CN102140912B - 一种智能井井下监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能井井下监控装置，包括在各油气产层上设置的压力、温度、位移传感器，包括采集、通讯、控制在内的电路短节，以及电缆以及电缆保护管线；各传感器与电路信号连接，位移传感器的自由滑杆端连接在滑套上；电路短节与电磁换向阀连接，电磁换向阀与控制滑套开启程度的液压缸相连；电路短节采集压力、温度以及位移信号，接收地面指令，完成产层与地面，以及地面与地面之间的通讯，发出定时脉冲驱动电磁换向阀动作，控制滑套的开启。本发明主要完成油道滑套开启度反馈、油气层的压力、温度监测，以及按地面生产调整指令来控制井下电磁换向阀动作，实现对滑套开启度的调整，达到井下油气层状态监测和生产调控的目的。

Description

一种智能井井下监控装置

技术领域

本发明涉及石油、天然气井生产过程中用于油气层状态监测和生产调控的装置，特别是关于一种能够实时采集产层的压力、温度，并实时监测和调整井下滑套的开启度，调节生产的智能井井下监控装置。

背景技术

智能井的主要特征在于对产层流体的实时监测和控制能力，通过在产层安装永久监测装置和可遥控的层间控制阀来实现。智能井系统对产层状态进行实时监控，为油藏管理提供依据。这种实时监控装置能提供连续的产层流体的压力、温度、流量等基本参数，有利于为油藏优化提供依据；从地面通过控制设备将生产控制指令输送到井下，改变一个或多个产量控制工具的开启度或启闭，从而达到油藏管理的目的。

可调节控制阀是实现智能井井下流量控制的核心部件，目前，用于智能井系统的调节阀可分为有级和无级两类，有级调节阀的位置可以由机械结构或装置来确保位移的准确性；而对于无级调节阀，则需要引入位置反馈，方法有两种：一种是通过在地面监测液压管线的回油量来确定阀门的位移量，另一种是在井下安装位移传感器来监测阀门位移量。国外的智能井系统大多采用第一种位置反馈的方法，此方法的前提条件是确保管线不出现漏油。

滑套运动是由液压缸直接驱动的，而液压缸的行程由液压油的注入量来决定。控制注入液压缸的液压油注入量就等于实现了对滑套开启度的控制。液压元件的比例流量控制在工业领域已经是成熟的技术，如PID控制等，但很难用于井下环境。限于井下空间小、温度、压力变化大等特点，现有的工业级的液压控制元件均不可直接用于井下。智能井系统需要可靠性高的控制执行元件，工业级比例流量阀其控制元件有较复杂的控制电路单元，不利于井下高温环境下保持其长期可靠性。因此，在满足控制精度的同时，尽量减少控制电路的复杂性，有利于提高可靠性和降低开发成本。

发明内容

为了解决普通工业级流量阀其控制元件不能直接应用于井下的问题，本发明的目的是提出一种适应于井下温度、压力和尺寸空间限制的智能井井下监控装置，通过该装置可实现对产层流体状态的实时监测和生产调控。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种智能井井下监控装置，连接在滑套类井下液压执行单元上，其特征在于：包括在各油气产层上设置的各传感器和电路短节，所述各传感器包括压力传感器、温度传感器以及位移传感器，所述各传感器与电路短节电连接及信号连接，并且所述位移传感器的自由滑杆连接在滑套上；所述电路短节与电磁换向阀控制连接，所述电磁换向阀与控制滑套开启程度的液压缸相连；所述电路短节以单片机为核心，包括采集电路、控制电路和通讯电路，其中所述采集电路完成压力、温度以及位移信号的分时采集；所述控制电路接收地面指令，发出定时脉冲驱动电磁换向阀动作；所述通讯电路完成产层与地面，以及地面与地面之间的通讯。

所述单片机中集成有多路12位A/D转换器，对各传感器信号进行分时采集，并把多次采集的值进行平均值运算，利用软件进行数字滤波处理，采集的方式有自动分时轮采，以及按应答模式采集两种，采集的方式由上位机发指令选择。

所述单片机根据上位机指令输出定时脉冲，控制功率管的导通，为换向阀提供动作所需要的电流，单片机输出的脉冲根据软件设定。

所述电路短节中含DC/DC模块，为各电路和传感器提供+5V、+12V电源，所述电磁换向阀的24V直流电直接由电缆提供。

所述电路短节采用CAN总线与地面进行一主多从长距离通讯。

所述电路短节和传感器整体固定在井下工具上，下入到套管与油管的环空之中，所述压力传感器连接在井下工具上。在电路短节的上端引出接铠装电缆，下端引出各传感器的电源线及信号线，与各传感器相连。在所述电路短节的下端设置三通接头，三通接头与电缆保护管连接，电缆保护管通过连接头与各传感器连接，在三通接头及电缆保护管的内部封装各传感器的电源线及信号线。

所述温度传感器可集成在电路短节上，也可与所述压力传感器、位移传感器一样，与电路短节分装。

电缆保护管通过连接头与各传感器连接处使用密封圈密封加强密封效果，所述电缆保护管为金属软管，长度和弯度可调。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明采用电磁换向阀控制液压缸的注入量，通过油量控制滑套的行程，进一步控制井下过油通道的开启度，从而实现产层流体的实时监测。上述整个过程为一闭环控制，首先，由位移传感器感应滑套的位置，传递给井下电路短节(含微控制器)，井下电路短节与地面主机通讯，由地面主机发出调控命令，控制电磁阀通断时间，从而调整滑套的开启度，位移传感器继续测量滑套的位移。这一井下闭环控制，反应快，控制准确；采用井下电磁换向阀代替井下伺服阀或比例阀，降低了使用要求，提高了系统可靠性。同时，在电路短节上连接压力传感器和温度传感器，也能根据井下温度和压力的情况下控制电磁阀的通断。

附图说明

图1是传感器及井下电路整体连接图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明是针对滑套类井下液压执行单元而提出的一种智能井井下监控装置，通过对井下电磁换向阀通断时间的精确控制，来控制井下液压缸液压油的注入量，从而控制井下滑套的行程，进一步控制井下过油通道的大小，达到控制油层产量的目的。电磁阀通断时间可以方便的由井下电路中的控制器确定，在滑套端加装位移传感器来准确监测滑套的位移，位移传感器把滑套位移量反馈至井下控制器，控制器接收地面传送来的调整指令控制井下电路调整滑套开启度，实现对井下滑套开启度的闭环控制。

因此，装置中包括在每一产层上设置的传感器和电路短节的组合，根据需要进行监测和控制的油气层数，对井下电路短节进行编址，把程序下载到对应的各个单片机中。传感器包括压力传感器、温度传感器以及位移传感器，通过线缆保护管与电路短节连接在一起。电路短节以单片机为核心，包括采集电路、控制电路和通讯电路。其中，采集电路完成压力、温度以及位移信号的分时采集；控制电路在接收到地面调整指令后，发出定时脉冲至功率管驱动电磁换向阀动作，电磁换向阀安装在滑套液压执行单元上，电磁换向阀导通后，液压油被注入油缸，推动滑套移动，通过对电磁换向阀通断时间的精确控制，来控制液压油的注入量，从而控制滑阀开启度，位移传感器把位移量反馈至单片机，实现对滑套开启度的闭环控制；通讯电路完成产层与地面，以及地面与地面之间的通讯，考虑到产层数以及通讯距离，采用CAN总线来实现一主多从的长距离通讯。

单片机中集成有多路12位A/D转换器，对三路传感器信号进行分时采集，并把多次采集的值进行平均值运算，利用软件进行数字滤波处理。采集的方式可有自动分时轮采，以及按应答模式采集两种，采集的方式可由上位机发指令来选择。

电路短节由电缆提供电源，单片机根据上位机指令输出定时脉冲，控制功率管的导通，为换向阀提供动作所需要的电流。单片机输出的脉冲可根据软件灵活设定，可以精确到毫秒级，一次调整指令下达后，单片机先控制电磁阀动作，位移传感器反馈滑套位移量，然后再次补偿动作，通过多次调整达到控制效果，实现对滑阀开启度的闭环控制。

电路短节内集成有CAN总线控制器，外接上收发器芯片，在软件的控制下就可以实现通讯。地面主机与井下从机之间采用CAN总线协议进行通讯，同时也作为地面的实时数据采集与监视控制系统(SCADA)的从机通过串口上传井下生产数据，以及向井下下达生产调整指令；PC机端利用监控组态软件来实现对整个过程的监测和控制，整个地面设备可选用现有技术常规使用的设备操控，地上与井下之间的通讯也为常规通讯方式，在此不做赘述。

如图1所示，整个装置的井下连接部分具体是这样实现的：位移传感器1、压力传感器2分别通过连接头5与电缆保护管6连接至电路短节4；温度传感器3较小，可以集成在电路短节4上，也可以像位移传感器1、压力传感器2那样与电路短节4独立连接(图1中所示为集成在电路短节4上)。电路短节4的上端由四芯航空插头或连接头引出接铠装电缆，包括电源线和信号线；电路短节4的下端连接三通接头，与电缆保护管6连接。电缆保护管6向左、向右分别通过连接头5与压力传感器2和位移传感器1连接。在三通接头内部和电缆保护管6中，由电路短节4下端引出的线是这样的：由电路短节4的下端向左边引出三根线-两根电源线、一根信号线至压力传感器2，向右边引出三根线-两根电源线、一根信号线至位移传感器1。连接头5与传感器螺纹连接处使用密封圈来加强密封效果。电缆保护管6为金属软管，长度和弯曲度可调整。

由于空间因素，井下电路的供电直接采用电缆直流供电，电缆和液压管线做整体封装，包含两根信号线和一根电源线，封装的金属管壁用作电源线地线，外部有屏蔽层和绝缘层。地面电源提供高于24V的直流电，电压值根据电缆长度有不同程度的提高。电路短节中含DC/DC模块，为电子线路板和传感器提供所需的+5V、+12V电源，电磁换向阀的24V直流电直接由电缆提供，控制线由电路短节引出。

电路短节和传感器完成电气连接之后，再把整个装置固定在井下工具上放入套管与油管的环空之中。压力传感器2通过上端的螺纹连接在井下工具上，保证压力进口与液体接触。位移传感器1的自由滑杆端通过螺纹连接在滑套上，跟随滑套一起运动。各个传感器以及电路短节和一套液压执行元件同时放入套管与油管的环空中，具体放置位置由其它元件的形状和尺寸来决定。按照预先设计的地址，每一层安装对应的电路短节和传感器组。

将电路短节连接上铠装电缆，然后跟工具一起下入套管与油管的环空之中，铠装电缆还要穿越封隔器等。安装完成之后，电缆在地面接通电源，开始对井下仪器供电。电路短节上电后，单片机自动复位开始运行程序，首先初始化，然后查询工作模式，若为自动采集，则按指定周期对三路传感器信号进行分时轮采，把多次采集的值进行数字滤波，然后按周期发送至地面；若为应答模式采集，则等待通讯口指令，地面发采集指令，则响应采集，然后发送值。如果地面有调整指令发出，通讯口引起中断，单片机开始执行中断程序，首先在数据流中对比地址，若为本层地址，则接收命令，按照命令产生一定周期的脉冲输出，开启功率管驱动电磁换向阀动作；若地址无效，则放弃。

地面主机完成的功能除了与井下从机进行通讯外，还需把数据传至PC机。在PC机端由监控组态软件进行地面实时数据采集与监视控制系统(SCADA)的集成，所有数据都在组态软件中做显示、分析、处理等。

构成井下电路的电子元器件全部是军品级的高温器件，传感器及各种被动元器件选用具有良好的温度特性的元件，并且进行温度补偿。

Claims (10)

1.一种智能井井下监控装置，连接在滑套类井下液压执行单元上，其特征在于：包括在各油气产层上设置的各传感器和电路短节，所述各传感器包括压力传感器、温度传感器以及位移传感器，所述各传感器与电路短节电连接及信号连接，并且所述位移传感器的自由滑杆连接在滑套上；

所述电路短节与电磁换向阀控制连接，所述电磁换向阀与控制滑套开启程度的液压缸相连；

所述电路短节以单片机为核心，包括采集电路、控制电路和通讯电路，其中所述采集电路完成压力、温度以及位移信号的分时采集；所述控制电路接收地面指令，发出定时脉冲驱动电磁换向阀动作；所述通讯电路完成产层与地面，以及地面与地面之间的通讯。

2.根据权利要求1所述的一种智能井井下监控装置，其特征在于：所述电路短节的上端引出接铠装电缆，所述电路短节的下端引出各传感器的电源线及信号线，与各传感器相连。

3.根据权利要求2所述的一种智能井井下监控装置，其特征在于：所述电路短节的下端设置三通接头，三通接头与电缆保护管连接，所述电缆保护管通过连接头与各传感器连接，在三通接头及电缆保护管的内部封装各传感器的电源线及信号线。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种智能井井下监控装置，其特征在于：所述温度传感器集成在电路短节上，所述压力传感器、位移传感器与电路短节分装。

5.根据权利要求3所述的一种智能井井下监控装置，其特征在于：所述连接头与传感器螺纹连接处使用密封圈密封，所述电缆保护管为金属软管。

6.根据权利要求1所述的一种智能井井下监控装置，其特征在于：所述单片机中集成有多路12位A/D转换器，对各传感器信号进行分时采集，并把多次采集的值进行平均值运算，利用软件进行数字滤波处理，采集的方式有自动分时轮采，以及按应答模式采集两种，采集的方式由上位机发指令选择。

7.根据权利要求1所述的一种智能井井下监控装置，其特征在于：所述电路短节由电缆提供电源，单片机根据上位机指令输出定时脉冲，控制功率管的导通，为换向阀提供动作所需要的电流，单片机输出的脉冲根据软件设定。

8.根据权利要求1或7所述的一种智能井井下监控装置，其特征在于：所述电路短节中含DC/DC模块，为各电路和传感器提供+5V、+12V电源，所述电磁换向阀的24V直流电直接由电缆提供。

9.根据权利要求1所述的一种智能井井下监控装置，其特征在于：所述电路短节和传感器整体固定在井下工具上，下入到套管与油管的环空之中，所述压力传感器连 接在井下工具上。

10.根据权利要求1所述的一种智能井井下监控装置，其特征在于：所述电路短节采用CAN总线与地面进行一主多从长距离通讯。 

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