CN108643892A - 一种测试用井下数据短传装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试用井下数据短传装置，本装置采用低频电磁波手段传输并将数据存储在中继器，在通过高频电磁波提取数据，在地面配套控制器实时监测数据，在线数据回放，地面解码，并控制中继器的工作状态，解决了测试井关井后无法提取数据问题。同时，本发明提供一种测试用井下数据短传装置的控制方法，通过模糊控制，来精确测试频率，更加高效地对井下数据短传进行控制。

Description

一种测试用井下数据短传装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及石油、天然气勘探测试领域，尤其涉及一种测试用井下数据短传装置及其控制方法。

背景技术

目前随着海上油气测试范围的不断扩大，时效要求的提高，面对的高温高压井况也日趋增多，但目前行业中井下数据直读系统的温度级别均无法达到高温井况的作业需求，影响了测试期间的数据获取工作。

之前使用的解决方法是将井下测试阀上接头拆除与测压测温仪器连接，这种连接方式需要将已经做完功能测试的工具拆开，然后两家不同公司生产的工具连接成一体进行作业，存在密封匹配差异，从新做功能等问题，不但加大了密封失效的风险且耽误了作业时效。且原有技术在系统的温度等级上不能满足高温井况作业。在井下管柱日益发展过程中，原有设计更是已无法满足目前最新要求的管柱设计。

发明内容

本发明提供一种测试用井下数据短传装置，该装置能在在高温高压环境里实时监控井下压力温度数据。

本发明的另一目的是提供一种测试用井下数据短传装置的控制方法，解决了测试井关井后无法提取数据问题。

本发明提供的技术方案为：一种测试用井下数据短传装置，包括：

压力计托筒，其设置在井下管柱内，用于进行井下压力信息无线通讯；

精密直读压力计，其设置在所述压力计拖筒内，用于检测井下压力和温度；

中继器，其设置在井下管柱内，用于接收并压力、温度信息，并放大为高频电磁波信号；

控制器，其设置在地面，用于接收并解码所述高频电磁波信号，并控制所述中继器、压力计托筒的工作状态。

优选的是，所述中继器和所述压力计托筒分别设有信号接收端，用于接收并发送无线信号。

优选的是，还包括：

深度测量传感器，其沿井下管柱设置，用于检测测试位置的深度。

一种测试用井下数据短传装置的控制方法，包括：

步骤一、多个精密直读压力计检测井底不同测试位置的温度和压力，分别记为T₁,T₂,T₃…T_n和P₁,P₂,P₃...P_n，计算井下测量区的平均温度T_mea和平均压力 P_mea；

步骤二、控制器采用模糊控制的方法对中继器的接收频率进行控制，将理论压强P₀与所述平均压力P_mea的压强差ΔP、理论温度T₀与所述平均温度 T_mea的温度差ΔT以及所述接收频率f转换为模糊论域中的量化等级；

步骤三、将所述压强差ΔP以及所述温度差ΔT输入模糊控制模型，所述压强差分为7个等级，所述温度差分为7个等级；

模糊控制模型输出为所述接收频率f，将所述接收频率f分为7个等级。

优选的是，所述压强差ΔP的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为20；所述温度差ΔT的模糊论域为[-1,1]，量化因子为20；输出接收频率f的模糊论域为[0,1]，量化因子为10；

输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

优选的是，还包括模糊PID控制器：

输入所述压力差、温度差的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行接收频率差补偿控制。

优选的是，所述压力差、温度差的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为20；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，量化因子为1；

所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为 [-1,1]，其量化因子为0.0001；

所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；

所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS， PM，PB}。

优选的是，所述理论温度T₀的计算方法如下：

当0≤h≤10时，

当h＞10时，T₀＝54.7ln(c₁h+1)+20(c₂h-1.05)^0.56+0.02h²+4h-20.05

其中，c₁为第一经验系数，值为0.98，c₂为第二经验系数，值为1.01，h 为测试位置的深度。

优选的是，所述理论压强P₀的计算方法如下：

其中，c₁为第一经验系数，值为0.98，c₂为第二经验系数，值为1.01，h 为测试位置的深度。

本发明所述的有益效果：本发明通过以低频电磁波手段传输并将数据存储在中继器，在通过高频电磁波提取数据，地面控制器接收、解码、控制；该发明解决了井下数据信号通讯问题，测试井关井后无法提取数据问题；本发明通过模糊控制，对中继器发射及控制器的接收频率进行准确控制，准确评估井底情况。

附图说明

图1为本发明所述的一种测试用井下数据短传装置的原理图。

图2为本发明所述的模糊控制器的输入压强差ΔP的隶属度函数图。

图3是本发明所述的模糊控制器的输入温度差ΔT的隶属度函数图。

图4是本发明所述的模糊控制器的接收频率f的隶属度函数图。

图5是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。

图6是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。

图7是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例系数K_p的隶属度函数图。

图8是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例积分系数K_i的隶属度函数图。

图9是本发明所述的模糊PID控制器的输出微分系数K_d的隶属度函数图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明主要包括：压力计托筒，其设置在井下管柱内，用于进行井下压力信息无线通讯；精密直读压力计，其设置在所述压力计拖筒内，用于检测井下压力和温度；中继器，其设置在井下管柱内，用于接收并压力、温度信息，并放大为高频电磁波信号；控制器，其设置在地面，用于接收并解码所述高频电磁波信号，并控制所述中继器、压力计托筒的工作状态。在地面配套设置有显示器，显示温度和压力数据。所述中继器和所述压力计托筒分别设有信号接收端，用于接收并发送无线信号。深度测量传感器，其沿井下管柱设置，用于检测测试位置的深度。

现有技术是井下测量单元将数据通过单芯电缆上传到井上处理单元，这就不利于关井后的数据传输。本发明中，电池为高温电池，为井下设备提供电力。压力计拖筒控制压力和温度的测量与数据的采集，然后通过电磁传输给中继器，中继器收集到低频电磁波信号后通过高频电磁波后经天线发射出去，地面的控制器接收信号，数据解码，并控制中继器和压力计拖筒的工作状态。井下压力计拖筒发射装置向中继站发送一次数据。当中继站接收到波形后，通过放大、解析、提取等手段恢复波形并分析数据。同时在中继站解析数据完成后再将数据发送给Shuttle，完成从下至上的传输。当地面需要访问或操作井下设备时，通过地面软件发送所需指令，shuttle通过解析指令发送给中继站，中继站根据具体指令内容决定下一步操作。

一种测试用井下数据短传装置的模糊控制方法，包括以下步骤：

步骤一、多个精密直读压力计检测井底不同测试位置的温度和压力，分别记为T₁,T₂,T₃…T_n和P₁,P₂,P₃...P_n，计算井下测量区的平均温度T_mea和平均压力 P_mea；

步骤二、控制器采用模糊控制的方法对中继器的接收频率进行控制，将理论压强P₀与所述平均压力P_mea的压强差ΔP、理论温度T₀与所述平均温度 T_mea的温度差ΔT以及所述接收频率f转换为模糊论域中的量化等级；

步骤三、将所述压强差ΔP以及所述温度差ΔT输入模糊控制模型，所述压强差分为7个等级，所述温度差分为7个等级；

模糊控制模型输出为所述接收频率f，将所述接收频率f分为7个等级。

本实施例中的控制器包括模糊控制器和模糊PID控制器，包括以下步骤：

步骤1：将压强差ΔP，温度差ΔT，接收频率f进行模糊处理；在无控时，压强差ΔP模糊论域为{-1，1}，其量化因子为20；所述温度差ΔT的模糊论域为{-1，1}，其量化因子为20；所述接收频率f模糊论域为{0，1}，其量化因子为10；为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，压强差ΔP和温度差ΔT分为7个等级，接收频率f分为7个等级，输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS， PM，PB}。其中，所述模糊控制器的控制规则为：

压强差ΔP一定，温度差ΔT越大，则需要增大接收频率f；

温度差ΔT一定，压强差ΔP越大，则需要增大接收频率f；

模糊控制的具体控制规则详见表一。

表一控制器接收频率f的模糊控制表

步骤2：模糊PID控制器

将第i个所述压强差ΔP和温度差ΔT的偏差e、偏差变化率ec、输出PID 的比例系数、比例积分系数和微分系数进行模糊处理，在无控时，偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为20；偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，量化因子为1；PID的比例系数K_p的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数K_i的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数K_d的模糊论域为 [-1,1]，其定量化因子为0.0001。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM， PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图2-9。其模糊控制规则为：

1、当偏差|e|较大时，增大K_p的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的K_d，通常取K_i＝0；

2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小K_p的取值，使K_i较小，选择适当大小的K_d；

3、当偏差|e|较小时，增大K_p K_i的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的K_d；当|ec|较小时，取较大的K_d；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。

表二PID的比例系数K_p的模糊控制表

表三PID的比例积分系数K_i的模糊控制表

表四PID的微分系数K_d的模糊控制表

输入第i个压强差ΔP和温度差ΔT的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数用高度法进行解模糊化，输入PID控制器进行接收频率f误差补偿控制，其控制算式为：

经实验反复确定，模糊PID控制器对接收频率f进行精确控制，接收频率f为模糊控制器的输出接收频率和PID控制器的接收频率误差补偿值的加和，使接收频率得以精确控制，使其偏差小于0.1％。

在本实施例中，所述理论温度T₀的计算方法如下：

当0≤h≤10时，

当h＞10时，T₀＝54.7ln(c₁h+1)+20(c₂h-1.05)^0.56+0.02h²+4h-20.05

其中，c₁为第一经验系数，值为0.98，c₂为第二经验系数，值为1.01，h 为测试位置的深度，单位kft；温度T₀单位^OF。

理论压强P₀的计算方法如下：

其中，c₁为第一经验系数，值为0.98，c₂为第二经验系数，值为1.01，h 为测试位置的深度，单位kft；压强单位Ib/in²。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种测试用井下数据短传装置，其特征在于，包括：

压力计托筒，其设置在井下管柱内，用于进行井下压力信息无线通讯；

精密直读压力计，其设置在所述压力计拖筒内，用于检测井下压力和温度；

中继器，其设置在井下管柱内，用于接收压力、温度信息，并放大为高频电磁波信号；

控制器，其设置在地面，用于接收并解码所述高频电磁波信号，并控制所述中继器、压力计托筒的工作状态。

2.根据权利要求1所述的测试用井下数据短传装置，其特征在于，

所述中继器和所述压力计托筒分别设有信号接收端，用于接收并发送无线信号。

3.根据权利要求1所述的测试用井下数据短传装置，其特征在于，还包括：

深度测量传感器，其沿井下管柱设置，用于检测测试位置的深度。

4.一种测试用井下数据短传装置的控制方法，其特征在于，包括：

步骤一、多个精密直读压力计检测井底不同测试位置的温度和压力，分别记为T₁,T₂,T₃…T_n和P₁,P₂,P₃...P_n，计算井下测量区的平均温度T_mea和平均压力P_mea；

步骤二、控制器采用模糊控制的方法对中继器的接收频率进行控制，将理论压强P₀与所述平均压力P_mea的压强差ΔP、理论温度T₀与所述平均温度T_mea的温度差ΔT以及所述接收频率f转换为模糊论域中的量化等级；

步骤三、将所述压强差ΔP以及所述温度差ΔT输入模糊控制模型，所述压强差分为7个等级，所述温度差分为7个等级；

模糊控制模型输出为所述接收频率f，将所述接收频率f分为7个等级。

5.根据权利要求4所述的测试用井下数据短传装置的控制方法，其特征在于，所述压强差ΔP的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为20；所述温度差ΔT的模糊论域为[-1,1]，量化因子为20；输出接收频率f的模糊论域为[0,1]，量化因子为10；

输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

6.根据权利要求4所述的测试用井下数据短传装置的控制方法，其特征在于，还包括模糊PID控制器：

输入所述压力差、温度差的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行接收频率差补偿控制。

7.根据权利要求6所述的测试用井下数据短传装置的控制方法，其特征在于，

所述压力差、温度差的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为20；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，量化因子为1；

所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；

所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；

所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

8.根据权利要求4所述的测试用井下数据短传装置的控制方法，其特征在于，所述理论温度T₀的计算方法如下：

当0≤h≤10时，

当h＞10时，

T₀＝54.7ln(c₁h+1)+20(c₂h-1.05)^0.56+0.02h²+4h-20.05；

其中，c₁为第一经验系数，值为0.98，c₂为第二经验系数，值为1.01，h为测试位置的深度。

9.根据权利要求8所述的测试用井下数据短传装置的控制方法，其特征在于，所述理论压强P₀的计算方法如下：

其中，c₁为第一经验系数，值为0.98，c₂为第二经验系数，值为1.01，h为测试位置的深度。