据，并将这些数据传送到上位机1。传感器对称四极排列的四极探针传感器，传感器所用电源为8档可调节的恒流源4。本案可以全面精准测量石油地质模型中砂石层10内部的电阻率情况，经过一段时间的测量，得到电阻率的变化情况，从而得到砂石层10内部油水运移规律的数据。

Description

三维油藏含水率测量的智能传感阵系统

技术领域

本发明属于模拟仿真技术领域，主要涉及模拟石油的开发。

背景技术

石油作为不可再生的宝贵资源，如何得到充分有效的开采，越来越受到人们关注。由于石油深藏在地下，因而石油在地下的存在状况和运动规律不易观察。人们设计了许多间接的方法来研究地下石油的规律，其中构造地下石油的模型是其中一种。地下石油的模型是将地下的有石油蕴藏的地质结构和地质成分用模型模拟出来。模型中石油的存在状况和运动规律的许多参数也需要探测，其中用电法勘探进行测定是一种方法，其方法是：根据电阻率与含水饱和度的近似的线性关系，设计一种数据采集系统，用于测量水驱过程中砂石层10的含水饱和度。原理为使用测量砂石层10内部不同位置的电阻率的变化的方法来测量该处的含水饱和度，在大型的模拟水驱油过程中，通过在砂石层10内部均匀放置一定数量的测量电阻率的探测器，使用它们来测量砂石层10内部的电阻率情况，经过一段时间的测量，得到电阻率的变化情况，从而得到砂石层10内部油水运移规律的数据，为研究油水运移提供另一种可行的方法。但是目前使用上述方法测定含水率的应用还不多见，即使有，也都比较简单，不仅探测器数量少，而且只有两维的分布，不能准确地探测模型中石油的存在状况和运动规律。上述的探测器可以采用四极探针传感器6，四极探针传感器6的测量原理是：在电法勘探中，把供电电极9和测量电极8置一条直线上，测量电极8在中间，供电电极9在两侧，称为对称四极排列，把四极埋入需测量的介质中，即为四极探针传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种探测器数量众多，可全面测定石油地质模型中油藏含水率的三维油藏测量的智能传感阵系统。

本发明的解决方案是：设计一种三维油藏含水率测量的智能传感阵系统，该系统包含上位机1、核心控制单元2、多路选通电路3、若干的均匀放置于地质模型的砂石层10中的三维传感器阵列7、控制程序5，其特征在于：所述的核心控制单元2在控制程序5的控制下通过多路选通电路3依次选通三维传感器阵列7的各个传感器6，接收传感器6送来的数据，并将这些数据传送到上位机1。

系统中的核心控制单元2有几种选择：1，带数字量输出的数据采集卡；2，单片机，如89C51，mega128等；3，较高级的处理器芯片，如ARM，DSP等。

系统中的传感器6为供电电极9和测量电极8置于一条直线上的对称四极排列的四极探针传感器6。该传感器的供电采用8档位可调的恒流源4。该恒流源电路4为：用一个1.8V稳压源给放大器，放大器的输出控制场效应管输出稳恒电流，该电流可通过阻值分别为0.5K，1k，5K，10k，50k，100k，500k，1M的可受核心控制单元2控制切换的8档电阻，从而输出电流值分别为3.6mA，1.8mA，360μA，180μA，36μA，18uA，3.6μA，1.8μA的8档恒定电流。

系统中的三维传感器阵列7由512个传感器6组成，因而多路选通电路3为512路选通电路。512路选通电路可以采用具有双路的8选1模拟开关CD4097B芯片组成：每两片作CD4097B为一组，其中一片CD4097B芯片输出四极探针传感器6的电压测量值，同时另一片CD4097B芯片给四极探针传感器6的恒流源电极9输入电流，从而每一组可以接8路传感器6，共需要64组CD4097B；这64组CD4097B芯片受核心控制单元2控制，通过9位的译码电路，以两个为一组分别同时选通一路传感器6。另外，512路选通电路3也可以采用单路的16选1CD4067B芯片组成：每4片为一组，每组中的4路分别接四极探针传感器6中的4个电极，其中两路接恒流源电极9，为四极探针传感器6输入电流，另外两路接电压测量电极8，输出四极探针传感器6的电压测量值，从而每一组可以接16路传感器6，共需要32组CD4067B；这32组CD4067B芯片受核心控制单元2控制，通过9位的译码电路，以4个为一组分别同时选通一路传感器6。

控制程序5每间隔20分钟对512路传感器依次测量，并将测量结果送到上位机(1)

为了不影响传感器(6)输出的准确性，传感器(6)的输出在送到核心控制单元(2)之前加接电压跟随器。

上位机(1)与核心控制单元(2)的通信通过USB或者串口连接。

上位机(1)可以采用PC机。

本发明的有益效果是：采用上述方案后，可以全面测量石油地质模型中砂石层10内部的电阻率情况，经过一段时间的测量，得到电阻率的变化情况，从而得到砂石层10内部油水运移规律的数据。

附图说明

图1是本系统的整体框图；

图2是四极探针传感器原理示意图；

图3是选用CD4097B设计的256路选通电路的示意图；

图4是采用CD4097B的16选1的单元板电路图；

图5是选用CD4067B设计的512路选通电路的示意图；

图6是采用CD4067B的16选1的单元板电路图；

图7是本系统设计的恒流源电路原理图；

图8是恒流源的档位选择器的电路图；

图9是恒流源的档位选择器的工作流程图；

图10是本系统的控制程序工作流程图。

图中，1、上位机，2、核心控制单元，3、选通电路，4、恒流源(恒流源电路)，5、控制程序，6、传感器(四极探针传感器)，7、传感器阵列，8、测量电极，9、恒流源电极(供电电极)，10、测量对象(砂石层)，11、档位选择器，12、档位电阻器。

具体实施方式

图1是本系统的一种典型方案的简化框图。整个系统由上位机1、核心控制单元2、四极探针传感器阵列7、512路选通电路3、恒流源电路4组成。512路选通电路3用来选通需要采集数据的某一路，恒流源电路4用来给探针供电，而512路的探针阵列是均匀地分布在被测对象砂石层10中的。在框图中，传感器阵列7采用四极探针传感器6来设计，核心控制单元2在控制程序5的控制下，以开关量的形式按照一定的编码输出给512路选通电路3和恒流源电路4，依次选通512路传感器中的一路，核心控制单元2通过A/D转换采集传感器6中的数据，并将测量数据计算成电阻率数据。核心控制单元2可实时地将电阻率数据传送到上位机1，也可当512路传感器的数据采集完毕后，将这一批电阻率数据传送到上位机1，上位机1根据采集的数据即可以计算出探针对应点的电阻情况，然后，根据电阻率与含水饱和度的近似的线性关系的原理，绘制出砂石层10内部的饱和度分布图。

核心控制单元2可以有几种选择：1，带数字量输出的数据采集卡；2，单片机，如89C51，mega128等；3，较高级的处理器芯片，如ARM，DSP等。这时，系统一方面可以设计为系统本身具有较大存储空间，系统将采集的数据存储在自身的存储器中，实验完毕再将数据导出，以方便分析。另一方面系统也可以设计为通过某种协议将数据实时传输给计算机(上位机1)，计算机对数据进行存储、处理。核心控制单元2通过USB或者串口将数据传输到上位机1。本实施例中核心控制单元2选用SAMSUNG的S3C44B0(ARM7)芯片，在此处使用了44B0的串口和一组I/O口以及A/D转换功能。(ARM7的使用属于通识技术，在此不给出详述电路)

图2是本系统中使用的传感器原理示意图，可采用电法勘探，即在均匀介质内插入两个电极，并在任选两点测量该两点间的电压，当供电电极9和测量电极8置于一条直线上，且测量电极8在中间，供电电极9在两侧时(如图2)，称为对称四极排列的四极探针传感器。本系统中采用四极探针传感器6，并将四个探针埋入测量对象10中(即石油地质模型的砂石层)。系统中共安装512个四极探针传感器6，512个四极探针传感器6均匀分布在模型的砂石层10中。

图3为256路选通电路3的示意图，图中采用CD4097B，其为双路的8选1模拟开关，每一片可以接8路的探针。由于采用四线法测量，实际接线时，需要使用另外一片CD4097B与第一片并联，这样其中一片接四极探针传感器6的两个电流针，另一片接四极探针传感器6的两个电压测量针，这样一个完整的4探针就接好了，而同样的图中的第2-32片CD4097B都使用同样的方法接线。而512路的选通方案只需要并联上相同的电路，另外再增加1级译码，即将图中的ABCDEFGH 8路信号并联，再增加一路信号I即可。译码电路采用74154，此为通识技术，在此不给出详述电路。图4为采用CD4097B的16选1的单元板电路，是512路选通电路3中的一个单元，512路选通电路3中共有32个这样的单元。图中ABCD为选通信号，Enable为使能信号，Vx+和Vx-为四极探针传感器6中间两探针的电压值，input和output为四极探针传感器6边上两针，直接接到恒流源4的电极上。其中ABC选通CD4097B的8路中的某一路，而D和

分别用来作为图中左右两边两片CD4097B的片选信号。图中的上下部分电阻是相同的，即具有相同的选通功能。图的最右边即为采用本文的四线法测量电阻率的四极探针传感器6，一共有16路，这里没有全部画出。NC为空，预留端子。

也可以采用图5所示的选用CD4067B设计的512路选通电路3的示意图，需要说明的是，CD4067B是intersill公司的与CD4097B同一个系列的模拟开关产品，与的CD4097B不同的是它是单路的16选1。图中所示每4片为一组，每一组按照对应的管脚相连，可以接16路的四极探针传感器6。这样经过74154译码后的电路为16×2×16＝512路。(译码电路为通识技术，在此不给出详述电路。)图6为采用CD4067B的16选1的单元板电路，是512路选通电路3中的一个单元，512路选通电路3中共有32个这样的单元。CD4067B的16路选通电路3同样有ABCD为选通信号，Enable为使能信号，Vx+和Vx-为四极探针传感器6中间两探针的电压值，input和output为四极探针传感器6边上两针，直接接到恒流源4的电极上。NC为空，预留端子。

对于输出的电压测量值Vx+，Vx-需接电压跟随器，跟随器的输出接到ARM7的A/D转换端。由于ARM的A/D端内阻是非理论上的无限大，这样就会将采样点的电压拉低。影响系统工作的准确度。而利用电压跟随器的输入电阻无穷大，输出电阻无限小的特点可以很大程度上减少这种影响。

本系统中四极探针传感器6所用的恒流源电路4如图7所示。由于砂石层10的干湿度可能变化很大，为提高精度，设计档位可调节的恒流源4。电路原理图如图7所示：input端采用一个精度为0.15％的1.8V稳压源REF3318提供，此处MOSFET采用7455，放大器使用LM324，图中的Rs为档位电阻器12，在此处使用8选1模拟开关CD4097B来设计一个8档的档位选择器11，R1-R8为不同阻值的精度超过0.1％的电阻，阻值分别为0.5K，1k，5K，10k，50k，100k，500k，1M，由ARM在控制程序5的指挥下根据实际情况来选择使用哪一路的档位电阻器12，8档电阻分别对应输出恒定的电流3.6mA，1.8mA，360uA，180uA，36uA，18uA，3.6uA，1.8uA，测量在某特定的档位下的负载两端的电压值Vx+，Vx-，通过RL＝U/I＝(Vx+-Vx-)/I即可以得到电阻值。

用CD4097B设计的8档位电阻档位选择器11的电路原理图如图8，档位电阻器12和CD4097B的连接如图所示。工作时，CD4097B的输入端CBA从000～111变化，对应的档位从第1档到第8档，有真值表如下：

CBA	通道	对应档位
			000	0	0.5K
001	1	1k
			010	2	5K
011	3	10k
			100	4	50k
101	5	100k
			110	6	500k
111	7	1M

图9为档位选择的流程图，其过程为：首先使用1M的电阻来作为分档的电阻，在此情况下，使用A/D来测量中间探针的电压差值，如果这个值大于1V，则使用该档位，如果测量值小于1V，则换为500K的电阻外接，依次类推，直到最后得到合适的档位为止。

本系统的控制程序5工作流程如图8所示。本系统中的核心控制单元2使用ARM7，上位机1采用PC机。本系统控制程序5的工作流程为：首先系统上电，程序启动。接着ARM初始化；随后测量开始：选通第1路，按照预定方案选择恒流源电路4的电阻档位；测量出第1路传感器的电压，并由此计算出模型该处的电阻率；将该数值传送到PC机。接着测量第2路，直到512路。当512路传感器全部测量并传送完毕后，延时20分钟，开始下一组数据测量。

ARM7的初始化的工作主要包括对各个端口的初始化，串口的初始化，A/D寄存器的初始化等等；时间设计上，通过选通电路3从第1路测量到第512路依次测量一遍为一个周期，周期与周期之间都间隔一定时间(20分钟)，一个周期完毕20分钟后再次从第一路开始测量数据。每一个周期中，首先输出选通的编码，待测量的电压稳定后，进行A/D采样，对采样值可以使用一定的方法进行处理后，再计算得到误差较小的结果。在一个测量过程中，ARM7通过USB口或UART口将数据传送给上位机1。

Claims (12)

1.三维油藏含水率测量的智能传感阵系统，该系统包含上位机(1)、核心控制单元(2)、多路选通电路(3)、若干的均匀放置于地质模型的砂石层(10)中的传感器构成的三维传感器阵列(7)、控制程序(5)，其特征在于：所述的核心控制单元(2)在控制程序(5)的控制下通过多路选通电路(3)依次选通三维传感器阵列(7)的各个传感器(6)，接收传感器(6)送来的数据，并将这些数据传送到上位机(1)；所述的传感器(6)为对称四极排列的四极探针传感器，该传感器包括供电电极(9)和测量电极(8)，供电电极(9)和测量电极(8)置于一条直线上，且测量电极(8)在中间，供电电极(9)在两侧。

2.根据权利要求1所述的三维油藏含水率测量的智能传感阵系统，其特征在于：所述的核心控制单元(2)可采用带数字量输出的数据采集卡或单片机或ARM或DSP。

3.根据权利要求2所述的三维油藏含水率测量的智能传感阵系统，其特征在于：所述的单片机可采用89C51或mega128。

4.根据权利要求1所述的三维油藏含水率测量的智能传感阵系统，其特征在于：所述的三维传感器阵由512个传感器(6)组成；多路选通电路(3)为512路选通电路。

5.根据权利要求4所述的三维油藏含水率测量的智能传感阵系统，其特征在于：所述的多路选通电路(3)采用具有双路的8选1模拟开关CD4097B芯片组成：每两片CD4097B作为一组，其中一片CD4097B芯片的两路接四极探针传感器(6)的测量电极(8)，同时另一片CD4097B芯片的两路接该四极探针传感器(6)的恒流源(4)的电极，从而每一组可以接8路传感器(6)，共需要64组CD4097B；这64组CD4097B芯片受核心控制单元(2)控制，通过9位的译码电路，以两个为一组分别同时选通一路传感器(6)。

6.根据权利要求4所述的三维油藏含水率测量的智能传感阵系统，其特征在于：所述的多路选通电路(3)也可以采用单路的16选1CD4067B芯片组成：每4片为一组，每组中的4路分别接四极探针传感器(6)中的4个电极，其中两路接恒流源(4)的电极，另外两路接电压测量电极(8)，从而每一组可以接16路传感器(6)，共需要32组CD4067B；这32组片CD4067B芯片受核心控制单元(2)控制，通过9位的译码电路，以4个为一组分别同时选通一路传感器(6)。

7.根据权利要求所述1的三维油藏含水率测量的智能传感阵系统，其特征在于：所述的四极探针传感器(6)的供电采用8档位可调的恒流源(4)。

8.根据权利要求7所述的三维油藏含水率测量的智能传感阵系统，其特征在于：所述的恒流源(4)是用一个1.8V稳压源给放大器，放大器的输出控制场效应管输出稳恒电流，该电流可通过阻值分别为0.5K，1k，5K，10k，50k，100k，500k，1M的可受核心控制单元(2)控制切换的8档电阻，从而输出电流值分别为3.6mA，1.8mA，360μA，180μA，36μA，18uA，3.6μA，1.8μA的8档恒定电流。

9.根据权利要求4-6中任一项所述的三维油藏含水率测量的智能传感阵系统，其特征在于：所述的控制程序(5)每间隔20分钟对512路传感器依次测量，并将测量结果送到上位机(1)。

10.根据权利要求4-6中任一项所述的三维油藏含水率测量的智能传感阵系统，其特征在于：所述的传感器(6)的输出在送到核心控制单元(2)之前加接电压跟随器。

11.根据权利要求1所述的三维油藏含水率测量的智能传感阵系统，其特征在于：所述的上位机(1)与核心控制单元(2)通过USB或者串口连接。

12.根据权利要求1或6所述的三维油藏含水率测量的智能传感阵系统，其特征在于：所述的上位机(1)采用PC机。

Images