CN202348266U - 微型泥浆漂浮式电子压力计及压力测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了微型泥浆漂浮式电子压力计及压力测量装置，涉及油气开采领域，旨在提供一种用于泥浆钻井过程中实时测量井下压力、温度的装置。本实用新型的技术要点为：外壳内从下自上顺序叠放有纽扣电池、一片带采集软件的单片机、电路板、连接块、压力芯片；外壳为上下端开口的圆柱形壳体，采用隔离防护胶将壳体内外隔离；压力计在井下间歇采集温度压力信息；压力测量装置包括所述压力计，还包括数据下载系统和压力温度标定装置。本实用新型把压力计做得像钻井岩屑一样小，压力计可以漂浮在泥浆中随泥浆一起移动，及时测量和回收数据，且不影响钻井施工。

Description

微型泥浆漂浮式电子压力计及压力测量装置

技术领域

本实用新型涉及油气开采领域，尤其是用于泥浆钻井过程中实时测量井下压力、温度的装置。

背景技术

泥浆欠平衡钻井、控压钻井，特别是充气控压钻井在近几年得到了大量的推广与应用，其在减少对油气层的污染和及时发现油气层以及防漏方面有突出的贡献，但也有很多问题，特别是在大量充气条件下不能及时测量井底压力、判断欠压的情况。以下是目前在泥浆钻井过程中测量井下压力温度的几种常见的做法：

利用泥浆脉冲传输信号——在泥浆井中的随钻测量井底压力（PWD）是利用泥浆脉冲传输信号，此技术已很成熟，这种技术的不足在于在大量充气条件下泥浆波信号被大量衰减而不能传递信号到地面。

代替上述利用泥浆脉冲传输信号的是电磁波脉冲信号传输技术（E-MWD ─ Electromagnetic Measurement While Drilling ）。E-MWD是利用超低电磁波直接穿过地层到达地面接收器，如果井深较深、地层阻抗较小，超低电磁波在穿越地层的过程中被衰减，不能到达地面被有效接收，信号传输距离一般为700m～3200m。

现有技术中还有一种做法是使用普通存储式电子压力计，但是由于普通存储式电子压力计体积较大，必须安装在钻具上，不能及时获得压力数据，只有通过投入电缆或起钻等方式回放数据，往往会失去井控时机。

实用新型内容

欠平衡钻井取钻由于井筒失去泥浆循环，井筒中的气体会滑脱到井口，引起井筒泥浆柱压力分布复杂，地层最容易失去控制。因此监测空井条件下井底压力尤为重要，目前还没有一种有效监测方法。本实用新型的发明目的在于针对现有充气欠平衡泥浆钻井中持气率较高时随钻井下压力测量（PWD）不能稳定工作和E-MWD受地层电阻率影响，以及普通存储式压力计不能及时回收数据的问题，提供一种泥浆钻井条件下微型存储电子压力计，通过泥浆循环及时回收井下压力温度测量数据。

本实用新型采用的技术方案是这样的：一种微型泥浆漂浮式存储电子压力计，包括外壳9，所述外壳9内包含有纽扣电池12、单片机4、电路板5、压力芯片7；

纽扣电池12用于向单片机4供电；

单片机焊接于电路板上；所述单片机4具有AD采样端及电流型DA转换输出端；所述单片机4的电流型DA转换输出端向压力芯片7输出工作电流，压力芯片7具有信号输出电极，信号输出电极与AD采样端连接。

优选地，外壳9内还包含有带凹槽的连接块13，所述压力芯片7、连接块13、电路板5、单片机4、纽扣电池12由上至下顺序叠放，外壳9内充满压力平衡油。

优选地，所述外壳9是铝合金外壳，外壳9为高是7~10mm的圆柱体形壳体，上下底面开口，且底面圆直径与高度相等。

优选地，所述压力芯片7为压阻式压力传感器，所述连接块13固定安装于电路板5上未焊接有单片机4的一侧，且凹槽朝上；所述压力芯片7覆盖于连接块13的凹槽处，以便与连接块13形成密闭腔室14，且压力芯片7的第一压力敏感面暴露于密闭腔室14中；

在外壳9与压力芯片7之间填充有凝胶或者硅橡胶8，此外，外壳的上边缘扣合于压力芯片7的第二压力敏感面的边缘，所述第二压力敏感面上覆盖有凝胶或硅橡胶。

优选地，所述纽扣电池正极朝下，且所述外壳与纽扣电池正极之间设有橡胶密封圈1，外壳下边缘扣合与纽扣电池正极上。

优选地，在电路板5上单片机4旁焊接有2个数据读写电极11，所述2个读写电极11分别接至单片机4的数据输入输出引脚及读写时钟引脚上。

优选地，所述单片机4具有温度传感器。

优选地，所述单片机具有内部高速时钟工作模式和外部低频电容振荡时钟微功耗工作模式。

包含所述微型泥浆漂浮式存储电子压力计的压力测量装置，包括所述的微型泥浆漂浮式存储电子压力计、数据下载装置及压力温度标定装置。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.    采用上述结构，可以把压力计做得像钻井岩屑一样小（外壳9为高是7~10mm的圆柱体形壳体，且底面圆直径与高度相等），可以漂浮在泥浆中，随泥浆一起移动，及时测量和回收数据，且不影响钻井施工；

2.    使用现有成熟电子元器件，结构简单，成本低廉；

3.       采用温度数字补偿，压力测量精度高；

4.       可以实现空井井底压力测量。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的电路图。

图中标号：1是橡胶密封圈，2是负电极，3是充油腔，4是单片机，5是电路板，6是金丝线，7是压力芯片，8是硅橡胶，9是铝合金外壳，10是外围电容，11是数据读写电极，12是纽扣电池，13连接块，14密闭腔室。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，铝合金外壳内9自下往上顺序叠放有有CR626锂锰纽扣电池12、单片机4、电路板5、连接块13、压力芯片7，电池的负极连接到单片机4背面的负电极2上，单片机4被焊接到电路板5上，方形单片机4旁边焊接有数据读写电极11并连接到单片机4的数据输入输出引脚（C2D脚）及读写时钟引脚（C2CK脚），电路板5另一面中心粘接有压力芯片7，压力芯片的4根引出线通过金丝线6焊接到电路板的相应焊盘上，由单片机IDA提供0.5mA恒流源为压力芯片7供电，压力芯片7的2个信号输出电极连接到单片机的AD.0（+）和AD.1（-）采集引脚，方形压力芯7旁边焊接有3只0402封装外围电容10，电路板5外正电极环被粘接到铝合金外壳9上，压力芯片7和铝合金外壳9的空间用凝胶或硅橡胶8填充，以隔离泥浆，起到保护压力芯片的作用，纽扣电池12的正极外壳与铝合金外壳9之间有橡胶密封圈1。

铝合金外壳9为高是7~10mm，优选为7.5mm，的圆柱体形壳体，上下底面开口，且底面圆直径与高度相等。所述压力芯片7为压阻式压力传感器，所述连接块13固定安装于电路板5上未焊接有单片机4的一侧，且凹槽朝上；所述压力芯片7覆盖于连接块13的凹槽处，以便与连接块13形成密闭腔室14，且压力芯片7的第一压力敏感面暴露于密闭腔室14中；密闭腔室14内为真空；在外壳9与压力芯片7之间填充有凝胶或者硅橡胶8，此外，外壳的上边缘扣合于压力芯片7的第二压力敏感面的边缘，所述第二压力敏感面上覆盖有凝胶与硅橡胶8，压力芯片7的第二压力敏感面上的凝胶或硅橡胶8能够将外界的压力传递给压力芯片7, 以便采集外界环境的压力信息；同时凝胶或硅橡胶8能够将压力芯片7与泥浆隔离，防止泥浆进入到壳体内部。压力计在井下时，井下的压强作用到压力芯片7的第二压力敏感面上，由于密闭腔室14内是真空，第一压力敏感面上的压强为0，压力传感器两个敏感面的压力差即为井下压力。

所述外壳9与纽扣电池12正极之间设有橡胶密封圈1，外壳下边缘扣合于纽扣电池正极上。橡胶密封圈1的作用也是为了防止泥浆进入到壳体内部。

在外壳9与其内部各个部件之间还充满了压力平衡油，如压力平衡硅油，这样虽然本压力计铝外壳设计很薄，由于内部空间充满压力平衡硅油，外壳与纽扣电池、单片机和电路板及外围电容之间并没有充气空间，压力计不会被高压压力压扁，实验表明其完全能抗100MPa的压力，而正常工作。

本压力计的工作程序为：

步骤1：单片机的电流型DA转换输出端向压力芯片提供恒定电流；

步骤2：单片机进行通过AD采样端采集压力芯片输出的压力信号，同时单片机中的温度传感器采集温度信号；采集的温度、压力信号存储于单片机的内部存储器中；

步骤3：单片机切换到外部低频电容振荡时钟微功耗模式，并维持外部低频电容振荡时钟微功耗模式一定时间；

步骤4：单片机恢复到内部高速时钟工作模式。

上述4个步骤依次重复执行，直到压力计随泥浆循环一周后回到岸上。

使用时，连接数据下载器与数据读写电极11，擦除单片机内的Flash存储器，将程序下载到单片机中，再将纽扣电池12装入铝合金外壳9内，并相互扣接，即启动单片机采集程序。

接下来对本压力计进行压力、温度标定：将启动后的本压力计放入一个压力容器内，开始对压力容器加压和加温，并记录施加的压力和温度，以及时间，此数据用于对之后压力计在钻井过程中采集到的压力、温度信息进行标定。

标定完成后从压力容器中取出本压力计，就可以从井口钻柱中投入，由于有部分本压力计在井内被钻柱、钻头随机挤压损坏，因此可以一次多投入一些，以增大测量收获率。

本压力计在被泥浆泵入下行和上返过程中，被设置成固定间隔时间记录一次井内温度和压力，可以全程记录井内温度和压力场。由于本压力计的体积很小，只有7.5mm，几乎可以通过井下一切工具，其密度与钻井岩屑相当，不会造成沉淀。为了防止本压力计被钻具和钻头挤压损坏，可以利用活动钻具或只循环泥浆不钻进的施工间歇实施测量。在喷射钻井工艺中可以将钻头临时提离井底，防止本压力计高速从喷嘴喷射撞击到井底被损坏。在有井下动力钻井施工工艺中，可以通过打开或关闭井下旁通阀方式，避开通过井下动力钻具、钻头和水眼，从井下旁通阀处上返。

本压力计在上返出井口泥浆暴露处通过永磁铁吸附方法，将其吸附住，去除扣接处铝合金外壳，取下纽扣电池，数据下载器连接上数据下载电极11，读取井下测量数据，根据压力、温度标定数据，进行温度校正、非线性校正，解码出正确的井下测量数据。

虽然本压力计能抗100MPa的压力。CR632纽扣电池由于处在高压环境，即使在150℃高温下也能正常工作，不会爆裂，其供电能力比常温常压条件下性能更好。

本压力计在进行AD、DA转换和写入Flash存储器时采用单片机内部高速时钟工作，工作电流为3.5mA，但工作时间只有0.1s；在采集等待定时时间内，采用外部电容式低频时钟，工作电流只有35μA；C8051F351单片机除去程序空间，其Flash存储器有7000个字节可以用来存储数据，考虑温度参数占用第1字节和第二字节的前2位，共10位；压力参数占用第2字节的后6位和第3字节，共14位补码形式，即一个采样点占用3个字节，一次下井可以记录2300多组数据；数据采集耗电容量为3.5mA×0.1s×2300次=805 mA·s=0.224mAH，定时等待10小时耗电容量为35μA×10H=350μA·H=0.35mAH，因此在10小时内计满Flash存储器，共耗电0.224mAH+0.35mAH=0.574mAH，而CR632纽扣电池能提供9mAH的电能。

本压力计设计为低成本一次性使用，其压力芯片敏感面不采用金属膜隔离泥浆，而使用高温凝胶或室温固化硅橡胶隔离泥浆，在10个小时内泥浆还不能破坏隔离膜而损坏到压力芯片内部元件。

微型泥浆漂浮式存储电子压力计，属于油气开采领域中用于泥浆钻井及时测量井下压力温度的装置，目的是解决现有充气欠平衡泥浆钻井中持气率较高时随钻井下压力测量（PWD）不能稳定工作和E-MWD受地层电阻率影响，以及普通存储式压力计不能及时回收数据的问题，包括Φ7.5×7.5mm防护外壳内装有一片5×5×0.9mm的单片机和采集软件、Φ6.8×0.3mm的电路板、3只0402封装的电容、一片2.5×2.5×2.5mm压阻式压力芯片、隔离防护胶、一片CR632纽扣电池；并配有数据下载系统和压力温度标定装置。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微型泥浆漂浮式存储电子压力计，其特征在于，包括外壳（9），所述外壳（9）内包含有纽扣电池（12）、单片机（4）、电路板（5）、压力芯片（7）；

纽扣电池（12）用于向单片机（4）供电；

单片机焊接于电路板上；所述单片机（4）具有AD采样端及电流型DA转换输出端；所述单片机（4）的电流型DA转换输出端向压力芯片（7）输出工作电流，压力芯片（7）具有信号输出电极，信号输出电极与AD采样端连接。

2.根据权利要求1所述的一种微型泥浆漂浮式存储电子压力计，其特征在于，外壳（9）内还包含有带凹槽的连接块（13），所述压力芯片（7）、连接块（13）、电路板（5）、单片机（4）、纽扣电池（12）由上至下顺序叠放，外壳（9）内充满压力平衡油。

3.根据权利要求2所述的一种微型泥浆漂浮式存储电子压力计，其特征在于，所述外壳（9）是铝合金外壳，外壳（9）为高是7~10mm的圆柱体形壳体，上下底面开口，且底面圆直径与高度相等。

4.根据权利要求3所述的一种微型泥浆漂浮式存储电子压力计，其特征在于，所述压力芯片（7）为压阻式压力传感器，所述连接块（13）固定安装于电路板（5）上未焊接有单片机（4）的一侧，且凹槽朝上；所述压力芯片（7）覆盖于连接块（13）的凹槽处，以便与连接块（13）形成密闭腔室（14），且压力芯片（7）的第一压力敏感面暴露于密闭腔室（14）中；

在外壳（9）与压力芯片（7）之间填充有凝胶或者硅橡胶（8），此外，外壳的上边缘扣合于压力芯片（7）的第二压力敏感面的边缘，所述第二压力敏感面上覆盖有凝胶或硅橡胶。

5.根据权利要求4所述的一种微型泥浆漂浮式存储电子压力计，其特征在于，所述纽扣电池正极朝下，且所述外壳与纽扣电池正极之间设有橡胶密封圈（1），外壳下边缘扣合与纽扣电池正极上。

6.根据权利要求5所述的一种微型泥浆漂浮式存储电子压力计，其特征在于，在电路板（5）上单片机（4）旁焊接有2个数据读写电极（11），所述2个读写电极（11）分别接至单片机（4）的数据输入输出引脚及读写时钟引脚上。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的一种微型泥浆漂浮式存储电子压力计，其特征在于，所述单片机（4）具有温度传感器。

8.根据权利要求7所述的一种微型泥浆漂浮式存储电子压力计，其特征在于，所述单片机具有内部高速时钟工作模式和外部低频电容振荡时钟微功耗工作模式。

9.包含权利要求1~8中任意一项所述的一种微型泥浆漂浮式存储电子压力计的压力测量装置，其特征在于，包括所述的微型泥浆漂浮式存储电子压力计、数据下载装置及压力温度标定装置。

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