专利名称：井下数据采集装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及数据的采集领域，特别涉及一种在井下高温高压的环境中进行数据采集的装置。
背景技术：
环空压力已成为钻井过程中的标准测量参数。在常规钻井中，利用环空压力可以优化钻井液重度和当量循环密度，这有助于控制当量循环密度和当量静液密度，使其保持在地层破裂压力梯度、孔隙压力梯度和井眼稳定压力梯度的预定窗口内，以防止井漏和保持井眼稳定。利用环空压力还可以监测井眼净化情况，提高钻井速度，帮助建立地层压力恢复算法，这有助于欠平衡钻井，防止井涌、井喷、地层损害或意外的循环漏失。管柱压力可以作为参数来实时监测管柱内的钻井液压力，通过与环空中钻井液压力的结合计算，更准确地优化井下钻井液当量循环密度，避免井下事故的发生，有助于指导欠平衡钻井和常规压井的实施，同时可以用于接收钻井液下传信号。井下温度可以作为参数来实时监测钻井液温度，通过模型计算可以辅助预测地层温度和地层压力，从而可以随钻推荐钻井液循环当量密度，实现对井下压力和地层压力的差值的精确控制，为钻井液密度的设计和欠平衡钻井井下负压控制提供依据，同时避免因钻井液密度测量时间滞后而引起的钻井事故。井下温度还是查证和排除井下仪器运行故障最有效的测量参数之一，可用来更好地监测影响钻井效率的井底因素，从而有效地保证仪器在安全状态下工作。同步采集环空压力、井下温度和管柱压力，并实时上传到地面监测平台，可以让监测平台及时识别井下异常情况并提出补救措施，这有助于防止井下复杂情况和事故的发生，同时还有利于建立地层压力恢复模型。专利文献CN201460878U公开了一种油水井管柱压力测量装置，该装置由压力表、卸压阀、单向阀和四通接头组成。该装置为一种地面机械测量装置，适用于在修井作业中对油管漏失进行打压查漏，不适用于井下工作环境。专利文献CN201896609U公开了一种新型井下无线移动式安全数据采集装置，包括壳体和设置在壳体表面的显示装置，壳体内设置有瓦斯浓度传感器、压力传感器、变送器、模拟/数字转换模块、无线传输模块、单片机和声光报警器。该装置通过ZIGBEE协议进行无线传输。该装置适用于矿井环境，不适用于油气井工作环境。专利文献CN201233288Y公开了一种多路数据采集装置，包括选择器、放大器、模数转换模块和中央处理器，所述放大器连接在选择器和模数转换模块之间，所述中央处理器与放大器相连；所述选择器接收传感器的多路输出信号并在中央处理器的控制下分时将多路信号送至放大器进行放大，所述放大器将放大后的多路信号送至模数转换模块进行模数转换。该系统所选元器件体积偏大，适用于常温常压的地面环境，不适用于高温高压的井下工作环境。专利文献CN101382782A公开了一种矿井下数据采集装置，该系统采用TCP/IP通信与总控中心连接，数据采集分站通过CAN接口井下监控模块连接。该系统所选元器件体积和散热偏大，适用于常温常压的矿井环境，不适用于高温高压的油气井下环境。2009年2月的《石油仪器》公开了论文《井下仪器通用数据采集传输模块设计》，该论文涉及一种井下通用数据采集传输模块，该模块采用双CPU结构，由FPGA完成井下电路的时序控制和数据采集，采用外置12比特的串行A/D转换模块进行数据转换，并通过FIFO将数据发送给DSP，再由CAN接口将采集的数据发送给谣传短节。双CPU结构和外置A/D模块增加了开发成本和系统体积，降低了系统集成度。2006年8月的《西南石油学院学报》公开了论文《基于DSP技术的钻井参数数据采集系统的设计》，该论文涉及一种基于DSP技术的钻井工程参数随钻数据采集系统。可以用于钻压、扭距、侧向力、环空压力等钻井工程参数的随钻测试。该数据采集装置采用TI的TMS320LF2407A型DSP为处理器进行数据处理，采用ATMEL的16M比特存储器，RS232作为通讯协议。该系统的关键元器件的工作温度的范围为_40°C至+85°C，不适用于高温井下环境。综上所述，目前相关技术主要采用DSP或“DSP加FPGA”为主处理器，主要适用于地面和矿井的常温常压环境，不适合井下高温高压的环境；部分装置集成度较低，体积庞大；同时，以上文献未提及数据采集装置的供电方式、无线传输方式和安装方式。
实用新型内容针对现有技术中所存在的上述技术问题，本实用新型提出了一种井下数据采集装置，其不但能够在高温高压的井下环境中工作，同时集成度较高，适用于狭小的空间，并且设计了多种供电模式和传输模式，使得本装置在遇到部分井下故障时仍可正常工作。根据本实用新型，设计了一种安装在钻杆上的井下数据采集装置，其包括壳体、与该壳体相连接的用来测量井下数据的传感器模块，以及安装在壳体内的用来接收和处理来自传感器模块的信号的控制电路板。控制电路板包括对来自传感器模块的信号进行调理的信号调理模块、对调理后的信号进行A/D转换的微处理器模块，以及将微处理器模块处理后的信号传送到信号传输短节的通讯模块，其中，信号调理模块和通讯模块由微处理器丰吴块控制。在一个实施例中，根据本实用新型的井下数据采集装置还包括电源组件，其包括供电模块和将供电模块提供的电压转换为直流电的电源转换模块。在一个实施例中，控制电路板还包括由微处理器模块控制的用来存储A/D转换后的数字信号的存储模块。在一个实施例中，传感器模块包括三个压力传感器和一个温度传感器。在一个实施例中，三个压力传感器中的两个是环空压力传感器，另一个是管柱压力传感器。在一个实施例中，供电模块包括下述之一设置在钻杆的信号传输短节中的电池组、井下涡轮发电机以及与控制电路板安装在同一短节内的电池组。在一个实施例中,信号调理模块包括惠斯登全桥电路和仪表放大器。在一个实施例中，微处理器模块还包括程序存贮器和数据存贮器，用来对预先设定的关键数据进行分析和计算。 在一个实施例中，控制电路板固定于壳体双侧的卡槽中。[0022]在一个实施例中，根据本实用新型的井下数据采集装置还包括设置在钻杆上的电磁波信号传输短节或泥浆脉冲信号传输短节，用于将通讯模块中的数据传送至地面。根据本实用新型的井下数据采集装置，通过设计控制电路板，有效地增强了装置的集成度，特别适合于安装在钻柱的狭小空间中；装置的设计使其能够在井下高温高压的环境中正常工作；同时，三种供电模式的设计和两种传输模式的设计增强了装置的抗故障能力。
以下结合附图来对本实用新型进行详细的说明。然而应当理解，这些附图仅用于显示本实用新型的结构，并不对本实用新型起任何限制作用。
图1为根据本实用新型的井下数据采集装置的示意图；图2为根据本实用新型的井下数据采集装置的框图；图3为根据本实用新型的井下数据采集装置的信号调理模块的示意图；图4为根据本实用新型的井下数据采集装置的电源组件的框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。
图1示意性显示了根据本实用新型的井下数据采集装置100，其包括壳体1，压力传感器7、11和12，温度传感器6，以及控制电路板3。在一个实施例中，壳体I可以选择阳极氧化处理过的铝质安装盒，这样既能够提高系统的耐磨性和耐蚀性，同时其质量轻巧，外形规则，便于装置的整体安装、拆卸和更换，降低了钻杆本体的机械加工难度，同时也利于内部电子元器件的散热。壳体I通过安装孔5安装到钻杆本体上。在壳体I内可填装适当的填充物2。在本实施例中，采用耐高温170°C以上的制板工艺来印制控制电路板3，控制电路板3中的电子元器件采用熔点达200°C以上的无铅焊锡丝进行焊接。控制电路板3插进铝盒的双侧卡槽中进行固定，并且采用耐高温聚氨酯进行灌封固定。压力传感器7、11和12以及温度传感器6固定在测量短节的预留安装孔内，并且采用焊接与耐高温信号线8进行连接。耐高温信号线8穿入PET (聚酯)热缩套管9，以减少腐蚀保护电线、提升耐温和绝缘性能，同时减小线路体积和保持工整，便于钻杆内狭窄空间中的串线和拆卸。耐高温信号线8的另一端焊接在微距接插件10的母头端，母头端与控制电路板上的接插件的公头端进行对接。采用耐高温、耐高压和防腐蚀的铝质盖板将铝盒密封起来，用6颗直径4. 5mm的十字螺纹将其进行紧固。整个铝盒体安装在测量短节预留的160mmX40mmX45mm的空腔内，进行灌封和安装端面密封圈后安装经过热处理的例如可以是4145H合金钢的钻铤材质盖板，采用10颗直径3mm的内六角螺栓进行紧固，使得整个数据采集装置免于承受高压作用，同时避免冲蚀和腐蚀。在一个实施例中，三个压力传感器7、11和12均为同一型号的应力压力传感器，其中两个压力传感器为环空压力传感器，一个压力传感器为管柱压力传感器。温度传感器6对环空中钻井液的温度进行测量，同时还对压力传感器的测量值进行温度漂移补偿。温度传感器6选用钼电阻温度传感器，因为钼电阻稳定性和线性度较好，耐氧化能力强，适用于中等范围的温度测量(此处的中等温度范围是相对于钼电阻200 600°C的超高温范围而言)。参照图2，根据本实用新型，控制电路板3包括信号调理模块、微处理器模块、通讯模块以及存储模块。其中微处理器模块控制着信号调理模块、通讯模块和存储模块。信号调理模块连接传感器和微处理器模块，其将传感器采集到的电路信号进行调理后传输到微处理器模块进行后期处理。在本实施例中，整个信号调理模块由4块信号调理电路组成，每一块信号调理电路连接一个传感器，配合微处理器模块的A/D转换器，可以实现四路信号同步采集。信号调理电路主要包括惠斯登全桥电路和仪表放大器，其中仪表放大器包括3个运算放大器，其示意图如图3所示。信号调理模块采用的是惠斯登全桥硅绝缘技术，传感器模块的输出端向信号调理模块提供激励输入电压，电桥的输出端输出电压。微处理器模块包括中央处理单元(CPU)、程序存贮器、数据存贮器、A/D转换器等单元。微处理器模块实现对信号调理模块、通讯模块和存储模块的控制和管理，通过通讯模块接到地面指令后启动数据采集装置，接到由信号调理模块传输过来的模拟电压信号后，进行A/D (模拟/数字)转换，并通过预先设计的程序完成对一些关键数据的分析和计算，按照通信协议和数据格式将需要上传的数据进行打包和加密，再传送至通讯模块。通讯模块由微处理器模块控制，将微处理器模块中A/D转换后的数字信号，通过信号线上传至信号传输短节，再上传至地面接收机，以便及时进行提取和后期处理。为保证采集的数据有效地被记录，除了采用通讯模块向地面传输数据，根据本实用新型的数据采集装置同时设计了数据存储模块。数据存储模块由微处理器模块控制，其包括存储器。数据存储模块把在微处理器模块中进行了 A/D转换后的数字信号记录在存储器中。这样即使通讯模块出现故障，也可从存储器中恢复数据。根据本实用新型的井下数据采集装置还包括电源组件。电源组件包括供电模块和将供电模块提供的电压转换为直流电的电源转换模块4。参照
图1，电源转换模块4采用导热性良好、电性能好、耐高低温性强、抗老化性好、弹性高并且易于拆除修复的硅胶固定在壳体I上，这使得电源转换模块紧挨控制电路板3，缩短了仪器连接走线，并在解决了散热问题的同时能够适应井下振动和冲击的环境。参照图4，供电模块向整个数据采集装置内各芯片提供正常工作所需电源。本装置有三种供电模式可以选择第一种是采用井下涡轮发电机进行供电，通过微型接插件与电源转换模块中的AC/DC模块的输入端相连接；第二种是采用安装在信号传输短节内的电池筒进行供电，将电池筒输出端引出两根电源线，通过微型接插件与电源转换模块中的DC/DC模块的输入端相连；最后一种是采用数据采集装置内自带的电源，其与控制电路板3 —起安装在同一短节内，与电源转换模块中的DC/DC模块的输入端相连。在泥浆泵处于开泵状态时，三种供电模式都可采用，采用涡轮发电机供电将节省电池能量，同时在深井高温环境中，电池的放电速度增加，涡轮发电机工作更稳定可靠；在泥浆泵处于关泵状态时，只能采用电池对井下数据采集装置100进行供电；当采用前两种供电模式时，数据采集装置自带的电源可以作为备用电源，使得在外部供电中断时，数据采集装置仍然能正常工作。数据采集装置内自带的电源可以采用具有高能量比和高放电倍率的配备有防止反向充电保护电路的高温锂电池。根据本实用新型的井下数据采集装置还可以包括电磁波信号传输短节或泥浆脉冲信号传输短节，来进行双向实时传输。当泥浆泵处于开泵状态时，两种信号传输短节都可采用；当泥浆泵处于关泵状态时，只能采用电磁波信号传输短节进行传输；在空气钻井中或井深超过3000米时，只能采用泥浆脉冲信号传输短节进行传输。信号传输短节通过高温信号线和微距接插件与数据采集装置的通讯模块进行连接。根据本实用新型的数据采集装置在工作时，首先从地面通过泥浆泵、信号传输短节和通讯模块将测量指令传递给微处理器模块，微处理器模块根据预先设定程序将工作指令发至传感器模块，然后由传感器模块对井下参数进行测量，测量后将信号传给信号调理模块，由信号调理模块进行调理，之后将调理后的信号传送到微处理器模块。微处理器模块利用自身的A/D转换器对接收到的信号进行A/D转换，然后通过预先设定的程序对生成的数字信号中的一些关键数据进行分析和计算，之后通过通信协议和数据格式将需要上传的数据打包，传送至信号传输短节；同时生成的数字信号存储到存储模块中以备用；本数据采集装置所需要的能量由供电模块提供，并通过电源转换模块转换为直流电后提供给其它模块。虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部器。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
权利要求1.一种安装在钻杆上的井下数据采集装置，包括壳体；与所述壳体相连接的用来测量井下数据的传感器模块；以及安装在壳体内的用来接收和处理来自所述传感器模块的信号的控制电路板，其特征在于，所述控制电路板包括对来自所述传感器模块的信号进行调理的信号调理模块、对调理后的信号进行A/D转换的微处理器模块，以及将微处理器模块处理后的信号传送到信号传输短节的通讯模块，其中，所述信号调理模块和所述通讯模块由所述微处理器模块控制。
2.根据权利要求1所述的井下数据采集装置，其特征在于，还包括电源组件，所述电源组件包括供电模块和将供电模块提供的电压转换为直流电的电源转换模块。
3.根据权利要求1所述的井下数据采集装置，其特征在于，所述控制电路板还包括由所述微处理器模块控制的用来存储A/D转换后的数字信号的存储模块。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的井下数据采集装置，其特征在于，所述传感器模块包括三个压力传感器和一个温度传感器。
5.根据权利要求4所述的井下数据采集装置，其特征在于，所述三个压力传感器中的两个是环空压力传感器，另一个是管柱压力传感器。
6.根据权利要求2所述的井下数据采集装置，其特征在于，所述供电模块包括下述之一设置在钻杆的信号传输短节中的电池组、井下涡轮发电机以及与所述控制电路板安装在同一短节内的电池组。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的井下数据采集装置，其特征在于，所述信号调理模块包括惠斯登全桥电路和仪表放大器。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的井下数据采集装置，其特征在于，所述微处理器模块还包括程序存贮器和数据存贮器，用来对预先设定的关键数据进行分析和计算。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的井下数据采集装置，其特征在于，所述控制电路板固定于所述壳体双侧的卡槽中。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的井下数据采集装置，其特征在于，还包括设置在钻杆上的电磁波信号传输短节或泥浆脉冲信号传输短节，用于将通讯模块中的数据传送至地面。
专利摘要本实用新型涉及一种井下数据采集装置，安装在钻杆上，包括壳体，与壳体相连接的用来测量井下数据的传感器模块，以及安装在壳体内的用来接收和处理来自传感器模块的信号的控制电路板。控制电路板包括对来自传感器模块的信号进行调理的信号调理模块、对调理后的信号进行A/D转换的微处理器模块，以及将微处理器模块处理后的信号传送到信号传输短节的通讯模块，其中信号调理模块和通讯模块由微处理器模块控制。从而使该装置集成度高，可以应用于高温高压的井下环境中，并且抗故障性能好。
文档编号E21B47/12GK202882897SQ20122051867
公开日2013年4月17日 申请日期2012年10月10日 优先权日2012年10月10日
发明者王磊, 郑俊华, 牛新明, 钱德儒, 宗艳波, 杨春国, 高炳堂, 马广军, 詹美玲 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院