CN101539015B - 井下无线压力传输发送器 - Google Patents

Abstract

一种井下无线压力传输发送器，包括壳体，上接头和下接头，依次连接的紧锁环、内平移接头、电路板固定架、测控电路、驱动器电路、电池组以及振动信号发生器；其中测控电路为一单片机、时钟芯片以及信号调理电路构成；振动信号发生器由铽镝铁超磁致伸缩材料构成，振动信号发生器一端固定在下接头，另一端则呈自由状态。本发明实现超低功耗且输出振动信号功率大的特点，适用于抽油井动态监测信息的精确检测。

Description

井下无线压力传输发送器

技术领域

本发明属于远程电子测量技术领域，涉及一种动态监测信息发送装置，具体涉及一种井下无线压力传输发送器。

背景技术

油田在生产过程中，根据要求会对部分抽油井进行动态监测，动态监测的信息资料可以科学、全面地指导油田开发方案的调整、增产和增注措施的制定，因而油藏动态监测系统被称为油田开发的“眼睛”。

动态监测参数通常有温度、流量、含水率、压力等，目前动态监测这些参数主要通过环空测试。具体地，进行环空测井前，要在地面先安装一个偏心井口，将油管偏靠在套管的一侧，从月形环形空间中，将电缆和测试仪器下入井中，一直下到生产层段。我国的大部分油田都采用5时套管(即内径为124mm)和2时油管(最大内径为89mm)组合，油管外环形空间狭小，最大间隙只有35mm，仪器起下过程中常会遇到缠绕，甚至遇卡，操作难度大，施工不方便、费用昂贵；为了克服仪器起下困难，出现了随油管捆绑测试工艺，将测试仪器安装在抽油泵底部，传输电缆随油管起下，不但操作麻烦，而且电缆易受挤压、易腐蚀；随后还出现了油井光纤温度压力测试系统测试工艺，光纤传感器没有电子元件，数据解调由地面设备完成，光纤光缆的耐高温性能保证了系统在高温高压的环境下能持续稳定的工作，数据的直读性、系统的可靠性、测试成本等方面具有优越性。但是它的施工费用却十分昂贵，且测试参数少，很难推广使用。为方便、快速获取井下测试参数，人们还曾试图利用油管的振动信号传输特性设计开发一种仪器，通过在井下设置一振动信号发生器，利用调制、编码的方式将测试信息传至地面。目前振动发生器的实现方式主要有两种：敲击式和压电晶体式，敲击式虽然输出功率大，但输出信号频率很难控制，压电晶体式输出信号功率小，且频率难以降低。由于振动信号发生器实现方式受限，而且对油管传输特性了解的局限，传输距离不远或不稳定，一直使这一传输方式的推广受到制约。因此，目前还没有一种合适测试仪能有效地在测试抽油井的动态监测参数时，能解决实际存在的诸多技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种井下无线压力传输发送器，其具有结构简单、性能优异、使用方便的优势，有效地解决了上述技术问题，并能将井下测量信息及时、准确、方便地传至地面。

本发明的技术解决方案是：

一种井下无线压力传输发送器，包括壳体，设置于壳体两端的上接头和下接头，设置于壳体内部从上接头至下接头依次连接的紧锁环、内平移接头、电路板固定架、测控电路、驱动器电路、电池组以及振动信号发生器；所述内平移接头一侧通过螺纹与装有测控电路与驱动器电路的电路板固定架相连，电路板固定架再通过电池组固定拉杆与电池组相连，内平移接头另一侧端面安装电源开关；所述内平移接头通过紧锁环及螺栓与壳体固连；所述电路板固定架与电池组通过紧固螺母连接，所述电池组通过电池组上固定端盖和电池组下固定端盖固定，并通过电池组固定拉杆连为一体，所述振动信号发生器通过固定螺杆与下接头连接在一起，其特殊之处在于：所述测控电路为一单片机以及与该单片机连接的时钟芯片和信号调理电路构成；所述振动信号发生器由铽镝铁超磁致伸缩材料构成，所述振动信号发生器一端固定在下接头，另一端则呈自由状态。

上述单片机为低功耗单片机，所述时钟芯片为低功耗以及抗干扰强的时钟芯片，整个装置的静态工作电流小于50μA。

上述低功耗单片机为MSP430或C8051FXXX单片机。

上述低功耗以及抗干扰强的时钟芯片为SD2403时钟芯片。

上述电池组包括多个电池组；上述多个电池组之间还设置有电池组橡胶垫片。

上述电池组的电池为温度范围在85摄氏度到200摄氏度的功率型锂-亚硫酰氯电池。

上述内平移接头通过紧锁环及螺栓与壳体固连。

上述驱动器电路是H全桥集成控制电路加垂直导电绝缘栅场效应管(VMOS)的方案，其控制方式为脉冲宽度调制(PWM)控制。

上述内平移接头与测控电路之间以及振动信号发生器固定螺杆与下接头之间均设有O型密封圈。

上述振动信号发生器固定螺杆与下接头螺纹连接，振动信号能量通过该振动信号发生器固定螺杆耦合至外管到达地面。

本发明的优点在于：

(1)输出振动信号功率大，频率易于通过软件控制，适于远距离传输；

(2)整体电路采用超低功耗设计，耐高温，适于长期在井下工作；

(3)操作简便，易于使用；

(4)结构简单，工作可靠，易于制造；

(5)易于拆卸和安装，维护保养方便。

附图说明

图1是本发明结构原理示意图，其中a为内平移接头部分，b为测控电路及其驱动器电路部分；

图2是本发明的测控电路及其驱动器电路原理框图。

附图标号说明：1-壳体，2-上接头，3-下接头，4-紧锁环，5-内平移接头，6-电路板固定架，7-驱动器电路，8-电池组，9-振动信号发生器，10-螺栓，11-测控电路，12-电池组固定拉杆，13-电源开关，14-O型密封圈，15-紧固螺母，16-电池组上固定端盖，17-电池组下固定端盖，18-下接头螺纹扣，19-振动信号发生器固定螺杆，20-电池组橡胶垫片。

具体实施方式

理论和实践证明：油管柱对大于1KHz的高频振动信号的传输衰减较大，对低于1KHz的较低频振动信号则呈梳状滤波器特性，因此，应产生处于通频带内的振动信号，但由于油管长度的不规则性，最佳通频带须通过实践确定。总之，井下振动信号发生器首先应能产生特定的低频大功率振动信号。然而，传统实现方式采用的压电晶体却在这两方面都有不足之处，通过比较发现：超磁致伸缩材料伸缩应变值大，比压电陶瓷大5～8倍，能量密度高，比压电陶瓷的大10～14倍。居里点温度高，工作性能稳定。对大功率而言，即使瞬间过热都将导致压电陶瓷的永久性极化完全消失，而超磁致伸缩材工作到居里点温度以上只会使其磁致伸缩特性暂时消失，冷却到居里点温度以下时，其磁致伸缩特性又可完全恢复。因此，用超磁致伸缩材作为振动信号发生器，其性能远远高于压电晶体。

参见图1，一种井下无线压力传输发送器，包括壳体1，设置于壳体1两端的上接头2和下接头3，设置于壳体1内部从上接头2至下接头3依次连接的紧锁环4、内平移接头5、电路板固定架6、测控电路11、驱动器7、电池组8以及振动信号发生器9；内平移接头5一侧通过螺纹与装有测控电路11与驱动器电路7的电路板固定架6相连，电路板固定架6再通过电池组固定拉杆12与电池组8相连，内平移接头5另一侧端面安装电源开关13；内平移接头5通过紧锁环4及螺栓10与壳体1固连；电路板固定架6与电池组8通过紧固螺母15连接，电池组8通过电池组上固定端盖16和电池组下固定端盖17固定，并通过电池组固定拉杆12连为一体，振动信号发生器9通过固定螺杆19与下接头连接在一起；测控电路11为一型号为MSP430或C8051FXXX的单片机以及与该单片机连接的SD2403时钟芯片和信号调理电路构成；振动信号发生器9由铽镝铁超磁致伸缩材料构成，振动信号发生器9一端固定在下接头3，另一端则呈自由状态；电池组8包括多个电池组；多个电池组之间还设置有电池组橡胶垫片22，电池组8的电池为温度范围在85摄氏度到200摄氏度的功率型锂-亚硫酰氯电池，内平移接头5通过紧锁环4及螺栓10与壳体1固连；驱动器电路11是H全桥集成控制电路加垂直导电绝缘栅场效应管(VMOS)的方案，其控制方式为脉冲宽度调制(PWM)控制；内平移接头5与测控电路11之间以及振动信号发生器固定螺杆19与下接头3之间均设有O型密封圈15，振动信号发生器固定螺杆19与下接头3螺纹连接，振动信号能量通过该振动信号发生器固定螺杆19耦合至外管到达地面。

安装时先将振动信号发生器9与下接头3连接好后，再将下接头3拧入外管，注意将振动信号发生器9两根输入导线通过外管另一端拉出，准备与驱动器电路7相连，内平移接头5一侧通过螺纹与装有测控电路11与驱动器电路7的电路板固定架6相连，电路板固定架6再通过电池组固定拉杆12与电池组8相连；内平移接头5另一侧端面安装电源开关13，并根据需要安装压力传感器等。组装时先将测控电路11、驱动器电路7、电池组8分别安装、调试好，再依次将内平移接头5以及由此引出的电源开关线、传感器线等与电路板固定架6和电池组固定拉杆12连接牢固，再将驱动器电路7与振动信号发生器9通过导线连接好，接头处一定要做好绝缘，然后将这些连接好后的组件平移送入外管内，待内平移接头5与外管端面接触时，拧入紧锁环4至指定位置，通过拧入螺栓10将内平移接头5、紧锁环4、外管三者紧紧锁住，然后再将上接头2松套在内平移接头5上。现场使用时，先取下上接头，接好电源，然后将上接头2与内平移接头5拧紧，再将上接头2连接到抽油泵下面特制的筛管上，准备下井使用，现场安装简单、方便。

图2所示为井下测控电路的核心，完成井下传感信号的调理、数据采集、处理、编码、波形控制、功率驱动控制等。主要器件如低功耗单片机可以选用MSP430、C8051FXXX等，时钟芯片一定要选用低功耗、抗干扰强的芯片，如SD2403等，功率驱动电路最好采用效率较高的H全桥集成控制电路+垂直导电绝缘栅场效应管(VMOS)方案，控制方式为脉冲宽度调制(PWM)控制。该系统主要用于井下压力动态检测。所谓动态监测，就是按规定时间(每天或每周)在不关井的情况下将井下压力发送到地面，但更重要的是：在规定的时间关井，并对关井后井内流量的持续阶跃变化所导致的瞬变压力进行测量，并迅速传到地面。它的意义就在于可以根据变化的规律对油田的进一步开发作出决策。根据井下控制电路的这一工作特点，为了尽可能地降低整个系统功耗，延长使用寿命，井下电路的工作是基于时钟进行的，也就是说，单片机首先将要工作的起始时间输入井下时钟，然后让系统处于休眠状态，唯有时钟芯片工作，这时整个系统工作电流小于50μA，一旦规定的时间到，时钟芯片会发出定闹信号唤起单片机进行工作。整个系统可在井下工作一年以上，满足井下动态监测的需要。

Claims (9)

1.一种井下无线压力传输发送器，包括壳体(1)，设置于壳体(1)两端的上接头(2)和下接头(3)，设置于壳体(1)内部从上接头(2)至下接头(3)依次连接的紧锁环(4)、内平移接头(5)、电路板固定架(6)、测控电路(11)、驱动器电路(7)、电池组(8)以及振动信号发生器(9)；所述内平移接头(5)一侧通过螺纹与装有测控电路(11)与驱动器电路(7)的电路板固定架(6)相连，电路板固定架(6)再通过电池组固定拉杆(12)与电池组(8)相连，内平移接头(5)另一侧端面安装电源开关(13)；所述内平移接头(5)通过紧锁环(4)及螺栓(10)与壳体(1)固连；所述电路板固定架(6)与电池组(8)通过紧固螺母(15)连接，所述电池组(8)通过电池组上固定端盖(16)和电池组下固定端盖(17)固定，并通过电池组固定拉杆(12)连为一体，所述振动信号发生器(9)通过振动信号发生器固定螺杆(19)与下接头连接在一起，其特征在于：所述测控电路(11)由一单片机以及与该单片机连接的时钟芯片和信号调理电路构成；所述振动信号发生器(9)由铽镝铁超磁致伸缩材料构成，所述振动信号发生器(9)一端固定在下接头(3)，另一端则呈自由状态。

2.根据权利要求1所述井下无线压力传输发送器，其特征在于：所述单片机为低功耗单片机，所述时钟芯片为低功耗以及抗干扰强的时钟芯片，整个测控电路(11)的工作电流小于50μA。

3.根据权利要求2所述井下无线压力传输发送器，其特征在于：所述低功耗单片机为MSP430或C8051FXXX单片机。

4.根据权利要求2所述井下无线压力传输发送器，其特征在于：所述低功耗以及抗干扰强的时钟芯片为SD2403时钟芯片。

5.根据权利要求1～4任一所述井下无线压力传输发送器，其特征在于：所述电池组(8)包括多个电池组；所述多个电池组之间还设置有电池组橡胶垫片(20)。

6.根据权利要求5所述井下无线压力传输发送器，其特征在于：所述电池组(8)的电池为温度范围在85摄氏度到200摄氏度的功率型锂-亚硫酰氯电池。

7.根据权利要求6所述井下无线压力传输发送器，其特征在于：所述驱动器电路(7)是H全桥集成控制电路加垂直导电绝缘栅场效应管(VMOS)的方案，其控制方式为脉冲宽度调制(PWM)控制。

8.根据权利要求7所述井下无线压力传输发送器，其特征在于：所述内平移接头(5)与测控电路(11)之间以及振动信号发生器固定螺杆(19)与下接头(3)之间均设有O型密封圈(14)。

9.根据权利要求8所述井下无线压力传输发送器，其特征在于：所述振动信号发生器固定螺杆(19)与下接头(3)螺纹连接，振动信号能量通过该振动信号发生器固定螺杆(19)耦合至外管到达地面。