專利名稱：智能井井下監(jiān)控裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及石油、天然氣井生產過程中用于油氣層狀態(tài)監(jiān)測和生產調控的裝置，特別是關于一種能夠實時采集產層的壓力、溫度，并實時監(jiān)測和調整井下滑套的開啟度，調節(jié)生產的智能井井下監(jiān)控裝置。
背景技術：
智能井的主要特征在于對產層流體的實時監(jiān)測和控制能力，通過在產層安裝永久監(jiān)測裝置和可遙控的層間控制閥來實現(xiàn)。智能井系統(tǒng)對產層狀態(tài)進行實時監(jiān)控，為油藏管理提供依據(jù)。這種實時監(jiān)控裝置能提供連續(xù)的產層流體的壓力、溫度、流量等基本參數(shù)，有利于為油藏優(yōu)化提供依據(jù)；從地面通過控制設備將生產控制指令輸送到井下，改變一個或多個產量控制工具的開啟度或啟閉，從而達到油藏管理的目的?？烧{節(jié)控制閥是實現(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)的調節(jié)閥可分為有級和無級兩類，有級調節(jié)閥的位置可以由機械結構或裝置來確保位移的準確性；而對于無級調節(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?；走\動是由液壓缸直接驅動的，而液壓缸的行程由液壓油的注入量來決定?？刂谱⑷胍簤焊椎囊簤河妥⑷肓烤偷扔趯崿F(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)領域已經是成熟的技術，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，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，盡量減少控制電路的復雜性，有利于提高可靠性和降低開發(fā)成本。
發(fā)明內容為了解決普通工業(yè)級流量閥其控制元件不能直接應用于井下的問題，本實用新型的目的是提出一種適應于井下溫度、壓力和尺寸空間限制的智能井井下監(jiān)控裝置，通過該裝置可實現(xiàn)對產層流體狀態(tài)的實時監(jiān)測和生產調控。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取以下技術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層上設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采集；所述控制電路接收地面指令，發(fā)出定時脈沖驅動電磁換向閥動作；所述通訊電路完成產層與地面，以及地面與地面之間的通訊。所述單片機中集成有多路12位A/D轉換器，對各傳感器信號進行分時采集，并把多次采集的值進行平均值運算，利用軟件進行數(shù)字濾波處理，采集的方式有自動分時輪采， 以及按應答模式采集兩種，采集的方式由上位機發(fā)指令選擇。所述單片機根據(jù)上位機指令輸出定時脈沖，控制功率管的導通，為換向閥提供動作所需要的電流，單片機輸出的脈沖根據(jù)軟件設定。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)的下端設置三通接頭，三通接頭與電纜保護管連接，電纜保護管通過連接頭與各傳感器連接，在三通接頭及電纜保護管的內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。電纜保護管通過連接頭與各傳感器連接處使用密封圈密封加強密封效果，所述電纜保護管為金屬軟管，長度和彎度可調。本實用新型由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點本實用新型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，進一步控制井下過油通道的開啟度，從而實現(xiàn)產層流體的實時監(jiān)測。上述整個過程為一閉環(huán)控制，首先，由位移傳感器感應滑套的位置，傳遞給井下電路短節(jié)(含微控制器)，井下電路短節(jié)與地面主機通訊，由地面主機發(fā)出調控命令，控制電磁閥通斷時間，從而調整滑套的開啟度，位移傳感器繼續(xù)測量滑套的位移。這一井下閉環(huán)控制，反應快，控制準確；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，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。
具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細的描述。本實用新型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，進一步控制井下過油通道的大小，達到控制油層產量的目的。電磁閥通斷時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{整指令控制井下電路調整滑套開啟度，實現(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層上設置的傳感器和電路短節(jié)的組合，根據(jù)需要進行監(jiān)測和控制的油氣層數(shù)，對井下電路短節(jié)進行編址，把程序下載到對應的各個單片機中。傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器以及位移傳感器，通過線纜保護管與電路短節(jié)連接在一起。電路短節(jié)以單片機為核心，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采集；控制電路在接收到地面調整指令后，發(fā)出定時脈沖至功率管驅動電磁換向閥動作，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，實現(xiàn)對滑套開啟度的閉環(huán)控制；通訊電路完成產層與地面，以及地面與地面之間的通訊，考慮到產層數(shù)以及通訊距離，采用CAN總線來實現(xiàn)一主多從的長距離通訊。單片機中集成有多路12位A/D轉換器，對三路傳感器信號進行分時采集，并把多次采集的值進行平均值運算，利用軟件進行數(shù)字濾波處理。采集的方式可有自動分時輪采， 以及按應答模式采集兩種，采集的方式可由上位機發(fā)指令來選擇。電路短節(jié)由電纜提供電源，單片機根據(jù)上位機指令輸出定時脈沖，控制功率管的導通，為換向閥提供動作所需要的電流。單片機輸出的脈沖可根據(jù)軟件靈活設定，可以精確到毫秒級，一次調整指令下達后，單片機先控制電磁閥動作，位移傳感器反饋滑套位移量， 然后再次補償動作，通過多次調整達到控制效果，實現(xiàn)對滑閥開啟度的閉環(huán)控制。電路短節(jié)內集成有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現(xiàn)通訊。地面主機與井下從機之間采用CAN總線協(xié)議進行通訊，同時也作為地面的實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)的從機通過串口上傳井下生產數(shù)據(jù)，以及向井下下達生產調整指令；PC機端利用監(jiān)控組態(tài)軟件來實現(xiàn)對整個過程的監(jiān)測和控制，整個地面設備可選用現(xiàn)有技術常規(guī)使用的設備操控，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，整個裝置的井下連接部分具體是這樣實現(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，與電纜保護管6連接。電纜保護管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。在三通接頭內部和電纜保護管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密封效果。電纜保護管6為金屬軟管，長度和彎曲度可調整。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MV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，保證壓力進口與液
5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，跟隨滑套一起運動。各個傳感器以及電路短節(jié)和一套液壓執(zhí)行元件同時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。按照預先設計的地址，每一層安裝對應的電路短節(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，單片機自動復位開始運行程序，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行分時輪采，把多次采集的值進行數(shù)字濾波，然后按周期發(fā)送至地面；若為應答模式采集，則等待通訊口指令，地面發(fā)采集指令，則響應采集，然后發(fā)送值。如果地面有調整指令發(fā)出，通訊口引起中斷，單片機開始執(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，按照命令產生一定周期的脈沖輸出，開啟功率管驅動電磁換向閥動作；若地址無效，則放棄。地面主機完成的功能除了與井下從機進行通訊外，還需把數(shù)據(jù)傳至PC機。在PC 機端由監(jiān)控組態(tài)軟件進行地面實時數(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，并且進行溫度補償。
權利要求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層上設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采集；所述控制電路接收地面指令，發(fā)出定時脈沖驅動電磁換向閥動作；所述通訊電路完成產層與地面，以及地面與地面之間的通訊。
2.根據(jù)權利要求1所述的智能井井下監(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)權利要求2所述的智能井井下監(jiān)控裝置，其特征在于所述電路短節(jié)的下端設置三通接頭，三通接頭與電纜保護管連接，所述電纜保護管通過連接頭與各傳感器連接，在三通接頭及電纜保護管的內部封裝各傳感器的電源線及信號線。
4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的智能井井下監(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)權利要求3所述的智能井井下監(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，所述電纜保護管為金屬軟管。
6.根據(jù)權利要求1所述的智能井井下監(jiān)控裝置，其特征在于所述單片機中集成有多路12位A/D轉換器，對各傳感器信號進行分時采集。
7.根據(jù)權利要求1所述的智能井井下監(jiān)控裝置，其特征在于所述電路短節(jié)由電纜提 {共 ^！^ ο
8.根據(jù)權利要求1或7所述的智能井井下監(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)權利要求1所述的智能井井下監(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)權利要求1所述的智能井井下監(jiān)控裝置，其特征在于所述電路短節(jié)采用CAN 總線與地面進行一主多從長距離通訊。
專利摘要本實用新型涉及一種智能井井下監(jiān)控裝置，包括在各油氣產層上設置的壓力、溫度、位移傳感器，包括采集、通訊、控制在內的電路短節(jié)，以及電纜以及電纜保護管線；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，完成產層與地面，以及地面與地面之間的通訊，發(fā)出定時脈沖驅動電磁換向閥動作，控制滑套的開啟。本實用新型主要完成油道滑套開啟度反饋、油氣層的壓力、溫度監(jiān)測，以及按地面生產調整指令來控制井下電磁換向閥動作，實現(xiàn)對滑套開啟度的調整，達到井下油氣層狀態(tài)監(jiān)測和生產調控的目的。
文檔編號E21B47/00GK202100249SQ20112005015
公開日2012年1月4日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權日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