田文鶴 周 靜

(西安石油大學(xué)井下測控研究所 陜西西安)

一種井下壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)＊

田文鶴 周 靜

(西安石油大學(xué)井下測控研究所 陜西西安)

為了對鉆桿在井下工作時的液體壓力變化進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一套壓力監(jiān)測系統(tǒng),它可實(shí)時監(jiān)測出液壓的變化情況,并將壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛骘@示系統(tǒng),從而對井下系統(tǒng)失壓、系統(tǒng)壓力波動與不穩(wěn)等與壓力相關(guān)的故障進(jìn)行相應(yīng)的處理。

可控偏心器;監(jiān)測;液壓;系統(tǒng)失壓;壓力波動

0 引 言

在油田勘探、開發(fā)過程中,常常需要對溫度,壓力等參數(shù)進(jìn)行連續(xù)的、動態(tài)的監(jiān)測,以便及時準(zhǔn)確地掌握井下液壓系統(tǒng)的變化狀況,同時把測量數(shù)據(jù)實(shí)時準(zhǔn)確地傳送到地面,以實(shí)施人工監(jiān)控[1]。這樣就需要把采集溫度、壓力信息的傳感器安裝在井下工作的鉆柱上,使其獲得準(zhǔn)確、及時的數(shù)據(jù)信息。這些傳感器隨著鉆機(jī)的鉆進(jìn)在井下進(jìn)行測量,同時傳感器采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)降孛?使工程技術(shù)人員可以及時了解導(dǎo)向工具的液壓變化狀況。

1 壓力檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 可控偏心器結(jié)構(gòu)

本設(shè)計方案以可控偏心器為通道研究其內(nèi)部液體的壓力變化,壓力檢測系統(tǒng)與可控偏心器的連接結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 可控偏心器與傳感器連接簡圖

1.2 壓力檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

該壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由四部分組成:壓力傳感器、信號調(diào)理電路、下位機(jī)數(shù)據(jù)采集板、上位機(jī)顯示界面。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 壓力檢測系統(tǒng)原理框圖

1)壓力傳感器:采用美國Honeywell公司生產(chǎn)的S型壓力傳感器,它內(nèi)部采用電橋式結(jié)構(gòu),可以提高輸出靈敏度。通過連接可控偏心器來監(jiān)測其中的壓力變化,并將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號后送到信號調(diào)理電路;

2)信號調(diào)理電路:該信號調(diào)理電路采用自動穩(wěn)零功能的AD8230[2]取代分立器件構(gòu)成的運(yùn)算放大器,具有線性度好、穩(wěn)定性高、體積小、可靠性高等特點(diǎn)。由于壓力傳感器送到調(diào)理電路的電信號非常微弱,所以需要經(jīng)過調(diào)理電路放大處理和濾波后送入到數(shù)據(jù)采集板;

3)數(shù)據(jù)采集板:采用C8051F060單片機(jī)[3]作為下位機(jī)主控芯片,它含有一個16路的模擬數(shù)據(jù)選通開關(guān),上位機(jī)程序中設(shè)定有一路用于采集壓力信號。一個公用的12位A/D轉(zhuǎn)換器和一個采樣保持電路,它可在程序控制下對采集到的壓力信號進(jìn)行瞬時采樣而后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,由下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)通過串行通信口傳輸至上位機(jī)(PC機(jī))進(jìn)行信號處理與分析;

下位機(jī)程序主要包括:下位機(jī)數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收子程序。采集框圖如圖3所示。

4)上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

圖3 壓力采集框圖

上位機(jī)應(yīng)用程序運(yùn)用VB語言開發(fā),通過串口程序接收采集到的數(shù)據(jù)[4]。相關(guān)的程序如下:

Dim x As Long

Dim y As Long

Dim z As Long

Dim s As Single

Dim s0 As Single

Dim wendu As Single

Dim ss As Single

Dim xx As Integer

Static a As Single

Dim Buffer()As Byte

Select Case MSComm1.CommEvent

Case comEvReceive

Buffer=MSComm1.Input

x=Buffer(0)

y=Buffer(1)

z=x＊256+y

s0=-5.18221+0.000154544＊z %電路板采集電路系數(shù)

s=-0.13179+15.94229＊s0 %傳感器與調(diào)理板的系數(shù)

ss=s

程序運(yùn)行后,數(shù)據(jù)采集與存儲的操作界面如圖4所示:根據(jù)實(shí)際情況對操作界面上的各個參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,對不同的壓力值進(jìn)行采集與存儲,再結(jié)合Origin7.5對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。

圖4 壓力采集系統(tǒng)上位機(jī)界面

2 系統(tǒng)測試

2.1 通道板精度標(biāo)定

為了提高該系統(tǒng)的精度,所以對數(shù)據(jù)采集板的AD重新做了標(biāo)定,標(biāo)定曲線如圖5所示。

圖5 AD標(biāo)定曲線

由圖5可以看出,AD標(biāo)定曲線圖線性非常好,這樣采集出來電壓的量化臺階數(shù)就會很精確,從而可以提高壓力檢測系統(tǒng)的工作性能[2]。

2.2 壓力檢測系統(tǒng)精度測試

1)檢測方法

將壓力傳感器接在活塞式壓力計上,以10 MPa為單位加壓,同時利用壓力檢測系統(tǒng)來采集并存儲壓力傳感器輸出的敏感信號,并將上位機(jī)程序中采集出來的量化臺階數(shù)轉(zhuǎn)換為壓力值,來校驗(yàn)壓力檢測系統(tǒng)的精度。數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 壓力檢測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

2)精度計算

S=(最大偏差/壓力傳感器量程)×1000‰

=(0.2896/69)×1000‰=4.2‰

3 結(jié)束語

該壓力檢測系統(tǒng)檢測出的壓力變化偏差較小,系統(tǒng)精度為4.2‰,該指標(biāo)可以滿足液壓系統(tǒng)的檢測要求,可靠性較高,有利于檢測井下液壓系統(tǒng)各部位的壓力變化情況及工作狀況,從而便于故障的查找分析及排除。

[1] 范大勇.井下狀態(tài)監(jiān)測與信號傳輸技術(shù)研究[D].中國學(xué)位論文分類號:TE357.8,2009

[2] 陳淑芳.一種高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬信號調(diào)理電路的設(shè)計[J].長沙鐵道學(xué)院學(xué)報,2008,9(1)

[3] 潘琢金,施國君.C8051Fxxx高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002

[4] 李念強(qiáng),魏長智,潘建軍,等.數(shù)據(jù)采集技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版,2009

[5] 張華禮,謝南星.氣井永置式井下壓力溫度監(jiān)測技術(shù)及其應(yīng)用展望[J].鉆采工藝,2005,28(1),24(6):7～8

In order to achieve real-time monitoring of the liquid pressure changes in the underground work of drill pipe,we design and implement a pressure monitoring system.It can monitor fluid pressure changes in real time,and transfer pressure data to the surface display system,and successfully treatment stress faults such as system pressure loss,system pressure fluctuation and instability in downhole.

Key words:XTCS;monitor;liquid pressure;pressure loss;pressure fluctuation

Design and implementation of a downhole pressure monitoring system.

Tian Wenhe and Zhou Jing.

TE271

B

1004-9134(2010)06-0007-02

國家高科技研究發(fā)展計劃(國家863項目)重大課題:旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可控偏心器工程化技術(shù)研究

田文鶴,男,1986年生,目前就讀于西安石油大學(xué)井下測控研究室信號與信息處理專業(yè)。郵編:710065

2010-04-09編輯:姜 婷)