CN2731096Y - 潜油（水）电泵机组井下智能多参数测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种油田用井下智能多参数测试装置，包括井下测试装置和通过电缆或载波传输与井下测试装置远传联接的地面仪，其中井下测试装置由流量信号模块电路、温度信号模块电路、压力和含水信号模块电路、微控制器、其它信号模块电路、输出接口模块电路、电力电缆载波调制模块电路、功率输出模块电路及摇传模块电路组成，工作中，由流量、温度和压力信号模块电路把传感器检测的信号分别处理成数字信号并被送到微控制器进行编码处理，处理后的信号被送到输出接口模块电路和功率输出模块电路进行功率放大，最后可根据用户要求被送入摇传模块电路或电力电缆载波调制模块电路。

Description

潜油(水)电泵机组井下智能多参数测试装置

所属技术领域

本实用新型内容属于电磁变量的测试测量装置技术领域，涉及一种油田采油或注水生产过程中在油井内同时测量流量、压力、温度、密度、含水、电机参数等数据，以连续监测地层下油井内流体的流量、地层的压力、流体温度、含水(持水)泵温度变化的井下智能多参数测试装置。

背景技术

目前，公知的用于地面输油或给水监测/计量的流量、压力或温度的仪器仪表很多，技术也相对比较完善，但用于高温、高压、电泵井下连续测量流量、压力、温度、密度含水等参数，进而由地面进行监测控制的装置却至今没有得到很好的解决。由哈尔滨理工大学科研人员发明并由大庆机修厂制造的本征半导体高分子压力温度双参数传感器近来已被应用于高、低温电泵油井，首次解决了高温电泵井测压测温的传感器难题，但在信号处理、传输及地面解释上却没有系统解决，特别是在追加流量、含水、密度，同时测量和多参数同时传输处理方面没有涉及。目前该产品只能配套电泵机组和其它工业设备使用，产品造价较高，市场推广有限。令由宁波市江东精诚自动化设备有限公司研制的潜油电泵井下测温测压系统虽能结合井下地面同时处理压力和温度信号，但在信号传输上因不适用调频电机而亦未能获得广泛的推广使用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，进而提供一种结构性能合理、操作方便、测量精度高、应用范围广的潜油(水)电泵机组井下智能多参数测试装置。

为了实现上述发明目的而采用的技术解决方案是这样的：所提供的潜油(水)电泵机组井下智能多参数测试装置也称为潜油电泵流量、压力温度智能多参数测试装置，它是一种主要用于完成流量、压力、温度、含水、密度等信号的采集、处理和编码、电缆或载波传输完成编码信号从井下到地面的输送并同时完成给井下仪器供电的装置，它包括井下测试装置和通过电缆或载波传输与井下测试装置远传联接的地面仪，本实用新型的保护要点在于井下测试装置部分，它含有流量信号模块电路、温度信号模块电路、压力和含水信号模块电路、微控制器、其它信号(包括密度等信号)模块电路、输出接口模块电路、电力电缆载波调制模块电路、功率输出模块电路及摇传模块电路，其中流量信号模块电路、温度信号模块电路、压力和含水信号模块电路和其它信号模块电路的输入/输出端分别与微控制器相应的输出/输入端联接，微控制器的信号输出端经输出接口模块电路接至功率输出模块电路的输入端，功率输出模块电路的输出端同时与电力电缆载波调制模块电路和摇传模块电路的输入端相联。实际工作中，由流量、温度和压力信号模块电路把传感器检测的信号分别处理成数字信号并被送到微控制器进行编码处理，处理后的信号被送到输出接口模块电路和功率输出模块电路进行功率放大，最后，可根据用户要求被送入摇传模块电路或电力电缆载波调制模块电路。

本实用新型所述的潜油(水)电泵机组井下智能多参数测试装置可针对电泵采油或电泵注水过程中需要在井下同时测试流量、压力、温度，密度、含水、电机参数等重要数据，它相应的地面仪在地面能准确反映其参数的工程值或每秒记数率，其产品为增加石油生产的科技含量、提高油井的采油率、最终提高石油能源的利用效率提供了有效的控制手段。该装置同时能监测电机的温度并对电机进行过热保护，可避免电机工作在超温、负荷不足等状态而损坏，可对高含蜡油井的加热装置根据本装置实测的参数控制温度，也可通过专用I/O接口检测电机供电的相、线电压和电流、供电效率、功率因数等、近而控制电机调频调速，提高系统采油或注水的效率。

与现有技术相比，本实用新型所具有的结构优点是：

1、专有的编码和解码技术，通过单芯电缆或将信号调制在电机馈电电缆上完成井下供电和信号的提取和分离。对井下流量、压力和温度、密度、含水、电机参数等同时测量和实时显示。

2、系统井下部分的电器设计选用本征半导体高分子压力温度双参数传感器和适合高温长期工作的涡轮传感器，以及本实用新型设计人发明的雷达测井探头(专利号：03262730.0)和差压式密度计，再配置了优选的军用器件，解决了井下仪器长期工作在高温、高压环境下的技术难题，仪器在井下连续工作时间不少于一年。

3、仪器电路采用智能模块化结构，用户可以根据需要选择流量、压力、温度密度、含水、电机性能等参数的任意搭配，以完成不同的测试功能，在信号传输上又分有线单芯摇传和载波传输两种，既提高了仪器使用的可靠性又降低了产品成本。

4、系统的井下部分和地面仪部分分别设计有CPU，井下共有10个扩容接口，地面有128个扩容接口，这样既用来完成批信号的编码和解码，也可根据用户需要组合成批处理应答系统，以完成其他参数测量的集中能控制。

5、地面仪部分完成信号解码后，可输每秒计数率和工程值，也可以与上位机进行远传通讯，显示所测参数的动态曲线、反演模型等。

6、系统供电和信号传输是通过单芯电缆或载波电缆完成，有效解决了变送器不能自供高电压和传输更远距离的缺陷。

附图说明

图1为本实用新型的设计原理结构框图。

图2～图8为本实用新型一个实施例的电路结构示意图，其中图2为流量信号模块电路的电联线图，图3为温度信号模块电路的电联线图，图4为压力和含水信号模块电路的电联线图，图5为密度信号模块电路的电联线图，图6为微控制器及输出接口模块电路和编码功率输出模块电路的电联线图，图7为摇传模块电路的电联线图，图8为TPS总线接口部分的电联线图。

具体实施方式

参见附图，本实用新型所述的潜油(水)电泵机组井下智能多参数测试装置包括井下测试装置和通过电缆或载波传输与井下测试装置远传联接的地面仪两部分，各部分通过信号联系起来，完成所有的功能。内中的井下测试装置井下仪器部分主要完成流量、压力、温度、含水、密度等信号的采集、处理和编码工作，它由流量信号模块电路1、温度信号模块电路2、压力和含水信号模块电路3、微控制器4、其它信号(包括密度等信号)模块电路5、输出接口模块电路6、存储器7(采用X5045存储器)、晶体振荡器8、电力电缆载波调制模块电路9、功率输出模块电路10及摇传模块电路(含电源变换器)11等部分组成，其中流量信号模块电路1、温度信号模块电路2、压力和含水信号模块电路3和其它信号模块电路5的输入/输出端分别与微控制器4相应的输出/输入端联接，微控制器4的信号输出端经输出接口模块电路6接至功率输出模块电路10的输入端，功率输出模块电路10的输出端同时与电力电缆载波调制模块电路9和摇传模块电路11的输入端相联。图1中模块9具有电缆输出接口，用于独立电缆传输使用，模块11具有载波摇传接口，用于加载到潜油电泵的供电线缆上传输；模块5为密度和含水等参数接口，该模块经定义，最多可接入七路参数进入，经编码后的多参数信号经滑环送到输出电缆接口上，再经电缆被传输到地面。电缆或载波传输完成编码信号从井下到地面的输送，同时也完成给井下仪器供电。地面仪表部分由解码板、供电电源和二次仪表等组成，主要完成系统供电和信号各参数的编解码及数据处理、远传集中控制等。该测试装置率先采用新型本征半导体电聚省醌自由基高分子压力温度双参数传感器，测压范围：0～60Mpa，测温范围0～200℃，精度1.5～0.5％，压力灵敏度80mV/Mpa，平均寿命2年，具有灵敏度高，平均工作寿命长等优点，可用于各种油井下的测压及测温，属新型高科技传感器的应用，同时也是国际上第一次选用的半导电高分子压力温度双参数传感器。

本实用新型的井下测试装置为系统的关键部位，该装置从结构上采用嵌套技术使其位于外管中，上部成油管锥形母螺扣、下部成油管锥形公螺扣，整个井下测试装置通过这两个口串接在潜油泵出口和油管之间。在机械构造上，装置内孔置流量传感器的内腔在对应流量传感总程的部位等分五个面，其中三个面放置电路板，一个面放置压力、温度传感器和流量检测头，另一个面放含水(持水)和密度探头，最外层加保护管，保护管内通过上压紧环和下压紧环锁紧，整个结构由双“O”型圈完成密封。整个井下测试装置外看就是一段中空管件、仪器内部嵌套电路总成，并设计有双层密封和减震防震措施。锥形母螺扣和锥形公螺扣则参照国产平式2-1/2油管罗纹的标准设计，主要起到该装置与现场潜油电泵的可靠密封连接，能承受内压30MPa和20吨拉力机械实验强度。涡轮流量传感器主要完成经过油管的流量检测，其关键部位是检测探头，经反复实验和技术论证采用了最新的钐钴(SM-Co)磁钢代替常规的铝镍钴磁钢，解决了常规的涡轮流量计无法在高温井下连续工作的技术难题。本实用新型的井下部分由于采用了嵌套式密封机械设计，保证井下电器部分长期在60MPa压力下工作的良好密封性能，同时仪器的内外管也能承受30MPa的差压，这样保证了井下仪器电器长期运行在绝对密封和绝缘的环境下，克服了油管内因泵压引起的高压密封。又由于该装置的井下部分设计了独特的减震抗震结构，可以充分避免井下机械结构受潜油泵电机运转不平衡导致的震动和冲击影响。

附图2～图8为本实用新型主要电器结构部分的电路图。其中图6中所示的微控制器4由AT89C2051单片机U8构成，图2所示的流量信号模块电路1由涡轮流量传感器Sl(F-SENS0R)及型号分别为LM193A和CD4070的器件U6、U3构成，主要完成涡轮流量传感器S1产生的流量信号的采集、整形、分频，最后送单片机U8的T0口。图3所示的温度信号模块电路2由温度传感器PT500(T-SENSOR)及型号分别为LM124A和AD537SD的器件U14和U16构成，由PT500完成温度信号的测量并经U14运算放大器放大和U16压频变换、整形后送至单片机U8的T1口，完成温度信号采集。图4所示的压力和含水等信号模块电路3由型号分别为LM124A和AD650SD的器件U4和U5构成，由JP1接入的压力传感信号或含水率传感信号经U4进行处理，完成对压力或含水信号的放大，再经U5压频变换、整形后送至单片机U8的T1口，完成压力或含水信号的采集。图5所示的密度信号模块电路由密度传感器MD01(MD-SENSORS)及型号分别为LM124A和AD537SD的器件U15和U17构成，工作时由密度传感器MD01产生的密度信号依次经U15放大和U17压频变换整形后送给单片机U8的T0口，完成密度信号采集。图6中输出接口模块电路6由AT89C2051单片机U7和型号为CA3104AT的减法器U2构成，编码功率输出模块电路10由功率开关BG1～BG4构成，工作时通过U7发出11位串行数据不归零地址编码作为寻址命令，U8作为参数测量仪提供不同的仪器地址编码，并将经过整形处理的不同脉冲测量信号送给T0、T1端口(如F-SIG、T1-SIG、T2-SIG、P-SIG等)，当与本仪器地址相符时，回答两个字节数据，并在TPS总线上以11.45KBPS的数据传输速率传输测量数据；U7接收这两个字节数据后，把这两个字节的数据和该仪器的地址整合成16位数据并编译成曼彻斯特码M+和M-，送给减法器U2变成双极性信号，最后经功率输出模块电路10功率放大后由PORT端口送给摇传接口输出。图7所示的摇传模块电路由型号为LM140LAH的器件U13构成，该部分输出的CBS+和CBS-端口直接通过电缆和地面系统连接，利用电阻电容网络的组合完成编码信号的输出和40VDC电源输入，各参数在40MS的时间间隔内以固定频率(5.7292KBPS)输出归偏曼码，通过电缆驱动上传地面；图8所示的TPS总线处理部分由AT89C2051单片机U9和型号为4093的器件U11构成，工作时U9将采集的多路信号送给U11进行信号极性变换，并经TPS总线提供给各测量模块的单片机识别；图8中标号12的功能部分为电源部分，它可将输入的40VDC供电电经直流变换分别产生±12VDC、±5VDC及18VDC给各部分供电。总之，该设计采用开放式接口体系，最多可同时完成十路参数的采集和处理，用户可根据实际使用要求，灵活变换组合形式，完成不同的开发测井任务。

本实用新型的地面仪电子线路由电源、信号分离解码、单片机信号处理、人机对话和仪器检修计五个部分组成。其中电源部分采用开关电源电路，将输入的交流电变换成地面系统所必须的±12VDC、±5VDC及进井下测试装置工作需要的20-100VDC可调电源；信号分离解码部分可将经电缆传输到地面仪的编码信号经过电源剥离、放大、整形后送给单片机解码，经软件处理后，还原出各参数的对应频率值并最终还原出工程值或每秒计数率；单片机信号处理部分采用通用的AT89C52单片机和X5045存储器，用于完成各测试参数的运算、处理、现场存储和通讯；人机对话部分主要包括八位数码显示和键盘操作两部分；仪器检修部分提供了一个仪器检修接口，它按照TPS总线的协议方式，提供了各参数模块在不通过摇传接口时的一种便捷通讯借口，各参模块可通过此接口完成仪器的现场维修和测试。

Claims (1)

1、一种潜油(水)电泵机组井下智能多参数测试装置，包括井下测试装置和通过电缆或载波传输与井下测试装置远传联接的地面仪，其特征在于井下测试装置含有流量信号模块电路(1)、温度信号模块电路(2)、压力和含水信号模块电路(3)、微控制器(4)、其它信号模块电路(5)、输出接口模块电路(6)、电力电缆载波调制模块电路(9)、功率输出模块电路(10)及摇传模块电路(11)，其中流量信号模块电路(1)、温度信号模块电路(2)、压力和含水信号模块电路(3)和其它信号模块电路(5)的输入/输出端分别与微控制器(4)相应的输出/输入端联接，微控制器(4)的信号输出端经输出接口模块电路(6)接至功率输出模块电路(10)的输入端，功率输出模块电路(10)的输出端同时与电力电缆载波调制模块电路(9)和摇传模块电路(11)的输入端相联。

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