專利名稱：一種智能井井下監(jiān)控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油、天然氣井生產(chǎn)過程中用于油氣層狀態(tài)監(jiān)測和生產(chǎn)調(diào)控的裝置， 特別是關(guān)于一種能夠?qū)崟r(shí)采集產(chǎn)層的壓力、溫度，并實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整井下滑套的開啟度，調(diào) 節(jié)生產(chǎn)的智能井井下監(jiān)控裝置。
背景技術(shù)：
智能井的主要特征在于對產(chǎn)層流體的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制能力，通過在產(chǎn)層安裝永久 監(jiān)測裝置和可遙控的層間控制閥來實(shí)現(xiàn)。智能井系統(tǒng)對產(chǎn)層狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為油藏管 理提供依據(jù)。這種實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置能提供連續(xù)的產(chǎn)層流體的壓力、溫度、流量等基本參數(shù)，有 利于為油藏優(yōu)化提供依據(jù)；從地面通過控制設(shè)備將生產(chǎn)控制指令輸送到井下，改變一個(gè)或 多個(gè)產(chǎn)量控制工具的開啟度或啟閉，從而達(dá)到油藏管理的目的?？烧{(diào)節(jié)控制閥是實(shí)現(xiàn)智能井井下流量控制的核心部件，目前，用于智能井系統(tǒng)的 調(diào)節(jié)閥可分為有級和無級兩類，有級調(diào)節(jié)閥的位置可以由機(jī)械結(jié)構(gòu)或裝置來確保位移的準(zhǔn) 確性；而對于無級調(diào)節(jié)閥，則需要引入位置反饋，方法有兩種一種是通過在地面監(jiān)測液壓 管線的回油量來確定閥門的位移量，另一種是在井下安裝位移傳感器來監(jiān)測閥門位移量。 國外的智能井系統(tǒng)大多采用第一種位置反饋的方法，此方法的前提條件是確保管線不出現(xiàn) 漏油。滑套運(yùn)動是由液壓缸直接驅(qū)動的，而液壓缸的行程由液壓油的注入量來決定?？?制注入液壓缸的液壓油注入量就等于實(shí)現(xiàn)了對滑套開啟度的控制。液壓元件的比例流量控 制在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)是成熟的技術(shù)，如PID控制等，但很難用于井下環(huán)境。限于井下空間小、 溫度、壓力變化大等特點(diǎn)，現(xiàn)有的工業(yè)級的液壓控制元件均不可直接用于井下。智能井系統(tǒng) 需要可靠性高的控制執(zhí)行元件，工業(yè)級比例流量閥其控制元件有較復(fù)雜的控制電路單元， 不利于井下高溫環(huán)境下保持其長期可靠性。因此，在滿足控制精度的同時(shí)，盡量減少控制電 路的復(fù)雜性，有利于提高可靠性和降低開發(fā)成本。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決普通工業(yè)級流量閥其控制元件不能直接應(yīng)用于井下的問題，本發(fā)明的目 的是提出一種適應(yīng)于井下溫度、壓力和尺寸空間限制的智能井井下監(jiān)控裝置，通過該裝置 可實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)層流體狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和生產(chǎn)調(diào)控。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種智能井井下監(jiān)控裝置，連接在滑 套類井下液壓執(zhí)行單元上，其特征在于包括在各油氣產(chǎn)層上設(shè)置的各傳感器和電路短節(jié)， 所述各傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器以及位移傳感器，所述各傳感器與電路短節(jié)電 連接及信號連接，并且所述位移傳感器的自由滑桿連接在滑套上；所述電路短節(jié)與電磁換 向閥控制連接，所述電磁換向閥與控制滑套開啟程度的液壓缸相連；所述電路短節(jié)以單片 機(jī)為核心，包括采集電路、控制電路和通訊電路，其中所述采集電路完成壓力、溫度以及位 移信號的分時(shí)采集；所述控制電路接收地面指令，發(fā)出定時(shí)脈沖驅(qū)動電磁換向閥動作；所述通訊電路完成產(chǎn)層與地面，以及地面與地面之間的通訊。

所述單片機(jī)中集成有多路12位A/D轉(zhuǎn)換器，對各傳感器信號進(jìn)行分時(shí)采集，并把 多次采集的值進(jìn)行平均值運(yùn)算，利用軟件進(jìn)行數(shù)字濾波處理，采集的方式有自動分時(shí)輪采， 以及按應(yīng)答模式采集兩種，采集的方式由上位機(jī)發(fā)指令選擇。所述單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)指令輸出定時(shí)脈沖，控制功率管的導(dǎo)通，為換向閥提供動 作所需要的電流，單片機(jī)輸出的脈沖根據(jù)軟件設(shè)定。所述電路短節(jié)中含DC/DC模塊，為各電路和傳感器提供+5V、+12V電源，所述電磁 換向閥的24V直流電直接由電纜提供。所述電路短節(jié)采用CAN總線與地面進(jìn)行一主多從長距離通訊。所述電路短節(jié)和傳感器整體固定在井下工具上，下入到套管與油管的環(huán)空之中， 所述壓力傳感器連接在井下工具上。在電路短節(jié)的上端引出接鎧裝電纜，下端引出各傳感 器的電源線及信號線，與各傳感器相連。在所述電路短節(jié)的下端設(shè)置三通接頭，三通接頭與 電纜保護(hù)管連接，電纜保護(hù)管通過連接頭與各傳感器連接，在三通接頭及電纜保護(hù)管的內(nèi) 部封裝各傳感器的電源線及信號線。所述溫度傳感器可集成在電路短節(jié)上，也可與所述壓力傳感器、位移傳感器一樣， 與電路短節(jié)分裝。電纜保護(hù)管通過連接頭與各傳感器連接處使用密封圈密封加強(qiáng)密封效果，所述電 纜保護(hù)管為金屬軟管，長度和彎度可調(diào)。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明采用電磁換向閥控制液 壓缸的注入量，通過油量控制滑套的行程，進(jìn)一步控制井下過油通道的開啟度，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn) 層流體的實(shí)時(shí)監(jiān)測。上述整個(gè)過程為一閉環(huán)控制，首先，由位移傳感器感應(yīng)滑套的位置，傳 遞給井下電路短節(jié)(含微控制器)，井下電路短節(jié)與地面主機(jī)通訊，由地面主機(jī)發(fā)出調(diào)控命 令，控制電磁閥通斷時(shí)間，從而調(diào)整滑套的開啟度，位移傳感器繼續(xù)測量滑套的位移。這一 井下閉環(huán)控制，反應(yīng)快，控制準(zhǔn)確；采用井下電磁換向閥代替井下伺服閥或比例閥，降低了 使用要求，提高了系統(tǒng)可靠性。同時(shí)，在電路短節(jié)上連接壓力傳感器和溫度傳感器，也能根 據(jù)井下溫度和壓力的情況下控制電磁閥的通斷。


圖1是傳感器及井下電路整體連接圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。本發(fā)明是針對滑套類井下液壓執(zhí)行單元而提出的一種智能井井下監(jiān)控裝置，通過 對井下電磁換向閥通斷時(shí)間的精確控制，來控制井下液壓缸液壓油的注入量，從而控制井 下滑套的行程，進(jìn)一步控制井下過油通道的大小，達(dá)到控制油層產(chǎn)量的目的。電磁閥通斷時(shí) 間可以方便的由井下電路中的控制器確定，在滑套端加裝位移傳感器來準(zhǔn)確監(jiān)測滑套的位 移，位移傳感器把滑套位移量反饋至井下控制器，控制器接收地面?zhèn)魉蛠淼恼{(diào)整指令控制 井下電路調(diào)整滑套開啟度，實(shí)現(xiàn)對井下滑套開啟度的閉環(huán)控制。因此，裝置中包括在每一產(chǎn)層上設(shè)置的傳感器和電路短節(jié)的組合，根據(jù)需要進(jìn)行監(jiān)測和控制的油氣層數(shù)，對井下電路短節(jié)進(jìn)行編址，把程序下載到對應(yīng)的各個(gè)單片機(jī)中。傳 感器包括壓力傳感器、溫度傳感器以及位移傳感器，通過線纜保護(hù)管與電路短節(jié)連接在一 起。電路短節(jié)以單片機(jī)為核心，包括采集電路、控制電路和通訊電路。其中，采集電路完成 壓力、溫度以及位移信號的分時(shí)采集；控制電路在接收到地面調(diào)整指令后，發(fā)出定時(shí)脈沖至 功率管驅(qū)動電磁換向閥動作，電磁換向閥安裝在滑套液壓執(zhí)行單元上，電磁換向閥導(dǎo)通后， 液壓油被注入油缸，推動滑套移動，通過對電磁換向閥通斷時(shí)間的精確控制，來控制液壓油 的注入量，從而控制滑閥開啟度，位移傳感器把位移量反饋至單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對滑套開啟度的 閉環(huán)控制；通訊電路完成產(chǎn)層與地面，以及地面與地面之間的通訊，考慮到產(chǎn)層數(shù)以及通訊 距離，采用CAN總線來實(shí)現(xiàn)一主多從的長距離通訊。單片機(jī)中集成有多路12位A/D轉(zhuǎn)換器，對三路傳感器信號進(jìn)行分時(shí)采集，并把多 次采集的值進(jìn)行平均值運(yùn)算，利用軟件進(jìn)行數(shù)字濾波處理。采集的方式可有自動分時(shí)輪采， 以及按應(yīng)答模式采集兩種，采集的方式可由上位機(jī)發(fā)指令來選擇。電路短節(jié)由 電纜提供電源，單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)指令輸出定時(shí)脈沖，控制功率管的 導(dǎo)通，為換向閥提供動作所需要的電流。單片機(jī)輸出的脈沖可根據(jù)軟件靈活設(shè)定，可以精確 到毫秒級，一次調(diào)整指令下達(dá)后，單片機(jī)先控制電磁閥動作，位移傳感器反饋滑套位移量， 然后再次補(bǔ)償動作，通過多次調(diào)整達(dá)到控制效果，實(shí)現(xiàn)對滑閥開啟度的閉環(huán)控制。電路短節(jié)內(nèi)集成有CAN總線控制器，外接上收發(fā)器芯片，在軟件的控制下就可以 實(shí)現(xiàn)通訊。地面主機(jī)與井下從機(jī)之間采用CAN總線協(xié)議進(jìn)行通訊，同時(shí)也作為地面的實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)的從機(jī)通過串口上傳井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及向井下下達(dá)生 產(chǎn)調(diào)整指令；PC機(jī)端利用監(jiān)控組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)過程的監(jiān)測和控制，整個(gè)地面設(shè)備可 選用現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)使用的設(shè)備操控，地上與井下之間的通訊也為常規(guī)通訊方式，在此不做 贅述。如圖1所示，整個(gè)裝置的井下連接部分具體是這樣實(shí)現(xiàn)的位移傳感器1、壓力傳 感器2分別通過連接頭5與電纜保護(hù)管6連接至電路短節(jié)4 ；溫度傳感器3較小，可以集成 在電路短節(jié)4上，也可以像位移傳感器1、壓力傳感器2那樣與電路短節(jié)4獨(dú)立連接(圖1 中所示為集成在電路短節(jié)4上)。電路短節(jié)4的上端由四芯航空插頭或連接頭引出接鎧裝 電纜，包括電源線和信號線；電路短節(jié)4的下端連接三通接頭，與電纜保護(hù)管6連接。電纜 保護(hù)管6向左、向右分別通過連接頭5與壓力傳感器2和位移傳感器1連接。在三通接頭 內(nèi)部和電纜保護(hù)管6中，由電路短節(jié)4下端引出的線是這樣的由電路短節(jié)4的下端向左邊 引出三根線-兩根電源線、一根信號線至壓力傳感器2，向右邊引出三根線-兩根電源線、一 根信號線至位移傳感器1。連接頭5與傳感器螺紋連接處使用密封圈來加強(qiáng)密封效果。電 纜保護(hù)管6為金屬軟管，長度和彎曲度可調(diào)整。由于空間因素，井下電路的供電直接采用電纜直流供電，電纜和液壓管線做整體 封裝，包含兩根信號線和一根電源線，封裝的金屬管壁用作電源線地線，外部有屏蔽層和絕 緣層。地面電源提供高于24V的直流電，電壓值根據(jù)電纜長度有不同程度的提高。電路短 節(jié)中含DC/DC模塊，為電子線路板和傳感器提供所需的+5V、+12V電源，電磁換向閥的24V 直流電直接由電纜提供，控制線由電路短節(jié)引出。電路短節(jié)和傳感器完成電氣連接之后，再把整個(gè)裝置固定在井下工具上放入套管 與油管的環(huán)空之中。壓力傳感器2通過上端的螺紋連接在井下工具上，保證壓力進(jìn)口與液體接觸。位移傳感器1的自由滑桿端通過螺紋連接在滑套上，跟隨滑套一起運(yùn)動。各個(gè)傳 感器以及電路短節(jié)和一套液壓執(zhí)行元件同時(shí)放入套管與油管的環(huán)空中，具體放置位置由其 它元件的形狀和尺寸來決定。按照預(yù)先設(shè)計(jì)的地址，每一層安裝對應(yīng)的電路短節(jié)和傳感器
組。
將電路短節(jié)連接上鎧裝電纜，然后跟工具一起下入套管與油管的環(huán)空之中，鎧裝 電纜還要穿越封隔器等。安裝完成之后，電纜在地面接通電源，開始對井下儀器供電。電路 短節(jié)上電后，單片機(jī)自動復(fù)位開始運(yùn)行程序，首先初始化，然后查詢工作模式，若為自動采 集，則按指定周期對三路傳感器信號進(jìn)行分時(shí)輪采，把多次采集的值進(jìn)行數(shù)字濾波，然后按 周期發(fā)送至地面；若為應(yīng)答模式采集，則等待通訊口指令，地面發(fā)采集指令，則響應(yīng)采集，然 后發(fā)送值。如果地面有調(diào)整指令發(fā)出，通訊口引起中斷，單片機(jī)開始執(zhí)行中斷程序，首先在 數(shù)據(jù)流中對比地址，若為本層地址，則接收命令，按照命令產(chǎn)生一定周期的脈沖輸出，開啟 功率管驅(qū)動電磁換向閥動作；若地址無效，則放棄。地面主機(jī)完成的功能除了與井下從機(jī)進(jìn)行通訊外，還需把數(shù)據(jù)傳至PC機(jī)。在PC 機(jī)端由監(jiān)控組態(tài)軟件進(jìn)行地面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)的集成，所有數(shù)據(jù)都 在組態(tài)軟件中做顯示、分析、處理等。構(gòu)成井下電路的電子元器件全部是軍品級的高溫器件，傳感器及各種被動元器件 選用具有良好的溫度特性的元件，并且進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
權(quán)利要求
1.一種智能井井下監(jiān)控裝置，連接在滑套類井下液壓執(zhí)行單元上，其特征在于包括 在各油氣產(chǎn)層上設(shè)置的各傳感器和電路短節(jié)，所述各傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器 以及位移傳感器，所述各傳感器與電路短節(jié)電連接及信號連接，并且所述位移傳感器的自 由滑桿連接在滑套上；所述電路短節(jié)與電磁換向閥控制連接，所述電磁換向閥與控制滑套開啟程度的液壓缸 相連；所述電路短節(jié)以單片機(jī)為核心，包括采集電路、控制電路和通訊電路，其中所述采集電 路完成壓力、溫度以及位移信號的分時(shí)采集；所述控制電路接收地面指令，發(fā)出定時(shí)脈沖驅(qū) 動電磁換向閥動作；所述通訊電路完成產(chǎn)層與地面，以及地面與地面之間的通訊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能井井下監(jiān)控裝置，其特征在于所述電路短節(jié)的上 端引出接鎧裝電纜，所述電路短節(jié)的下端引出各傳感器的電源線及信號線，與各傳感器相 連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種智能井井下監(jiān)控裝置，其特征在于所述電路短節(jié)的下 端設(shè)置三通接頭，三通接頭與電纜保護(hù)管連接，所述電纜保護(hù)管通過連接頭與各傳感器連 接，在三通接頭及電纜保護(hù)管的內(nèi)部封裝各傳感器的電源線及信號線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種智能井井下監(jiān)控裝置，其特征在于所述溫度 傳感器集成在電路短節(jié)上，所述壓力傳感器、位移傳感器與電路短節(jié)分裝。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種智能井井下監(jiān)控裝置，其特征在于所述連接頭與傳感 器螺紋連接處使用密封圈密封，所述電纜保護(hù)管為金屬軟管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能井井下監(jiān)控裝置，其特征在于所述單片機(jī)中集成 有多路12位A/D轉(zhuǎn)換器，對各傳感器信號進(jìn)行分時(shí)采集，并把多次采集的值進(jìn)行平均值運(yùn) 算，利用軟件進(jìn)行數(shù)字濾波處理，采集的方式有自動分時(shí)輪采，以及按應(yīng)答模式采集兩種， 采集的方式由上位機(jī)發(fā)指令選擇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能井井下監(jiān)控裝置，其特征在于所述電路短節(jié)由電 纜提供電源，單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)指令輸出定時(shí)脈沖，控制功率管的導(dǎo)通，為換向閥提供動作 所需要的電流，單片機(jī)輸出的脈沖根據(jù)軟件設(shè)定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的一種智能井井下監(jiān)控裝置，其特征在于所述電路短節(jié) 中含DC/DC模塊，為各電路和傳感器提供+5V、+12V電源，所述電磁換向閥的24V直流電直 接由電纜提供。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能井井下監(jiān)控裝置，其特征在于所述電路短節(jié)和傳 感器整體固定在井下工具上，下入到套管與油管的環(huán)空之中，所述壓力傳感器連接在井下 工具上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能井井下監(jiān)控裝置，其特征在于所述電路短節(jié)采用 CAN總線與地面進(jìn)行一主多從長距離通訊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種智能井井下監(jiān)控裝置，包括在各油氣產(chǎn)層上設(shè)置的壓力、溫度、位移傳感器，包括采集、通訊、控制在內(nèi)的電路短節(jié)，以及電纜以及電纜保護(hù)管線；各傳感器與電路信號連接，位移傳感器的自由滑桿端連接在滑套上；電路短節(jié)與電磁換向閥連接，電磁換向閥與控制滑套開啟程度的液壓缸相連；電路短節(jié)采集壓力、溫度以及位移信號，接收地面指令，完成產(chǎn)層與地面，以及地面與地面之間的通訊，發(fā)出定時(shí)脈沖驅(qū)動電磁換向閥動作，控制滑套的開啟。本發(fā)明主要完成油道滑套開啟度反饋、油氣層的壓力、溫度監(jiān)測，以及按地面生產(chǎn)調(diào)整指令來控制井下電磁換向閥動作，實(shí)現(xiàn)對滑套開啟度的調(diào)整，達(dá)到井下油氣層狀態(tài)監(jiān)測和生產(chǎn)調(diào)控的目的。
文檔編號E21B47/06GK102140912SQ20111004824
公開日2011年8月3日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者何東升, 彭成勇, 曹硯峰, 李漢興, 武廣璦, 許勝 , 靳濤 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油研究中心, 西南石油大學(xué)