水压致裂井下数字化数据采集系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种水压致裂井下数字化数据采集系统，包括设于井上的高压泵和流量计，深入井下的水压管，水压管穿过井下通过跨接式封隔器封隔的压裂段，水压管在所述压裂段处设有注水阀门，水压管在所述跨接式封隔器的上部设有井下开关，水压管的下端穿过跨接式封隔器的下部并连接有井下数字化数据采集系统，井下数字化数据采集系统内集成有压力传感器和数字采集电路，水压管的下端出水口与压力传感器的输入端连接，压力传感器的输出端与数字采集电路连接，数字采集电路设有端部接口。能够获得更真实的原地应力信息，为构造应力场的研究提供更准确的基础资料。
【专利说明】水压致裂井下数字化数据采集系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种水压致裂法应力测量技术，尤其涉及一种能够获得压裂段真实压力变化值的水压致裂井下数字化数据采集系统。
【背景技术】
[0002]目前，在水压致裂法应力测量在压裂过程中，通过在井上的压力传感器和数据记录器记录压力随时间的变化，然后根据压力时间记录曲线提取相关参数，经过理论换算后求出原地主应力的大小。
[0003]如图1a所示，为现有技术中水压致裂法应力测量系统示意图，其方法是利用一对可膨胀的封隔器在选定的测量深度封隔一段钻孔，然后泵入流体对该试验段(常称压裂段)增压，同时利用数据记录器记录压力、流量随时间的变化，最后根据压力时间曲线求出原地主应力的大小，主应力方位可根据印模确定的破裂方位而定。图中:数据记录器I用于记录及监测压力、流量的同步变化，包括X-Y记录仪、磁带记录仪以及数据采集器；高压泵2用于泵入流体；压力传感器3监测压力变化；流量计4监测泵压速率；水压管5是流体通道；井口套管6用于保护水压管5以及井下装置；井下开关7实现井下座封、关闭以及压力转换，方便快捷；跨接式封隔器8封隔压裂段9，也称试验段；注水阀门10用于水压管5向试验段9注水；钻孔11。由图1a可以看出，压力传感器3置于井上，测量过程中通过与之相连的数据记录器I记录压力随时间变化的曲线。
[0004]上述现有技术至少存在以下缺陷:
[0005]由于钻杆和封隔器的变形、钻孔变形、流体压缩、泵压速率以及残余裂隙等的影响，井上压力传感器所测量的压力值并不能准确的反映井下压裂段真实的压力变化值，从其压力时间记录曲线提取的参数所计算的原地主应力值与真实的原地主应力值有比较大的差异。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的是提供一种能够获得压裂段真实压力变化值的水压致裂井下数字化数据采集系统。
[0007]本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:
[0008]本实用新型的水压致裂井下数字化数据采集系统，包括设于井上的高压泵和流量计，深入井下的水压管，所述水压管穿过井下通过跨接式封隔器封隔的压裂段，所述水压管在所述压裂段处设有注水阀门，所述水压管在所述跨接式封隔器的上部设有井下开关，所述水压管的下端穿过所述跨接式封隔器的下部并连接有井下数字化数据采集系统，所述井下数字化数据采集系统内集成有压力传感器和数字采集电路，所述水压管的下端出水口与所述压力传感器的输入端连接，所述压力传感器的输出端与所述数字采集电路连接，所述数字采集电路设有端部接口。
[0009]由上述本实用新型提供的技术方案可知，本实用新型的水压致裂井下数字化数据采集系统，由于将压力传感器移至井下，与数字采集电路集成，形成一套井下数字化数据采集系统，置于下封隔器底端，通过系统进水口使压力传感器与压裂段直接相通，从而能够获得更真实的原地应力信息，为构造应力场的研究提供更准确的基础资料。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1a为现有技术中水压致裂法应力测量系统的布置示意图；
[0011]图1b为本实用新型实施例提供的水压致裂井下数字化数据采集系统的布置示意图；
[0012]图2为本实用新型实施例中井下数字化数据采集系统整体结构设计示意图；
[0013]图3为本实用新型实施例中井下数字化数据采集系统电路设计示意图。
【具体实施方式】
[0014]下面对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0015]本实用新型的水压致裂井下数字化数据采集系统，其较佳的【具体实施方式】是:
[0016]包括设于井上的高压泵和流量计，深入井下的水压管，所述水压管穿过井下通过跨接式封隔器封隔的压裂段，所述水压管在所述压裂段处设有注水阀门，所述水压管在所述跨接式封隔器的上部设有井下开关，所述水压管的下端穿过所述跨接式封隔器的下部并连接有井下数字化数据采集系统，所述井下数字化数据采集系统内集成有压力传感器和数字采集电路，所述水压管的下端出水口与所述压力传感器的输入端连接，所述压力传感器的输出端与所述数字采集电路连接，所述数字采集电路设有端部接口。
[0017]所述井下数字化数据采集系统包括由基座、探头外筒和端部封帽密封的系统内仓，所述压力传感器固定在所述基座上，所述基座设有进水口，所述进水口的外端与所述水压管的下端出水口连接、内端与所述压力传感器的输入端连接。
[0018]所述端部接口包括RS232总线接口、电源充放电接口以及电路开关接口。
[0019]所述数字采集电路的外部涂有电路保护胶。
[0020]所述系统内仓设有电源卡槽，所述电源卡槽内固定有电源，所述数字采集电路通过装配立柱固定在所述基座上。
[0021 ] 所述电源为大容量聚合物锂电子电源。
[0022]所述数字采集电路包括依次连接的信号输入部分、数据处理部分、终端控制部分。
[0023]所述信号输入部分包括四路通道，每路通道分别与所述压力传感器的输出端连接。
[0024]所述数据处理部分包括依次连接的信号采集/调理电路、放大电路、A/D转换电路、AM7微控制器。
[0025]所述数据处理部分还包括实时时钟电路、电源模块/基准电源、大容量存储器、看门狗电路。
[0026]具体实施例:
[0027]如图1b所示，高压泵2用于泵入流体；流量计4监测泵压速率；水压管5是流体通道；井口套管6用于保护水压管5以及井下装置；井下开关7实现井下座封、关闭以及压力转换，方便快捷；跨接式封隔器8封隔压裂段9，也称试验段；注水阀门10用于水压管5向试验段9注水；井下数字化数据采集系统12 ;钻孔11。
[0028]压力传感器3监测压力变化，集成在井下数字化数据采集系统12内，精度高，尺寸小，与数字采集电路集成，形成一套高精度高准确率的井下数字化数据采集系统12，取代现有技术中的数据记录器，置于跨接式封隔器8的下封隔器底端，通过系统进水口使压力传感器3与压裂段9直接相通，从而解决了现有水压致裂法应力测量过程中井上压力传感器测量值不能准确反映井下压裂段9真实压力值的问题。
[0029]如图2所示，井下数字化数据采集系统主要包括:
[0030]端部封帽21，用来密封端部接口 24 ;端部紧固螺钉22，配合端部封帽21密封端部接口 24 ;端部密封O型圈23，配合端部封帽21密封端部接口 24 ;端部接口 24，包括RS232总线接口、电源充放电接口以及电路开关接口 ；系统探头外筒25，用于密封和保护系统内仓；导线26，连接端部接口 24与数字采集电路28 ;电路保护胶27，耐高温，用于电路板防潮、防腐、绝缘等；数字采集电路28，实现传感器信号的采集、分析处理以及存储；电源卡槽29，用于放置和固定电源；电源210，大容量聚合物锂电子电源，精度高稳定性好；压力传感器3，输入端与系统进水口 217相连，输出端与数字采集电路28相连；装配立柱212，用于支撑和固定数字采集电路28 ;传感器接口 213，用于安装和固定压力传感器；基座密封O型圈214，配合探头外筒25密封内仓；外筒紧固螺钉215,配合探头外筒25密封内仓；基座216,其上集成有数字采集电路28、电源210以及压力传感器3 ;进水口 217，与压力传感器3输入端相连。
[0031]如图3所示，为井下数字化数据采集系统电路设计框图，主要包括:
[0032]信号输入部分:四路通道31，最多可同时接收四路传感器输出模拟信号；
[0033]数据处理部分:信号采集/调理32，通过对输入信号的调理，使被测信号适合于A/D转换电路的要求；放大电路33，过滤噪声信号，放大模拟信号；A/D转换34，采用16位A/D转换器件AD974，精度高，转换速度快；AM7微控制器35，采用低功耗ARM7芯片LPC2214 ；实时时钟36，采用高精度实时时钟SD2303AP，时钟精度为±5ppm，年误差小于2.5分钟；电源模块/基准电源37，采用低噪声、高精度的基准电压源电路；大容量存储器38，采用具有4M非易失性FRAM存储器FM22L16 ;看门狗电路39，控制电路在编程模式和用户模式之间转换；
[0034]终端控制部分:地面可视化软件310。
[0035]本实用新型对现有水压致裂法应力测量技术的改进主要有两方面:
[0036]一方面，将井上压力传感器移至井下，置于下封隔器底端，直接与压裂段相通，避免了钻杆和封隔器的变形、钻孔变形、流体压缩、泵压速率以及残余裂隙等对压力测量结果的影响，另一方面，设计了智能化的数字化采集电路，与压力传感器集成，形成探头置于井下，取代了现有水压致裂法用地面数据记录器记录压力时间曲线的方式，采集精度更高，读取速度更快，存储容量更大，实时性更强，而且简化了水压致裂应力测量现场工作的流程，从而为获得真实原地主应力信息打下良好基础。
[0037]在井下数字化数据采集系统中，主要包括:
[0038]1.系统探头的机械设计、系统各功能单元的集成设计；探头机械设计主要包括探头外筒、基座、端部封帽、端部接口、电源卡槽、装配立柱、传感器接口以及进水口等。端部封帽、探头外筒以及基座紧密结合形成了一个封闭的系统内仓。探头顶端的端部接口包括RS232总线接口、电源充放电接口以及电路开关接口，与数字采集电路通过导线相连，实现系统与上位机软件通讯、电源充放电、以及开启闭合等功能。仓内基座上端分别设有电源卡槽、装配立柱、传感器接口，使电源、数字采集电路、和压力传感器能够相互独立地固定并集成在基座之上。基座下端设有进水口，与传感器接口相通，使压力传感器能够直接测量压裂段压力变化值。端部封帽在下井测量前密封端部接口，井上设置参数以及取数时再将其打开使上位机与4端部接口连接。井下数字化数据采集系统对系统各组成部分的尺寸有严格的要求，探头外径、基座内径、电路PCB设计、传感器尺寸、电源尺寸等都要在满足系统精度和准确度要求的同时尽可能小，以便集成后形成的探头符合当下水压致裂井下测量的需求。
[0039]2.系统的高压密封设计、电路的绝缘和防潮设计。主要依靠三方面设计来实现系统的高压密封，一是系统探头外筒与基座通过基座密封O型圈、外筒紧固螺钉密封内仓，二是I端部封帽与系统外筒通过端部紧固螺钉、端部密封O型圈密封端部接口，三是压力传感器与进水口相连的输入部分靠紧密螺纹和垫片紧压密封。数字采集电路被电路保护胶紧密包裹，从而起到电气隔离、绝缘保护的作用，还可防止井下潮湿环境对电路的腐蚀和侵害。
[0040]在井下数字化数据采集系统电路设计中，主要包括信号输入部分、数据处理部分、终端控制部分，下面分别进行介绍:
[0041]信号输入部分:共有四路通道，可同时接受四路传感器输出模拟信号。本系统采用的压力传感器尺寸小，精度高，输入压力值最大可达35Mp，且输入输出有非常好的线性关系O
[0042]数据处理部分:信号采集/调理，放大电路，采用电磁隔离技术，使输入、输出和电源间相互隔离，再通过滤波、放大，使被测信号满足A/D转换的需求。A/D转换部分采用高准确度和高分辨率的16位A/D转换器件AD974，它内置一个四通道输入多路复用器、一个逐次逼近型开关电容ADC、一个2.5V内部基准电压源和一个高速串行接口。中央控制单元采用低功耗5ARM7芯片LPC2214，支持实时仿真和嵌入式跟踪，适应体积小、集成度高、运算速度快和精确测量的系统设计要求。基准电压源选择掩埋齐纳型，其低噪声、高精度的特性使得A/D输出精度得以保证。大容量存储器采用具有4M非易失性FRAM存储器FM22L16，FM22L16与异步静态RAM (SRAM)在管脚上兼容，存取的时间为55ns，周期为110ns，耐久性至少为100万亿次写入和10年的数据保存能力。在PCB布版制版方面:采取4层印制板形式，内电源层布置完整的接地平面，内层另一层布置电源层；电源芯片布局于板子前端，耗电的器件靠近电源部分布置；基准、放大电路、模拟开关等布局于靠近传感器接入端；减小地线电阻压降，电路板铜箔厚度不大于1.5盎司。
[0043]终端控制部分:开发地面可视化软件，可实现以下功能:①设置和读取系统各种参数:譬如采集频率，通道选择，灵敏度系数和测量开始结束时间等，并可显示实时时钟、电池电量等信息；②可实时读取多个通道压力数据，实现压力数据曲线的实时连续显示，且显示窗口有游标捕获功能，能显示任意时间点的测量值；③测量结束后，可集中接收数据并绘制y(t)曲线，既可直接输出打印，也可导出为Excel文件。该软件与采集电路通过RS232串口进行通讯，此串口采用MAXM公司的MAX3221E，低功耗，带静电防护功能。
[0044]以上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种水压致裂井下数字化数据采集系统，包括设于井上的高压泵和流量计，深入井下的水压管，所述水压管穿过井下通过跨接式封隔器封隔的压裂段，所述水压管在所述压裂段处设有注水阀门，所述水压管在所述跨接式封隔器的上部设有井下开关，其特征在于，所述水压管的下端穿过所述跨接式封隔器的下部并连接有井下数字化数据采集系统，所述井下数字化数据采集系统内集成有压力传感器和数字采集电路，所述水压管的下端出水口与所述压力传感器的输入端连接，所述压力传感器的输出端与所述数字采集电路连接，所述数字采集电路设有端部接口。
2.根据权利要求1所述的水压致裂井下数字化数据采集系统，其特征在于，所述井下数字化数据采集系统包括由基座、探头外筒和端部封帽密封的系统内仓，所述压力传感器固定在所述基座上，所述基座设有进水口，所述进水口的外端与所述水压管的下端出水口连接、内端与所述压力传感器的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的水压致裂井下数字化数据采集系统，其特征在于，所述端部接口包括RS232总线接口、电源充放电接口以及电路开关接口。
4.根据权利要求3所述的水压致裂井下数字化数据采集系统，其特征在于，所述数字采集电路的外部涂有电路保护胶。
5.根据权利要求4所述的水压致裂井下数字化数据采集系统，其特征在于，所述系统内仓设有电源卡槽，所述电源卡槽内固定有电源，所述数字采集电路通过装配立柱固定在所述基座上。
6.根据权利要求5所述的水压致裂井下数字化数据采集系统，其特征在于，所述电源为大容量聚合物锂电子电源。
7.根据权利要求1至6任一项所述的水压致裂井下数字化数据采集系统，其特征在于，所述数字采集电路包括依次连接的信号输入部分、数据处理部分、终端控制部分。
8.根据权利要求7所述的水压致裂井下数字化数据采集系统，其特征在于，所述信号输入部分包括四路通道，每路通道分别与所述压力传感器的输出端连接。
9.根据权利要求7所述的水压致裂井下数字化数据采集系统，其特征在于，所述数据处理部分包括依次连接的信号采集/调理电路、放大电路、A/D转换电路、AM7微控制器。
10.根据权利要求9所述的水压致裂井下数字化数据采集系统，其特征在于，所述数据处理部分还包括实时时钟电路、电源模块/基准电源、大容量存储器、看门狗电路。
【文档编号】E21B47/12GK203783569SQ201420173777
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】喻建军, 李宏, 王海忠, 董云开, 陈征, 李涛, 吴立恒, 范国胜 申请人:中国地震局地壳应力研究所