CN115127611A - 井筒多物理场测量器 - Google Patents

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黄鹏鹏
付加胜
郝围围
唐雷
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Abstract

本发明涉及井筒探测工具领域，公开了一种井筒多物理场测量器，该井筒多物理场测量器包括具有内腔的壳体(1)和安装于该内腔中的电路板组件(2)，该电路板组件(2)集成设置有至少两种用于测量不同物理参数的传感模块并包括沿所述内腔的延伸方向布置的多个刚性线路板(21)和电性连接至不同所述刚性线路板(21)之间的柔性线路板(22)。本发明的井筒多物理场测量器能够通过集成设置在电路板组件上的传感模块测量井筒内的至少两种不同物理参数，还通过利用柔性线路板的易弯折特性有效缩小了电路板组件的体积，使得电路微型化，使得测量工具结构更紧凑、体积更小。

Description

井筒多物理场测量器
技术领域
本发明涉及井筒探测工具，具体地涉及一种井筒多物理场测量器。
背景技术
随着油气勘探开发不断深入，钻井工程逐步向深井、超深井等领域进发，由此面临着超高温(220℃)、超高压(200MPa)、强振、腐蚀等恶劣环境条件，同时地质条件也变得愈发复杂，风险管控对于钻完井过程也显得更加重要。复杂的井下环境，特别是窄安全密度窗口等难题，导致钻完井过程中漏失、井涌、窜槽等问题频发，破坏井筒的完整性，甚至可能导致油气井的报废。
例如，温度、压力对钻井液和固井液的性能参数影响非常显著，且不同温度、压力范围内井筒流体热物性参数的响应规律也存在明显差异，而深井、超深井井筒温度压力更高、变化幅度更大。目前，超高温、超高压(220℃、200MPa)对井筒流体密度和流变性的影响规律尚不明确，超高温、超高压耦合作用下井筒流体流变模型尚欠缺，井筒流体的运动状态无法准确获取，当溢流、漏失等复杂工况发生后流体运动状态发生何种变化亦无从得知。此外，高温高压条件下固井水泥浆候凝失重特性研究不够充分，更无法为深井、超深井超高温超高压环境下的固井作业提供指导。
因此，获取井筒内准确的温度场、压力场分布及井筒流体的动力学性能等参数，对于钻完井过程中井下流体性质和施工过程风险的计算、判断和控制有着重要意义。
目前，随钻测量技术已取得显著的发展，形成了一系列成熟的产品，取得了显著的应用效果，但在超高温超高压条件下这些随钻测量工具存在温度耐受能力不足、易失效等缺陷，且为井下单点测量、维度单一。通过随钻测量工具实时获取井下工程参数是准确掌握井筒信息最有效的手段，常规随钻测量工具通常安置于近钻头处，在某一井段连续测量井底工程参数，导致其并不能在钻完井全过程中得到充分的应用。受限于随钻测量工具的单点测量特性，仅能够获得某一井深的工程参数，维度单一，无法实现深井长裸眼段井筒压力剖面的实时测量，随钻测量工具大都成本较高，一旦井下发生复杂事故可能导致设备报废，增加钻井经济成本。
目前相关市场的现有产品主要包括沙特阿美公司研制的钻井微芯片测量工具、浙江探芯科技有限公司研制的井下微芯片智能胶囊、中石化工程院研制的微芯片示踪器、宁波万由深海能源科技有限公司研制的井下测量微芯片传感器。然而，这些产品在产品体积、测量参数种类、压力测量方案等方面均存在不足。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的井筒探测工具测量维度单一、产品体积较大的问题，提供一种井筒多物理场测量器，该井筒多物理场测量器能够协同测量井筒内至少两种不同物理参数，并具有结构紧凑、体积较小等优点。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种井筒多物理场测量器，包括具有内腔的壳体和安装于该内腔中的电路板组件，该电路板组件集成设置有至少两种用于测量不同物理参数的传感模块并包括沿所述内腔的延伸方向布置的多个刚性线路板和电性连接至不同所述刚性线路板之间的柔性线路板。
优选地，各个所述刚性线路板的外周轮廓分别形成为直径不大于15mm的圆形，并且/或者，所述柔性线路板连接至所述刚性线路板的外周缘。
优选地，所述传感模块包括压力传感模块，所述壳体的内腔中填充有电性连接至该压力传感模块的PDMS复合导电材料，以能够通过该PDMS复合导电材料测量环境压力。
优选地，所述PDMS复合导电材料作为压力传感器并与所述压力传感模块形成惠斯通电桥电路。
优选地，所述PDMS复合导电材料填充为将所述电路板组件固定在所述壳体的内腔中。
优选地，所述壳体由碳纤维增强的聚醚醚酮材料制成，并且/或者，所述壳体的外周面上形成有螺旋状流道。
优选地，所述电路板组件上集成设置有主控芯片、信号连接所述主控芯片并作为时钟源的低频晶体振荡器以及根据该低频晶体振荡器对测量得数据进行时间标记的数据处理元件。
优选地，所述壳体的内腔中还设置有电连接至所述电路板组件的纽扣电池，并且/或者，所述电路板组件预留有SWD调试接口和/或串行数据传输接口。
优选地，所述传感模块包括温度传感器、磁力计、陀螺仪加速度计中的至少一种，并且/或者，所述电路板组件上集成设置有蓝牙模块。
优选地，所述电路板组件设置为能够在激活状态和待机状态之间切换。
通过上述技术方案，本发明的井筒多物理场测量器能够通过集成设置在电路板组件上的传感模块测量井筒内的至少两种不同物理参数，还通过利用柔性线路板的易弯折特性有效缩小了电路板组件的体积，使得电路微型化，使得测量工具结构更紧凑、体积更小。
附图说明
图1是根据本发明一种优选实施方式的井筒多物理场测量器的总体架构示意图；
图2是图1中井筒多物理场测量器的电路板组件的结构示意图；
图3是图1中井筒多物理场测量器的压力传感模块的电路图；
图4是图1中井筒多物理场测量器采用的PDMS复合导电材料的测压原理和效果示意图；
图5是本发明的井筒多物理场测量器的封装过程示意图；
图6是图1中井筒多物理场测量器的壳体的外形图。
附图标记说明
1-壳体；11-螺旋状流道；2-电路板组件；21-刚性线路板；22-柔性线路板；3-PDMS复合导电材料；4-纽扣电池。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
参照图1和图2所示，根据本发明一种优选实施方式的井筒多物理场测量器，包括具有内腔的壳体1和安装于该壳体1内的电路板组件2，该电路板组件2集成设置有至少两种用于测量不同物理参数(如温度、压力、动力学、地磁场)的传感模块，并包括由柔性线路板22电性连接的多个刚性线路板21。其中，壳体1可以具有大体呈圆柱形的外轮廓和内腔，多个刚性线路板21沿内腔的延伸方向布置在该内腔中。
由此，本发明的井筒多物理场测量器能够通过集成设置在电路板组件2上的传感模块测量井筒内的至少两种不同物理参数，还通过利用柔性线路板22的易弯折特性有效缩小了电路板组件2的体积，使得电路微型化，使得测量工具结构更紧凑、体积更小。相较于现有同类的微芯片工具在微型电路中所采用的单电路板设计，本发明所设计的微型内核系统采用软硬电路板分板结合的方式，电路板组件2可以由三个圆形刚性线路板(如直径为10mm)和两个柔性线路板组成，其中，刚性线路板上可以分别布置有功能不同的MEMS传感器及其辅助电子元件，不同刚性线路板之间通过柔性线路板连接，这不仅使得微芯片工具能够实现多物理场(温、压、磁、动)的协同测量，同时还可利用柔性线路板的易弯折特性有效缩小微型电路的体积，能够使得整个微芯片测量工具变得更加紧凑。由于多物理场测量的需求，微型芯片工具所搭载的传感器数量较多，并且每个传感器都要配备辅助电路，使得整个集成电路板的排布变得异常复杂，通过本发明的上述设置，能够方便地在电路板组件上布置一套完整的多物理场(温、压、磁、动)协同测量电路，实现多物理场测量。电路板组件中各部分的协调配合使用可以提高参数测量的准确性并提高数据传输的稳定性和抗干扰性，电路中的滤波部分可以滤除信号传输过程中的高低频噪声、提高信号质量，电路中的静电保护元器件可有效防止芯片被意外破坏。
正如前述，壳体1可以形成有具有一定延伸长度的内腔，该内腔可以形成为具有圆形或其他形状(如正方形)的横截面。为了充分利用壳体1内的空间，电路板组件2中的各个刚性电路板21的外轮廓可以分别形成为直径不大于15mm(如10mm)的圆形。另外，为了便于实现电路连接，柔性线路板22可以连接至刚性线路板21的外周缘处。
在井筒作业环境下，尤其是特深井钻探工况中，压力参数为需要测量和监控的重要参数之一，由于压力较高，普通测量工具较难准确、可靠地测得井筒内的压力，其中的压力传感器往往设计的较为复杂。为此，在本发明一种较为优选的实施方式中，电路板组件2可以集成设置有压力传感模块，且壳体1的内腔中填充有电性连接至该压力传感模块的PDMS复合导电材料3，如图3至图5所示，以能够通过该PDMS复合导电材料3测量环境压力。针对现有同类微芯片工具中压力传感器结构复杂、灵敏度差等缺陷，本发明的井筒多物理场测量器可采用高导电多孔PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料作为压力传感媒介，可以通过在材料制备时对导电物掺入浓度、分布方式以及孔结构的设计，使得该材料的电学性能够对于大幅度的压力变化做出线性反馈，将该材料填充在壳体1内部并将其与电路板组件2中的压力传感模块连接，能够实现在超高温环境下对超高压力的灵敏感知，从而实现对超高压力的精确测量。如图3和图4所示，采用发泡法制备高导电的多孔PDMS材料作为压力传感媒介，通过对导电物掺入浓度、分布方式以及孔结构的设计，使得该材料的电学性能对于大范围的压力改变呈现线性反馈，从而实现对超高压环境的灵敏感知。将高导电多孔PDMS材料压力传感媒介的电学性能变化引入电路板组件的惠斯通电桥中，在经过信号放大器放大后可将其传递到微处理器的ADC采集通道进行信号采集，并将此数据保存在微处理器的内置Flash中。
图5示出了本发明的井筒多物理场测量器的封装过程，可以首先将电路板组件2等排列在壳体1的内腔中，进而向该内腔中浇注PDMS复合导电材料3，使得电路板组件2等由该PDMS复合导电材料3固定在壳体1的内腔中，然后在壳体1的开口部分浇注壳体材料，形成外层保护膜。
除了上述压力传感模块外，传感模块还可以包括温度传感器、磁力计、陀螺仪加速度计中的至少一种。
在上述井筒多物理场测量器中，壳体1可以由耐温耐压的高分子材料制成。在本发明一种优选实施方式中，壳体1可以由碳纤维增强的聚醚醚酮(PEEK)材料制成。高分子外壳具有有耐高温、耐腐蚀、力学性能好的突出特点，可以较好地保护内核系统使得微型芯片工具能够适应井下复杂环境。壳体1上可以预留有激活接口和数据传输接口。
图6示出了本发明一种优选实施方式的井筒多物理场测量器的壳体1，其中，该壳体1的周面上形成有螺旋状流道11，由此，能够提高微型芯片工具在井筒中的姿态稳定性与运动高效性，这些螺旋状流道11用以引导微型芯片工具周围钻井液的流向。通过流固耦合仿真分析与实验测试，该螺旋状流道11能够提高微型芯片工具在流体中的水动力学性能。
进一步地，本发明可以在电路板组件2上集成设置有蓝牙模块，由此，相较于现有同类的微芯片工具无法简单且快速地对其进行入井前测量功能完整性检测，本发明可在下井前对微芯片工具的测量性能进行快速检测并将检测结果通过蓝牙传回上位机。
为了实现各类物理参数测量和存储等，电路板组件2上可以设置有各类功能性元器件，例如，可以集成设置有主控芯片、信号连接所述主控芯片并作为时钟源的低频晶体振荡器以及根据该低频晶体振荡器对测量得数据进行时间标记的数据处理元件。
如图1所示，壳体1的内腔中还可以设置有电连接至电路板组件2的纽扣电池4，由此通过内核电路中的电源接口为整个微型芯片工具提供稳定的电能。
为了方便对芯片工具进行调试检测、数据传输和入井前检查，所述电路板组件2还可以预留有SWD调试接口和/或串行数据传输接口。
电路板组件2设置为能够在激活状态和待机状态之间切换，被激活之前，芯片将一直处于超低功耗的关机模式，全部测量结束后芯片工具将再次进入低功耗模式。由于关机模式是芯片的一种最低功耗模式，因此可以大幅降低供能电池的能量消耗，进而延长微型测温芯片工具的测量时长。
本发明提供的上述井筒多物理场测量器可应用于石油、天然气钻完井与天然气水合物钻采等领域，对超高温超高压(220℃、200MPa)环境下的全井筒多物理场(温、压、动、磁)进行协同测量，帮助现场工程人员及时了解井下情况，提前预警溢流、漏失等复杂，为及时调节井筒压力或井下流体性能提供支撑。该井筒多物理场测量器能够在钻采过程中实现快速、连续、低成本的多物理场协同测量，对于微型芯片工具的研发成功具有至关重要的作用。通过上述不同技术手段的使用，本发明与现有产品相比在能耗控制、存储能力、电路稳定性等方面均具有一定优势。
以下对本发明一种优选实施方式的井筒多物理场测量器及其工作原理和优点进行示例性说明：
电路板组件中的主控芯片选用超低功耗的微处理器，其基于
Figure BDA0003703054240000081
-M4并具有FPU内核，在具有强大运算处理性能的同时能保持尽可能小的动态功耗，同时具有运行模式、低功耗运行模式、睡眠模式、低功耗睡眠模式、停止模式、待机模式和关机模式七种主要的低功耗模式。该微处理器得益于其内置内部稳压器和电压缩放，即使外部供电电压发生较大幅度的变化，其仍能在维持性能不变的状态下保持尽可能小的能量消耗。
微处理器作为微型芯片工具的核心控制中心与数据处理中心，可以进行数据接收、存储、分析、传送与模数转换，其内置1MB的Flash存储单元，可以用来接收传感器测量到的温度、压力、动力学(加速度、角速度)以及地磁场数据，并为接收到的全部数据打上时间标签，然后将数据保存到其内置Flash中，在与上位机建立连接之后将采集到的全部数据传输给上位机进行分析处理。
内核电路中的测温电路所采用的温度传感器为低功耗的高精度数字温度传感器，其通过I2C总线与微处理器间进行通讯与数据传输。该传感器能够测得高达220℃的超高温度并提供16位的温度结果，其分辨率为0.0078℃，精度高达±0.1℃，同时具有封装尺寸小、功耗低的显著特点。测温电路中配合5KΩ的上拉贴片电阻，可以将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，同时起限流作用，防止电流过大而烧毁温度传感器。
内核电路中的动力学信号测量电路所采用的运动传感器为高精度六轴陀螺仪加速度计传感器，其采用外部精确的RTC参考时钟，可以消除时序误差，内嵌高分辨率的模数转换器，可以大幅提高MEMS陀螺仪和MEMS加速度计的分辨率，并通过内部可编程的数字滤波器进一步提高数据精度。陀螺仪加速度计传感器与微处理器间通过I2C总线进行控制命令收发与数据的快速传输。
内核电路中的地磁信号测量电路所采用的磁力计为三轴数字磁传感器，其具有广泛的动态测量范围、高速的数据输出速率、超低的磁滞特性、超低的灵敏度温度漂移和超低的温度漂移特性，并能够通过内置的倾斜补偿、横轴补偿和噪声抑制算法进一步提高数据的准确度。磁传感器通过I2C总线与微处理器进行通讯与数据传输。
电路板组件搭载有低功耗的蓝牙模块，可以与上位机间进行无线数据传输，并可以利用蓝牙对微型芯片工具进行入井前的测量功能完整性检查，确保芯片工具测量功能正常并有充足的电量。
内核电路中的供电电源选用氧化银耐高温微型纽扣电池，该纽扣电池的直径为9.5mm、厚度为2.7mm、电池容量为53mAh，不仅具有较小的整体尺寸还有着相对较大的电池容量，同时其在放电过程中，电压对放电时间的曲线非常平坦，能够维持相对稳定的供电电压，使得内核系统中的各个传感器测量模块维持稳定高效的测量性能。
内核电路中的供电电路中搭载ESD静电保护器件，可以起到稳压、静电保护作用。同时，电路中还设置有滤波电路，其主要由容值不同的滤波电容组成，不仅可以使电源直流输出平滑稳定，滤除电路中的高低频噪声信号，同时可以起到去耦作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰，使得电子电路的工作性能更加稳定。
内核电路中的微处理器与MEMS传感器之间的通讯均采用I2C总线，其只需要一根数据线和一根时钟线两根线，并且总线接口已经集成在芯片内部，不需要特殊的接口电路。使用I2C总线可以简化内核系统中微型电路的PCB布线，降低系统成本，提高系统可靠性。总线外接上拉电阻，在提高I2C总线通讯能力的同时可以限制I2C总线中的电流值，保证数据传输的稳定性与准确性。
内核电路中的微处理器辅助电路布置有低频晶体振荡器，其用来作为外部低速时钟源，主控芯片通过其精确计时并对测量数据进行时间标记。晶体振荡器采用无源晶振，晶振频率为32.768kHz，配合采用电容值为6pF的晶振负载电容，可以较好地保证主控芯片外部晶振(32.768kHz)输出振荡频率的稳定性。
从微型芯片工具外部壳体抗高温、抗高压、密度分级可控的角度考虑，采用高强聚醚醚酮(PEEK)材料进行壳体制备。该材料具有优异的力学性能，耐高温、耐高压、耐腐蚀，其熔点为343℃，软化点为168℃，拉伸强度132MPa～148MPa，具有优异的抗腐蚀性能，能够胜任复杂的井下环境。针对特深井超高温超高压的极端环境，通过碳纤维复合的方式进一步的提高该高分子材料的力学性能。壳体由通过碳纤维增强的PEEK材料与多孔PDMS材料分层结合的方式制作，以此既兼顾对内核系统中精密电子电路的保护，同时又实现对外壳密度的分级调控以匹配不同的井筒工作液体系。
壳体上预留有外部激活接口与低功耗数据传输接口。微处理器芯片能够实现运行模式和低功耗模式的快速切换，为了节省微型纽扣电池的电能，微型芯片工具在入井前一直处于超低功耗的关机模式，通过外部壳体上的预留激活接口可将其快速唤醒为运行模式，在全部测量结束后芯片工具将再次进入低功耗模式。微型芯片工具从井筒中被回收后，便可利用外部壳体上的预留低功耗数据传输接口将测得的数据传给上位机进行分析处理。对微型芯片工具内核系统中的每个电子元器件都进行了严格的功耗控制，对内核电路中的每个外部预留接口都进行了严格的功耗限制，并在微处理器的嵌入式程序中引入了低功耗管理模式，可以大幅降低纽扣电池的能量消耗，进而延长多物理场协同测量微型芯片工具的使用寿命。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种井筒多物理场测量器，其特征在于，包括具有内腔的壳体(1)和安装于该内腔中的电路板组件(2)，该电路板组件(2)集成设置有至少两种用于测量不同物理参数的传感模块并包括沿所述内腔的延伸方向布置的多个刚性线路板(21)和电性连接至不同所述刚性线路板(21)之间的柔性线路板(22)。
2.根据权利要求1所述的井筒多物理场测量器，其特征在于，各个所述刚性线路板(21)的外周轮廓分别形成为直径不大于15mm的圆形，并且/或者，所述柔性线路板(22)连接至所述刚性线路板(21)的外周缘。
3.根据权利要求1所述的井筒多物理场测量器，其特征在于，所述传感模块包括压力传感模块，所述壳体(1)的内腔中填充有电性连接至该压力传感模块的PDMS复合导电材料(3)，以能够通过该PDMS复合导电材料(3)测量环境压力。
4.根据权利要求3所述的井筒多物理场测量器，其特征在于，所述PDMS复合导电材料(3)作为压力传感器并与所述压力传感模块形成惠斯通电桥电路。
5.根据权利要求3所述的井筒多物理场测量器，其特征在于，所述PDMS复合导电材料(3)填充为将所述电路板组件(2)固定在所述壳体(1)的内腔中。
6.根据权利要求1所述的井筒多物理场测量器，其特征在于，所述壳体(1)由碳纤维增强的聚醚醚酮材料制成，并且/或者，所述壳体(1)的外周面上形成有螺旋状流道(11)。
7.根据权利要求1所述的井筒多物理场测量器，其特征在于，所述电路板组件(2)上集成设置有主控芯片、信号连接所述主控芯片并作为时钟源的低频晶体振荡器以及根据该低频晶体振荡器对测量得数据进行时间标记的数据处理元件。
8.根据权利要求1所述的井筒多物理场测量器，其特征在于，所述壳体(1)的内腔中还设置有电连接至所述电路板组件(2)的纽扣电池(4)，并且/或者，所述电路板组件(2)预留有SWD调试接口和/或串行数据传输接口。
9.根据权利要求1所述的井筒多物理场测量器，其特征在于，所述传感模块包括温度传感器、磁力计、陀螺仪加速度计中的至少一种，并且/或者，所述电路板组件(2)上集成设置有蓝牙模块。
10.根据权利要求1所述的井筒多物理场测量器，其特征在于，所述电路板组件(2)设置为能够在激活状态和待机状态之间切换。
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