油井井下高温度和压力测试系统研究与应用

摘要：为了对井下温度压力参数测试系统进行研制，采用铂电阻和蓝宝石硅晶体作为前端传感器，系统采用井下直接测量，避免通过中间介质进行传导，可实现较小误差。恒流源驱动方式使采集前端信号工作稳定，采用时间同步的方式将采集信号与深度关联，数据分析时能够绘出温度压强随油井深度变化的曲线，实现精确测量，掌握地层分布规律。
关键词：PT100；高温度；压力测量；恒流源

0 引言
    在开采石油的过程中，井下的温度和压强是必不可少的测量参数，准确的井下温度和压强测量对于油井监测等都具有重要的作用。油田投入开发后，随着开采时间的增长，油层压力不断下降，地下原油大量脱气，粘度增加，油井产量大大减少，甚至会停喷停产。为了弥补原油采出后所造成的地下亏空，保持或提高油层压力，实现油田高产稳产，利用注水井把水(或者气)注入油层，以补充和保持油层压力。然而采取这些操作时一定要在对井下条件有全面了解之后才能进行。在传统的测量井温过程中，使用了红外测温仪、红外热成像仪、温度传感器阵列等，但由于井下环境对测试仪器产生很大的影响，容易造成测试误差，且对于温度场的测量有很多不足。油井高温高压测量变送仪中温度传感器采用热电偶，热电偶具有耐高温，精确度高的优点。压强传感器采用蓝宝石压力传感器，以耐温耐压外壳封装，保证在恶劣环境中能正常工作，在一次下井的过程中就完成对不同深度温度和压强的测量、存储和处理，而且本仪器在保证测量精度的条件下采用了尽量简单
的方法，仪器直接进入油层中进行测量，省去了中间的传输介质，以免造成不必要的失真。井上控制部分和手持终端则实现了信息的对接、处理及存储，能够精确地对温度及压强进行测量。

1 硬件系统构成
1．1 系统组成
    系统由微控制器、温度传感器、压强传感器、模／数转换器、时钟、存储器、电源以及耐压耐高温外壳等部分组成。油井温度在150℃范围内，选用热电阻PT1000作为温度传感器，它具有耐高温，灵敏度高，寿命长，经济的特点。采用恒流源驱动测量方式，具有稳定性好，灵敏度高，精度高等优点。压强传感器采用蓝宝石压力传感器，压强为30 MPa以下，温度信号与压力信号经过放大电路放大，由微处理器片内两路10位A／D转换器转换为数字量进行存储处理，MCU微处理器选用PIC16F876单片机，将所需数据以及当前时刻相关联，输出到存储器保存，具有体积小，功耗低和内高温，工作稳定等特点，系统总框图如图1所示。

1．2 恒流源驱动
    由于温度对集成运放参数影响不如对晶体管或场效应管参数影响显著，由集成运放构成的恒流源具有稳定性更好，恒流性能更高的优点，尤其在负载一端需要接地的情况下。采用双运放恒流源驱动PT1000，如图2所示。其中，放大器U1构成加法器；U2构成跟随器，U1，U2均选用低噪声、低失调、高开环增益双极性运算放大器OP07。设图2中参考电阻R5上下两端的电位分别为Va和Vb，Va即为同相加法器U1的输出，当取电阻R1=R2，R3=R4时，则Va=VREF+Vb，故恒流源的输出电流为：
    I=(Va-Vb)／R5=VREF／R5        (1)
    该双运放恒流源具有负载可接地，当运放为双电源供电时，输出电流为双极性，恒定电流大小通过改变输入参考基准VREF或调整参考电阻R5的大小来实现，很容易得到稳定的小电流和补偿校准。由于电阻的失配，参考电阻R5的两端电压将会受到其驱动负载端电压的影响，从而会影响恒流源的稳定性。显然这对高精度的恒流源是不能接受的。所以R1～R4这4个电阻的选取原则是失配要尽量的小，且每对电阻的失配大小方向要一致。采用精密电阻进行筛选，选出其中阻值接近的4个电阻。
1．3 信号采集
    本系统所需恒流源要具有输出电流恒定，温度稳定性好，输出电阻很大，输出电流小于0．5 mA，负载一端接地，输出电流极性可改变。选用仪表芯片AD620进行信号放大。采用OP07进行进一步放大。并送入片内10位A／D转换器。温度放大电路如图3所示。压力信号采集采用蓝宝石硅晶体，电路如图4所示，选用AD623进行进放大，信号经过放大进入PIC单片机内部10位A／D转换器。

2 系统软件处理
2．1 软件补偿
    扩散硅压力传感器以其独特的优点而获得了广泛的应用，但因其热灵敏度漂移的存在而降低了精度，影响了它在温度变化较大情况下的使用。对扩散硅压力传感器热灵敏度漂移的补偿方法主要有软件补偿。由于该系统为闭环控制系统采用PID控制算法。由于该系统降温部分采取PWM作为控制量，升温部分把电压有效值作为控制量，故采取数字PID增量型控制算法。数字PID增量型控制算式为：
   
2．2 程序框图
    系统下位机流程图如图5所示。

3 结语
    本系统设计包括了前端弱信号检测和放大调理、滤波、温度和压力补偿、单片机数据采集处理和存储等功能，同时开发相应上位机处理软件和终端系统，在测井模拟实验室进行测量实验。结果表明，系统长期运行稳定，温度和压力精度较高，完全适合现场油井测试的应用。