井筒温度场测量微型芯片工具的微型电路及其测控方法与流程

1.本发明涉及石油、天然气钻完井与天然气水合物钻采技术领域，具体地说，涉及一种井筒温度场测量微型芯片工具的微型电路及其测控方法。


背景技术：

2.随着勘探开发的不断深入，钻完井工程面临的目标井深呈持续增长态势，面对的油气藏地质条件越来越复杂，风险管控对于钻完井过程也显得更加重要。复杂的井下环境特别是窄安全密度窗口等难题导致钻完井过程中漏失、井涌、窜槽等复杂频发，破坏井筒的完整性，甚至可能导致油气井的报废。
3.温度是影响流体物性的重要参数，不同温度条件下流体的密度和流变性参数相较地面环境测量值均会发生变化，特别是针对天然气水合物的开发，温度是敏感因素，在非低温条件0℃-15℃，天然气水合物很不稳定，对压力控制条件要求很高。对于井筒内流体，或者更进一步对于井筒内的各个流体微元来说，温度影响着每个流体微元内的压力变化，进而影响着井筒内整个流场的压力分布。因此，获取井筒内准确的温度分布，对于钻完井过程中井下流体性质和施工过程风险的计算、判断和控制有着重要意义。
4.随钻测量技术经过长时间的发展，形成了一系列成熟的产品，取得了显著的应用效果，但仍存在一些客观局限性，导致其并不能在钻完井全过程中得到充分的应用。目前主要使用的一些随钻地层压力测量仪器，基本原理都是在靠近钻头的底部组合钻具中安装传感器，测得近钻头处的地层温度信息。其局限性主要体现在：(1)目前应用的随钻测量工具大都成的本较高，一旦井下发生复杂事故可能导致设备报废，增加钻井经济成本；(2)当前的参数测量多以近钻头处为主，是对井筒顶点的测量，缺少对整个井筒的温度梯度变化的立体全过程测量；(3)目前的随钻测量工具大都应用于钻井过程的参数测量，而很少关注完井过程。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种能够实现整个钻完井过程中快速、连续、低成本井筒温度场测量微型芯片工具的微型电路及其测控方法，该微型电路设计紧凑，体积小，极大减少了能量在电路中的损耗，有效提高了微型芯片工具的测量精度和工作可靠性。该微型芯片工具的测控流程可以较好的降低芯片工具的功耗，延长其有效工作时间，提高芯片工具的使用寿命，进而降低成本。
6.本发明的实施例是这样实现的：
7.一方面，本发明的实施例提供了一种井筒温度场测量微型芯片工具的微型电路，包括mcu模块、温度传感器电路、swd调试接口、预留i2c外部通信接口、电源供电部分、电源保护电路、电源滤波电路，所述mcu模块与温度传感器电路之间的通讯采用i2c总线；
8.所述mcu模块中，单片机用来构成数据处理单元，用于接收温度传感器的测量数据，并进行数据接收、存储、分析与传送，模数转换，对所收到的温度数据进行处理，对数据
进行相应的打上时间标签，存储数据并实时发送数据，并能够与上位机进行通讯；
9.所述温度传感器电路，用于提供温度结果；
10.所述swd调试接口，用于对mcu内部嵌入式程序进行仿真调试；
11.所述电源供电部分，用于为测温芯片工具微型电路中的全部元器件供电；
12.所述电源保护电路，用于防止人为操作失误，并防止因负载反接导致设备损坏；
13.所述电源滤波电路，用于使电源直流输出平滑稳定，降低交变脉动电流对微型电路的影响，同时还吸收电路工作过程中产生的电流波动。
14.微型电路中各部分的协调配合使用可以提高温度测量的准确性并提高数据传输的稳定性和抗干扰性，电路中起静电保护作用的元器件可有效防止芯片被意外破坏。
15.在一个实施例中，整个微型电路集成在一块pcb电路板上，电路板则封装在测温微型芯片工具的壳体中。
16.在一个实施例中，电路板上微型电路各部分之间均涂有导热硅胶材料。
17.在一个实施例中，纽扣电池通过微型电路中的电源接口为整个微型测温芯片工具提供电能。
18.在一个实施例中，微型电路的mcu模块还包括一个外部低频晶体振荡器作为外部低速时钟源，数据处理元件可通过该晶体振荡器精确计时并对接收的数据进行时间标记。
19.在一个实施例中，为了方便对芯片工具进行调试检测和数据传输，微型电路中还预留有swd接口、i2c接口和串行数据传输接口。
20.在一个实施例中，微型芯片工具的测控流程可以精确的控制传感器测量温度，可以控制传感器和微控芯片之间的数据传输，可以控制温度数据写入微控芯片内存，可以控制温度数据从微控芯片传给上位机。
21.另一方面，本发明的实施例提供了一种井筒温度场测量微型芯片工具的微型电路的测控方法，包括以下步骤：
22.步骤1、芯片工具的待机与唤醒；
23.步骤2、时钟配置及软硬件的初始化；
24.步骤3、温度传感器测量井筒温度；
25.步骤4、测得的温度数据传输给微控芯片并写入芯片的内部flash；
26.步骤5、芯片中保存的温度数据发送给上位机。
27.具体地，包括以下步骤：
28.步骤1、微型芯片工具在测量温度之前一直处于超低功耗的待机模式，在使用时可以通过芯片工具的预留外部复位接口快速地将其唤醒为运行模式；
29.步骤2、芯片工具被唤醒后将会配置系统时钟及外设时钟、初始化系统软硬件并初始化温度传感器；
30.步骤3、温度传感器开始按照预设的时间周期进行温度采集；
31.步骤4、温度传感器通过i2c总线将测得的温度数据传给stm32微控芯片，微控芯片则会将接收到的温度数据按照先后顺序写入内部的flash闪存中进行存储与保护；
32.步骤5、当整个测温过程结束之后，主程序会控制微型芯片工具再次进入超低功耗的待机模式以降低系统功耗，可以通过微型电路中预留的接口将其微型芯片再次唤醒并进行数据传输，当上位机发送了正确的数据传输指令后stm32微控制器则将其flash中的保存
的温度数据按照先后顺序通过预留的串行数据接口传给上位机。
33.与现有技术相比，本发明实施例的有益效果是：
34.本发明所涉及的井筒温度场测量微型芯片工具的内核设计，主要包括微型电路及其测控流程设计，其潜在的应用场景包括石油、天然气钻完井与天然气水合物钻采等领域。本发明的主体内容涵盖的是在钻采过程中能实现快速、连续、低成本的井筒温度场测量的微型芯片工具的核心电路及其测控流程，对于微型芯片工具的研发成功具有至关重要的作用。通过该专利的研发，自主掌握了井筒温度场测量微型芯片工具的核心技术，突破了技术壁垒，极大减轻了对外技术依存度。
35.目前相关市场的现有产品主要包括中石化工程院研制的微芯片示踪器、宁波万由深海能源科技有限公司研制的井下测量微芯片传感器；而此两者的内核电路和测控测量均与本专利的技术方案存在较大差异，本发明与上述产品相比在能耗控制、存储能力、电路稳定性等方面均具有一定优势。
36.(1)相较于现有同类的微芯片工具在微型电路中所采用的单面设计，本发明所设计的微型电路将传感器模块与供能模块分别置于电路板的两面，从而有效地缩小了微型电路的体积，进一步能够使得整个微芯片测量工具变得更加紧凑。
37.(2)相较于现有同类的微芯片工具测量信号噪音较强的不足，在微型电路中的电源供电电路上设计了磁珠和贴片电阻，磁珠用于抑制电源线上的高频噪声和尖峰干扰和吸收静电脉冲，贴片电阻用于保持两端电压的一致性；电源保护电路上布置有肖特基二极管，可以防止因负载反接导致设备损坏；电源滤波电路上有贴片电容，可以滤除电路中的高低频噪声信号，避免相互间的耦合干扰。
38.(3)相较于现有同类的微芯片工具能耗大、测量时长不足的情况，本发明所设计的微型电路可以进行芯片激活和待机状态的切换，被激活之前，芯片将一直处于待机模式，测温结束后芯片工具将再次进入待机模式。由于待机模式是芯片的一种最低功耗模式，因此可以大幅降低供能电池的能量消耗，进而延长微型测温芯片工具的测量时长。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
40.图1为本发明井筒温度场测量微型芯片工具的微型电路的结构示意图；
41.图2是本发明的井筒温度场测量微型芯片工具的微型电路的测控方法流程图。
具体实施方式
42.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件能够以各种不同的配置来布置和设计。
43.请参照图1，本发明的第一个实施例提供一种井筒温度场测量微型芯片工具的微
型电路，在图1所示的微型电路结构图中，具体而言，其主要包括：mcu模块1、温度传感器电路2、swd调试接口3、预留i2c外部通信接口4、电源供电部分5、电源保护电路6、电源滤波电路7、外部无源晶振电路8和外部usart串行接口电路9。
44.其中外部无源晶振电路8为整个系统提供精准的外部低速时钟，主要供给实时时钟模块。预留的外部usart串行接口电路9可用于与上位机的通讯与高速数据传输。
45.再参照图2，图2显示了井筒温度场测量微型芯片工具的测控流程。
46.在图2的测控流程图中，具体而言，主要包括：芯片工具的待机与唤醒、软硬件的初始化、温度传感器测量井筒温度、测得的温度数据传输给微控芯片并写入芯片的内部flash和芯片中保存的温度数据发送给上位机，5大组成部分。
47.参照图1微型电路结构示意图，mcu模块2中，单片机用来构成核心控制单元与数据处理单元。其用来控制嵌入式程序的运行并接收温度传感器的测量数据，可以控制系统的运行模式并进行中断的处理与控制，可以进行数据接收、存储、分析与传送，模数转换，对所收到的温度数据进行处理，对数据进行相应的打上时间标签，存储数据并实时发送数据，并能够与上位机进行通讯。
48.单片机为意法半导体stm32l476rgt6单片机，该单片机是一种超低功耗微控制器，其支持所有arm单精度数据处理指令和数据类型。它还实现了一个完整的dsp指令集和增强应用的存储器保护单元安全。其具有标准和高级通信接口，并内置1mb的flash存储器，数据总线宽度为32bit。其主控stm32芯片自带运行模式、低功耗运行模式、睡眠模式、低功耗睡眠模式、停止模式、待机模式和关机模式等七种低功耗模式，且能够在短时间内启动，其封装尺寸小。
49.mcu模块配合采用型号为rc0402fr-0710kl的10kω贴片电阻，贴片电阻不同于传统的电阻，其没有引脚，体积小，占用空间小。10kω的上拉电阻起限流作用，可以大幅降低流入stm32芯片的电流值，电流保持在1.2ma左右，防止芯片被烧毁，并可将信号线强制钳位至某个电平，以防止信号线因悬空而出现不确定的状态。
50.参照图1微型电路结构示意图，温度传感器电路2中。温度传感器为德州仪器的tmp117aidrvt温度传感器。温度传感器可以是高精度数字温度传感器，它将传感器和模数转换器(adc)结合在单一芯片上，能够简化在rtd设计中大多数困难且耗时的工序，并能通过i2c界面提供直观的温度。该传感器可提供16位温度结果，分辨率为0.0078℃，精度高达
±
0.1℃，封装尺寸小，功耗低。
51.温度传感器电路配合采用型号为rc0402fr-075kl的5kω贴片电阻。5kω电阻可以将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，同时起限流作用，其工作电流在3.5ua左右，防止电流过大而烧毁温度传感器。
52.mcu模块与温度传感器电路之间的通讯采用i2c总线，这种通讯方式仅需两根数据线便可实现高速的串行通讯，可以降低微型电路中的电流损耗并有较强的抗干扰能力，在保证数据传输准确性的情况下降低了功耗。
53.参照图1微型电路结构示意图，swd调试接口3中，串行调试接口swd是仿真器预留接口，用于对mcu内部嵌入式程序进行仿真调试。其需求的引脚少，需要的pcb空间相对较小，适合应用于芯片工具的微型电路中。swd调试接口中还安装有型号为pesd1can 115的esd二极管，其用于外部接口供电线路中，起稳压、静电保护作用，可以防止调试程序时微控
芯片被烧毁。
54.参照图1微型电路结构示意图中，预留i2c外部通信接口4中，i2c总线只需要一根数据线和一根时钟线，总线接口已经集成在芯片内部，不需要特殊的接口电路。i2c总线可以简化硬件电路pcb布线，降低系统成本，提高数据传输可靠性，适合应用于微控电路中。采用型号为pesd1can 215的esd二极管用于i2c线路中，起防过压、静电保护作用，可在i2c总线进行高速数据传输时屏蔽静电放电的影响；采用型号为rc0402jr-071kl的1kω贴片电阻，其在12c总线中起电路保护作用，可以限制i2c总线中的电流值，保证数据传输的稳定性与准确性。
55.参照图1微型电路结构示意图中电源供电部分5中，供电电源可以为松下br1225a型耐高温纽扣电池，其为测温芯片工具微型电路中的全部元器件供电，通过控制主控芯片进入不同的低功耗模式来控制电池的输出电流，且电源只有在实际开始进行数据采集时才会输出一个较大的电流。
56.电源供电电路中的辅助元器件采用型号为mpz1608s260atah0的磁珠，其具有很高的电阻率和磁导率，用于抑制电源线上的高频噪声和尖峰干扰，同时具有吸收静电脉冲的能力。采用型号为rc0402fr-070rl的0ω电阻，0ω电阻方便pcb板的调试，且在高频电路中可以充当电容或电感，其作用于电源供电线路中，可以保持微型电路两端电压的一致性，起到电路保护作用。
57.再结合图2微型芯片工具的测控流程图，可以看到，为了节省纽扣电池中的电能，设备在使用前和测温结束后将处于功耗极低的待机状态，而只有在实际开始进行井筒温度采集时，微型芯片工具才会被激活，从而提高微型电路的工作可靠性并延长芯片工具的使用时间。
58.参照图1微型电路结构示意图中电源保护电路6是电源部分的防止插反设计，防止人为操作失误，从而防止因负载反接导致设备损坏。保护电路采用型号为1n5711ws-7-f的肖特基二极管。其正向压降低，开关频率高、恢复速度快，可在高频供电线路中防止电源反接。
59.参照图1微型电路结构示意图中电源滤波电路7主要由滤波电容组成，不仅使电源直流输出平滑稳定，降低了交变脉动电流对微型电路的影响，同时还可吸收电路工作过程中产生的电流波动，使得微型电路的工作性能更加稳定。滤波电路采用型号为grm155r61a106me44d的10uf贴片电容和型号为grm155r71c104ka88d的100nf贴片电容。10uf的大电容可以滤除电路中的低频噪声，100nf的小电容可以滤除电路中的高频噪声。贴片电容还可以起到去耦作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。
60.mcu模块中布置有低频晶体振荡器，其用来作为外部低速时钟源，微控芯片stm32通过其精确计时并对数据进行时间标记。晶体振荡器采用无源晶振，晶振频率为32.768khz，配合采用型号为grm1555c1h6r0da01d的6pf晶振负载电容，可以较好地保证stm32芯片外部晶振(32.768khz)输出振荡频率的稳定性。
61.参照图2，微型芯片工具的测控流程图，微型芯片工具在测量温度之前一直处于极低功耗的待机模式，可以通过上位机将其唤醒激活进入工作模式，芯片工具被唤醒后会先将系统的软硬件初始化，然后温度传感器则按照设定的时间周期进行温度测量，并将测得的温度数据通过i2c总线传给微控芯片，微控芯片则会将接收到的数据按照先后顺序写入
预设的flash空间中进行存储，当整个测温过程结束之后，主程序会控制微型芯片工具再次进入待机模式以降低功耗，可以通过微型电路中预留的接口将其微型芯片唤醒并控制其将flash中的温度数据通过串口传给上位机。
62.本发明所涉及的井筒温度场测量微型芯片工具的内核设计，其主体内容涵盖的是在钻采过程中能实现快速、连续、低成本的井筒温度场测量的微型芯片工具的核心电路及其测控流程，对于微型芯片工具的研发成功具有至关重要的作用。而以本发明为核心的芯片工具能够对全井筒流场温度进行立体测量，帮助现场工程人员及时了解井下情况，提前预警溢流、漏失等复杂，为及时调节井筒压力或井下流体性能提供支撑。通过扩展芯片工具的应用场景，可以涵盖钻井、固井和天然气水合物钻采领域，实现安全、可靠的钻完井作业。同时，该芯片工具可以在现有常规测量技术理论基础上，结合控压钻完井等特殊工艺需求，应对复杂地层工程技术挑战，实现高精度、数据快、适用范围广的井筒流场参数监测，帮助现场工程人员准确获取井筒信息、判断井下工况、合理处置井下复杂。
63.预计未来3-5年内在新疆、川渝等区域油田的钻完井和海上天然气水合钻采过程进行现场试验和推广应用。目前来看，高温高压深井复杂较常规浅井增加20％以上，非生产时间和成本增加3倍以上，且溢流漏失发生次数明显增多，大大增加非生产时间。应用本发明所述的工具及配套技术，未来3-5年内将大约减少深井复杂发生20％左右，直接经济效益1000余万元左右。
64.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。