油井井下高溫度和壓力測試系統(tǒng)研究與應用

摘要：為了對井下溫度壓力參數(shù)測試系統(tǒng)進行研制，采用鉑電阻和藍寶石硅晶體作為前端傳感器，系統(tǒng)采用井下直接測量，避免通過中間介質進行傳導，可實現(xiàn)較小誤差。恒流源驅動方式使采集前端信號工作穩(wěn)定，采用時間同步的方式將采集信號與深度關聯(lián)，數(shù)據(jù)分析時能夠繪出溫度壓強隨油井深度變化的曲線，實現(xiàn)精確測量，掌握地層分布規(guī)律。
關鍵詞：PT100；高溫度；壓力測量；恒流源

0 引言
在開采石油的過程中，井下的溫度和壓強是必不可少的測量參數(shù)，準確的井下溫度和壓強測量對于油井監(jiān)測等都具有重要的作用。油田投入開發(fā)后，隨著開采時間的增長，油層壓力不斷下降，地下原油大量脫氣，粘度增加，油井產(chǎn)量大大減少，甚至會停噴停產(chǎn)。為了彌補原油采出后所造成的地下虧空，保持或提高油層壓力，實現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，利用注水井把水(或者氣)注入油層，以補充和保持油層壓力。然而采取這些操作時一定要在對井下條件有全面了解之后才能進行。在傳統(tǒng)的測量井溫過程中，使用了紅外測溫儀、紅外熱成像儀、溫度傳感器陣列等，但由于井下環(huán)境對測試儀器產(chǎn)生很大的影響，容易造成測試誤差，且對于溫度場的測量有很多不足。油井高溫高壓測量變送儀中溫度傳感器采用熱電偶，熱電偶具有耐高溫，精確度高的優(yōu)點。壓強傳感器采用藍寶石壓力傳感器，以耐溫耐壓外殼封裝，保證在惡劣環(huán)境中能正常工作，在一次下井的過程中就完成對不同深度溫度和壓強的測量、存儲和處理，而且本儀器在保證測量精度的條件下采用了盡量簡單
的方法，儀器直接進入油層中進行測量，省去了中間的傳輸介質，以免造成不必要的失真。井上控制部分和手持終端則實現(xiàn)了信息的對接、處理及存儲，能夠精確地對溫度及壓強進行測量。

1 硬件系統(tǒng)構成
1．1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由微控制器、溫度傳感器、壓強傳感器、模／數(shù)轉換器、時鐘、存儲器、電源以及耐壓耐高溫外殼等部分組成。油井溫度在150℃范圍內，選用熱電阻PT1000作為溫度傳感器，它具有耐高溫，靈敏度高，壽命長，經(jīng)濟的特點。采用恒流源驅動測量方式，具有穩(wěn)定性好，靈敏度高，精度高等優(yōu)點。壓強傳感器采用藍寶石壓力傳感器，壓強為30 MPa以下，溫度信號與壓力信號經(jīng)過放大電路放大，由微處理器片內兩路10位A／D轉換器轉換為數(shù)字量進行存儲處理，MCU微處理器選用PIC16F876單片機，將所需數(shù)據(jù)以及當前時刻相關聯(lián)，輸出到存儲器保存，具有體積小，功耗低和內高溫，工作穩(wěn)定等特點，系統(tǒng)總框圖如圖1所示。

1．2 恒流源驅動
由于溫度對集成運放參數(shù)影響不如對晶體管或場效應管參數(shù)影響顯著，由集成運放構成的恒流源具有穩(wěn)定性更好，恒流性能更高的優(yōu)點，尤其在負載一端需要接地的情況下。采用雙運放恒流源驅動PT1000，如圖2所示。其中，放大器U1構成加法器；U2構成跟隨器，U1，U2均選用低噪聲、低失調、高開環(huán)增益雙極性運算放大器OP07。設圖2中參考電阻R5上下兩端的電位分別為Va和Vb，Va即為同相加法器U1的輸出，當取電阻R1=R2，R3=R4時，則Va=VREF+Vb，故恒流源的輸出電流為：
I=(Va-Vb)／R5=VREF／R5 (1)
該雙運放恒流源具有負載可接地，當運放為雙電源供電時，輸出電流為雙極性，恒定電流大小通過改變輸入?yún)⒖蓟鶞蔞REF或調整參考電阻R5的大小來實現(xiàn)，很容易得到穩(wěn)定的小電流和補償校準。由于電阻的失配，參考電阻R5的兩端電壓將會受到其驅動負載端電壓的影響，從而會影響恒流源的穩(wěn)定性。顯然這對高精度的恒流源是不能接受的。所以R1～R4這4個電阻的選取原則是失配要盡量的小，且每對電阻的失配大小方向要一致。采用精密電阻進行篩選，選出其中阻值接近的4個電阻。