CN103982176A - 一种电控存储式油井分层测压仪 - Google Patents

Abstract

一种电控存储式油井分层测压仪，包括密封测压机构、机械丢手机构，机械丢手机构的连接套与密封测压机构的底座以螺纹的方式实现连接和分离。还包括控制模块、单片机、传输电缆、内部电机、传动轴、定位支臂，密封测压机构还包括驱动电机、轴承轴、连杆、皮碗、压力传感器、温度传感器、流量传感器、数据存储器，控制模块接收到地面主机的测试信号后，再由单片机发出控制指令，通过压力传感器感受外界压力并采集压力数据，同时，温度传感器和流量传感器也将获取的实时数据保存到数据存储器中，完成数据采集工作。

Description

一种电控存储式油井分层测压仪

技术领域

本发明属于一种压力测试仪器，具体为一种用于油井中的分层压力测试仪器。

背景技术

随着我国油田多层系开发的不断深入，地层压力变化很大，部分储层含水逐渐上升，层间干扰矛盾突出，合层开采不能有效动用目的层。在油田注水开发后地下水线推进速度相差很大。致使油井见水时间、含水率及各分层的出力状况相差悬殊，严重时甚至非主力层出力甚微或根本不出力，多层合采时产量远低于分层开采时的产量，降低了最终采收率，从而制约了油井生产寿命，严重影响了长期稳产。因此，地层压力是油田开发过程中的一个非常重要的基础数据，它是计算地层储量和油藏动态分析的重要参数，通过比较分析地层压力的变化，评价油藏压力的保持水平和油藏开发效果，来确定油田产能。这样，油田现场迫切需要加大对油井各开采分层参数测试技术研究，及时了解掌握单层的开发动态，为油田长期稳油控水提供强有力的措施依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出了一种电控存储式分层测压仪，能实现对不同地层压力数据的采集，及时了解掌握单层的开发动态。

本发明的技术方案为；一种电控存储式油井分层测压仪，包括密封测压机构、机械丢手机构，机械丢手机构的连接套与密封测压机构的底座以螺纹的方式实现连接和分离，其特征在于：还包括控制模块、单片机、传输电缆、内部电机、传动轴、定位支臂，电控存储式油井分层测压仪由电缆投放车辆投放到油井中，地面主机的指令通过传输电缆发送到控制模块，控制模块通过单片机发出指令，在预定深度开启内部电机，内部电机带动传动轴旋转，传动轴带动定位支臂绕定位支臂销轴转动并固定在预设在油井中的配产器上，实现密封测压机构的定位，并通过传输电缆将定位信号传送到地面主机；定位成功后，地面主机发出分离指令，机械丢手机构的电机旋转，使分离套与密封测压机构的底座分离，将密封测压机构留在油井中；密封测压机构还包括驱动电机、轴承轴、连杆、皮碗、压力传感器、温度传感器、流量传感器、数据存储器，控制模块接收到地面主机的测试信号后，再由单片机发出控制指令，驱动电机运转，带动轴承轴旋转，轴承轴带动与其相连的连杆运动、挤压皮碗，使皮碗中的压力传感器感受外界压力并采集压力数据，同时，温度传感器和流量传感器也将获取的实时数据保存到数据存储器中，完成数据采集工作；到达预设时间后，控制模块给出止动信号，单片机接受指令控制驱动电机停止旋转，皮碗复位。

硬件电路以单片机为核心，设计了机械丢手电路、井下驱动控制电路、压力和流量测试电路以及串口接口电路，控制指令软件部分采用 C语言编译，实现电控存储式油井分层测压仪在油井内自主进行压力采集。

智能电控存储油井分层测压仪能够根据放置的地层不同，可以测试不同地层的压力，并能及时了解掌握单层的开发动态，缓解层间和层内矛盾，为单层的下一步和油田长期稳油控制提供强有力的措施依据。解决了随着油田多层系开发的不断深入，地层压力变化很大，部分储层含水逐年上升，层间干扰矛盾等问题，使合层开采能有效运用目的层，提高采收率，从而延长油井生产寿命，为油田的长期稳产提供有效的技术保障。本发明通过电缆车供电地面主机控制丢手部分实现定位，通过测压电机实现皮碗坐封、解封，实现任意层段压力测试，记录油井静压和流压，通过预设采集时间，最后打捞该测压仪，地面回放记录数据，分析该油井各地层压力情况。

本发明的工作原理如下：

油井单层测压仪在地面控制丢手电机，电机输出动力，传动轴转动，定位支臂张开，下放仪器，仪器定位支臂支承在配产器定位机构上，地面发出控制命令，继续转动，连接套与定位支臂座分开，丢手过程结束。整个测压部分留在井下，一定时间后，存储式测压仪控制模块输出信号，控制留在井下的测压电机，电机输出动力，传动轴转动，带动推拉杆轴向运动，推拉杆带动滑动外套运动压缩皮碗，实现测压仪坐封，压力计开始测地层压力并记录地层压力，测压结束后，控制模块再次发出信号，电机反向转动解封测压仪，下入打捞器捞出测压仪，取出压力计，读取压力数据，实现回放。

油井测试环境分析

测压仪的工作环境分为两部分：地上部分和地下部分。主要分析油井下环境压力、温度及油井尺度限制对仪器的影响。

压力分析

油田较为普遍的驱油方式是向油层内注水，对于注水驱油的这种方式，地下各层间压力是影响注水压差和油井生产压差的关键因素，同时也能通过压差参数分析出实际驱油能量大小及油藏的其变状况，尤其在不同井网、不同注采井底压力和不同的含水量，对应施加的注入水量进行分析，以满足为获得较高的原油采收率。

科研人员在全球范围内对不同地区的陆地油田的实际地层压力资料进行统计表明，地层深度每增加10m左右，地层压力随之增加0.1MPa。

油井下压力包括静液压力、上覆岩层压力、底层压力和基岩应力等。

静液压力是由井内液体自身的重力所产生的。其大小与液体自身密度和垂直高度有关。用表示静夜压力：

  

 [0013] 有时用压力梯度来描述某种物体自身的高度增加所导致的底部压力的变化情况，因此油井中的静液压力梯度可表示为：

                         

从上式可以看出，压力梯度与液体自身的密度有关，其中包括：液体自身的含盐量多少、含气量多少、环境温度情况。静液压力梯度会随着含盐量的增加而变大，相反会随着内部气体增加和温度增高而使压力梯度减小。如果是在油井的最底部，其压力值能够达到数十兆帕，因此在实际设计时必须要考虑相应的防护措施。

温度分析

地下油井温度也是影响仪器设备的一个重要的物理量，随着井深的变化，地下温度也会随之改变。通常情况下将温度随深度的变化规律称为地温剖面，定量关系可表示为：

                            

一般埋深越深处的温度值越高。高温的工作环境温度势必会对油井分层测压仪的工作产生负面的影响，导致测压仪的使用寿命缩短和安全性降低，在高温的状态下，通过刚体的热传导也会导致测压仪内的控制电路失效从而引起机械故障，严重时有可能造成不可逆的损害。

尺寸分析

油井环境内，尺寸因素是油井仪器仪表设计过程必须要考虑的因素。在对油井地下参数采集时，油井口的直径一般只有十几厘米到几十厘米之间。其受影响的程度主要取决于仪器的探测深度。

根据油田测试油井的实际情况，为满足测试要求，设计电控存储式油井分层测压仪其自身最大外直径应控制在25cm以内。由于考虑存斜井因素，仪器过长会导致其不能达到预定井深问题，这样必须考虑限制仪器的自身长度，将仪器拆分成几段，中间通过环锁实现对接，组合完成测试要求。

附图说明

图1为丢手机构机械结构图；

图2为密封测压机构机械结构图；

图3为坐封解封部分机械结构图；

图4为测压仪单片机（MCU）控制模块原理图；

图5为地层压力随深度变化曲线图。

图6为定时电路原理图；

图7为通讯模块原理图；

图8为单片机（MCU）原理图；

图9为控制软件工作流程图；

图10为电机驱动原理图；

图11为电量监测模块原理图；

图12为限流模块原理图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例的方式对本发明做进一步阐述：

如图1所示：1-连接套，2-打捞杆，3-定位支臂座，4-插板，5-插板弹簧，6-弹簧垫圈，7-定位支臂销轴，8-定位支臂，9-定位支臂扭簧。

如图2所示：10-连接轴，11-皮碗，12-皮碗压帽，13-中坐封套，14-下坐封套。

如图3所示：15-压力计外套，16-压力计，17-密封圈，18-连接轴，19-连接环，20-滑动外套，21-推拉杆，22-密封圈，23-连接体，24-传动轴，25-密封圈，26-T型垫圈，27-第一轴承，28-第二轴承，29-轴承垫圈，30-轴承垫圈，31-联轴器，32-电机防转架，33-电机外套，34-电机，35-密封圈，36-电路板接头，37-电路板座，38-电路板外套，39 -电池筒，40-电池外套。

测压仪以单片机（MCU）为核心的具体模块：

单层测压仪主要由测压仪井下自动坐封、解封控制及驱动模块、测压仪丢手控制及驱动模块、压力测试模块、地面控制主机及控制软件等部分构成。

在完成对油井测压的过程中，实现仪器在井下自动坐封、解封及对控制电机的驱动是压力采集的关键环节。其中保证完成动作指令的模块有：供电电源模块、电路保护模块、上位机通信模块、定时模块等组成：

（1）供电电源模块：对测压仪的供电由两部分供电单元组成，电压等级分别为5V和16V的电直流源，采用电池组并联方式提供电能，分别给控制模块的芯片和坐封、解封时的驱动电机进行供电。

供电模块采用以色列TADIRAN电池公司生产的TLP系列航空级电池，它克服了以往锂亚电池不能大电流放电和长期存放后受钝化后的影响弊病。即使经长期存放他它也立即响应，无需激活就能马上工作。采用两节并联方式为MCU供电，四节串联为驱动电机供电。

（2）数据存储模块：由MCU内部存储设备完成对数据保存，主要用于记录系统在地层环境温度、电源电压的变化数值、驱动电机工作时的电流及电机正、反转次数等参数。

（3）保护模块：用于判断驱动电机工作时的电流是否正常，如果电流超过额定值时，限流模块起保护作用使电机停止转动，以避免因电流过大导致电机堵住使机械损坏。

在系统的驱动电机电路中，正反转电路分别串入一组1Ω电阻和0.1uF电容的并联组合，用来采集驱动电机的电流，并在程序中限定电流值上限，将采集到的实际电机电流与限定电流进行实时对比，达到保护的目的。

（4）通信模块：用于MCU与计算机之间进行数据传输。

系统采用MAX232芯片由美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，额定工作电压为5V。主要特点：符合所有的EIA-RS-232C标准技术；有较低的功耗，工作电流在5mA；内部集成2个EIA-RS-232C驱动器。

（5）定时模块：根据工作人员提出的压力测试时间要求和压力采集数据的宽度，通过对MCU控制软件的编译完成对测压仪的坐封和解封的定时。根据测压仪坐封、解封设定的时间以及MCU在工作模式状态下完成指令动作的时间，当时钟电路上电后，RC组成的振荡器开始进行计数，完成固定时间内的信号输出。

通电后经过一段时间后，Q13引脚输出高电平，使三极管导通，此时MCU获得3.3V直流电压，进入到工作模式。MCU首先判断EEPROM地址0x00的内容与设定的坐封时间地址一致，如果一致则表示已经达到了坐封时间，此时MCU按照预定指令控制驱动电机正转完成坐封。如果没达到坐封时间，则向该地址写入0x01。此后每隔同样的时间反复进行，直到达到坐封时间。当完成坐封要求后，CD4060的Q6脚输出高电平，通过D6-D8逻辑关系实现RST-4060输出高电平触发信号，将芯片CD4060进行复位操作，Q13恢复初始状态，三极管关闭，停止对MCU供电，使单片机进入休眠状态。

经过同样的时间后，CD4060的Q13脚在次输出高电平，此时三极管导通，再次给MCU上电，MCU还是先判断EEPROM地址内容是是否与设定的解封时间地址一致，如果一致则表示达到了解封时间，MCU控制驱动电机反转实现测压仪解封动作。如果没有达到设定的解封时间，则该地址继续累加，直到与解封时所设定的地址内容相一致。

（6）电量监测模块：用于监测供电系统中5V、16V电压等级的变化情况，并判断是否能够维持测压仪的工作正常。

测压仪井下自动坐封、解封控制及驱动模块

（1）控制模块：系统采用高稳定性的MCU器件，具有耐高温、高压的特点。当测压时间达到预定时间后，定时模块输出信号指令给MCU，完成控制驱动电动机的启动和停止、采集系统的工作温度、供电电压状况、电机电流流量等。如所被监测的数据出现异常，控制模块内启动保护程序会被启动，保证测试系统正常工作进而避免仪器损坏。

（2）驱动电机：由于油井井口的限制决定了直流电机的最大外径不得大于25mm，并能够在15MPa的压力下输出扭矩达到10N·m来实现对仪器的皮碗的坐封、解封控制。

在系统中，驱动电机的硬件选用了ULN2003、1N4148二极管以及 UD2-3NU继电器的组合。ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。当MCU有信号脉冲输入到ULN2003时，脉冲信号输入端相对应的输出端即可与继电器的正电源接口形成通路，从而让继电器得电并动作，最终实现电机进行相应的正、反转运行。1N4148二极管对电路实现保护的功能。

（3）供电电源：仪器使用时应采用具有耐高温、高压、高冲击、瞬间放电量大、输出电流大的供电电源。

压力测试模块

压力测试模块由压力传感器、信号处理模块和数据存储器等构成。由于油井内的环境是一个高温、高压的环境，因此选用传感器时必须考虑传感器的温度系数和量程范围等因素。目前，广泛使用的测压传感器有应变式、压阻式、压电式及光纤式压力传感器。其中，压电式传感器的温度稳定性及动态响应都比较好，适用于对瞬态信号的测试。在这里选用了瑞士Kistler公司生产的6215型压力传感器。

机械丢手部分

电控存储式油井分层测压仪在油井下的投放与打捞主要由机械丢手和地面主机共同完成。地面控制主机能够实现电压在220V以内的调节。机械丢手电路由行程开关、限流模块、保护模块等组成。主要任务是完成对测压仪器的投放和打捞。

电控存储式油井分层测压仪的机械丢手是通过电机带动内部降速器与水平滑动丝杠完成机械调速转动，通过这样的机械结构达到将驱动电机所产生的扭矩得到增加，再借助水平轴承所产生水平方向的轴向力，旋转梯形轴承杆实现直线运动的目的。

电机丢手在结构设计主要有以下特点：

（1）整个电机带动滚珠丝杠驱动是一个能承受40MPa和150℃高温的动密封机械装置，它的受力主要来自于外部的高压和高温，它的动密封轴还承受外部的轴向压力，由于动密封轴直径很小，它承受的外部的轴向压力就会很大，在结构上需要化解这部分轴向压力，否则将会切断结构的固定螺钉，损坏丝杠和行星减速器，造成整个结构瘫痪，这样设计中思考两个可供选择的方法，一是在设计中尽量使压力处于一种平衡状态，二是利用平面轴承来化解轴向压力。由于要使压力处于对等的状态在此结构中很复杂，尺寸也会显得很长，所以不采用压力平衡的结构，而是采用了第二种用平面轴承来化解轴向受力的状况，通过平面轴承里的多个滚珠很小的接触点来分解其压力，使丝杠和减速器的轴向压力全部分解到由平面轴承来承受，通过实验验证此方法是可行的。

（2）整个驱动机构需要限位开关来控制它的行程，否则就会造成电机堵转，由于此机构减速比很大，输出扭矩也很大，一旦出现堵转，就会造成齿轮箱的损坏和滚珠丝杠的损坏，但由于结构很小，要放行程开关比较困难。通过利用其丝杠螺母的直线运动来顶开关触点，很好的解决了结构小无法放置行程开关的问题，另外在实际使用中还需要不断的调整行程的问题，这样又在丝杠螺母上加了环氧压板，可以随时调整其行程距离，既方便又可靠。

（3）在密封方面，尤其是动密封方面，使用了径向双道密封，增加了其可靠性。与单道密封相比，双道密封其万一冲垮一道，其里面还有一道，增加了其保险系数，使其在实际使用中可靠性得到了很大的加强，除了动密封，在机构外套管上还有静密封，也是采用了径向双道密封，密封圈全部采用氟橡胶材料，有效的保护了其控制线路和高温电机等元器件。

实现功能：可以实现在温度120℃、压力20MPa的环境中工作；接收地面发出的控制指令，能顺利执行完成测压定位功能；能够通过控制主机独立完成机械内部驱动电机的正向和反向旋转，并能在异常情况下，立即制动停机；

（4）如果出现输出电压、电流超过允许最大值，能够完成自动紧急停机。

软件设计

数据回放软件能提供文本、Excel电子表格或Access数据库格式数据接口；测试数据能以曲线的形式显示打印；该软件能对测压仪的坐封、解封进行可靠定制，并对定位进行可靠控制。控制界面采用VC语言编制。主要实现的功能是将单层测压仪测得的原始数据进行加工整理，然后在测量结果的基础上绘制出压力、温度等指示曲线。并将每次测量的原始数据和最终结果以图像或数据表格的方式进行预览、打印和归类保存、软件界面友好，操作简便、控制软件用于读取测压部分数据存储器中记录系统温度、供电模块的电压、通过电机的电流、电机启动次数等参数的数据。主要功能有设置通信格式、查看电机正转的数据、查看电机反转的数据、查看温度数据、查看5V电压数据、查看12V电压数据、查看文件大小等功能，可供研究人员分析测压系统在井下工作是否正常。

测压仪的具体指标如下：

（1）测压仪能够在0~120℃、压力小于30MPa的环境中稳定工作；

（2）能够在油井恶劣环境下对控制模块发出的指令稳定执行，顺利实现测压仪的测压过程；

（3）通过地面主机的电源管理功能，为机械丢手提供平稳的DC50V直流电源；

（4）坐封、解封时驱动控制电机扭矩大于6N·m，丢手驱动控制电机模块提供的扭矩大于2N·m。

（5）精度，±0.05%F.S。

在测压部分留在井下进行压力采集的工作过程中，以控制模块为核心的各个部件有序运行，保证了压力采集的顺利进行，其步骤如下：

步骤一：利用通信模块让MCU与计算机之间进行数据传输，灌入程序。在程序中，要提前设定好MCU上电到测压仪坐封之间的时间，即在测压仪组装的最后一步，电源模块安装完毕时开始，MCU就已经开始得电并计时工作。因此将设备投入到井下这段时间的操作也需要考虑在内。

步骤二：电源模块组装完毕时，定时模块就已经开始工作，以CD4060为主要器件的定时器开始计时操作。

CD4060的振荡周期为：

                       T=2.6*R_t*C_t                            

Q6引脚高电平输出时间为：

                       T_Q6=T*2⁶                              

Q13引脚高电平输出时间为：

                       T_Q13=T*2¹³                             

通电后经过一段时间后，Q13引脚输出高电平，三极管导通，此时MCU获得3.3V直流电压，进入到工作模式。MCU首先判断EEPROM地址0x00的内容与设定的坐封时间地址一致，如果一致则表示已经达到了坐封时间，此时MCU按照预定指令控制驱动电机正转完成坐封。如果没达到坐封时间，则向该地址写入0x01，此后每隔同样的时间反复进行Q6，直到达到坐封时间。当完成坐封要求后，CD4060的脚输出高电平，通过D6-D8逻辑关系实现RST-4060输出高电平触发信号，将芯片CD4060进行复位操作，Q13恢复初始状态，三极管关闭，停止对MCU供电，使单片机进入休眠状态。

经过同样的时间后，CD4060的Q13脚再次输出高电平，此时三极管导通，再次给MCU上电，MCU还是先判断EEPROM地址内容是是否与设定的解封时间地址一致，如果一致则表示达到了解封时间，MCU控制驱动电机反转实现测压仪解封动作。如果没有达到设定的解封时间，则该地址继续累加，直到与解封时所设定的地址内容相一致。

步骤三：当MCU上电后判断符合坐封或解封的次数与设定的一致时，12LE5616AD的R_Z、R_F、R_V引脚有脉冲输出，输入到ULN2003中，通过ULN2003的功能实现脉冲信号转变为电信号，让相应的UD2-3NU继电器得电并发生动作，继电器的动作最终让电机电源的开路变为闭合电路，使得坐封、解封电机进行相应的动作。

不论是电机正转或反转，用于电源电压检测的继电器都会动作，实时判断电源电压值。

限流模块也会随着电机的运行在实时检测电机运行的电流值，与程序设定值进行对比，如果电机发生堵转等情况造成电流过大时，脉冲信号将停止发送，继电器断电，电机也将停止，实现限流保护。

Claims (5)

1.一种电控存储式油井分层测压仪，包括密封测压机构和机械丢手机构，机械丢手机构的连接套与密封测压机构的底座以螺纹的方式实现连接和分离，其特征在于：还包括单片机、传输电缆、内部电机、传动轴、定位支臂，电控存储式油井分层测压仪由电缆投放车辆投放到油井中，地面主机的指令通过传输电缆发送到单片机，单片机发出指令，在预定深度开启内部电机，内部电机带动传动轴旋转，传动轴带动定位支臂绕定位支臂销轴转动并固定在预设在油井中的配产器上，实现密封测压机构的定位，传输电缆将定位信号传送到地面主机；定位成功后，地面主机发出分离指令，在单片机的控制下，机械丢手机构的电机旋转，使分离套与密封测压机构的底座分离，将密封测压机构留在油井中；密封测压机构还包括驱动电机、轴承轴、连杆、皮碗、压力传感器、温度传感器、流量传感器、数据存储器，地面主机发出测试信号后，单片机控制驱动电机运转，驱动电机带动轴承轴旋转，轴承轴带动与其相连的连杆运动并挤压皮碗，使设置在皮碗中的压力传感器感受外界压力并采集压力数据，同时，温度传感器和流量传感器也将获取的数据保存到数据存储器中，完成数据采集工作。

2.如权利要求1所述的一种电控存储式油井分层测压仪，其特征在于：机械丢手机构通过电机带动减速器与丝杠完成机械调速运动。

3.如权利要求1或2所述的一种电控存储式油井分层测压仪，其特征在于：密封测压机构采用径向双道密封的动密封结构和径向双道密封的静密封结构，其中动密封轴上设置平面轴承以分解轴向压力。

4.如权利要求1或2所述的一种电控存储式油井分层测压仪，其特征在于：通过所述的任何电机驱动的驱动机构，由丝杠螺母直线运动顶开关触点的方式控制行程。

5.如权利要求4所述的一种电控存储式油井分层测压仪，其特征在于：丝杠螺母上加设环氧压板。