一种基于泵送桥塞射孔的综合监测仪的制作方法

1.本实用新型属于石油勘探领域，尤其涉及一种基于泵送桥塞射孔的综合监测仪。


背景技术：

2.泵送桥塞分级射孔技术是目前页岩气开发过程中重要作业之一，在页岩气压裂实践中发挥了重要作用。它是一种采用复合桥塞对拟改造项目的层分段，每段成若干簇，一次下井将射孔管串和复合桥塞输送至目的层完成桥塞坐封和多簇射孔联作，为后续分段压裂改造创造条件的射孔工艺技术。在应用中取得了良好的开发效果，但在施工过程中有以下不足之处。
3.(1)在泵送射孔和坐封桥塞，压裂车的泵压不稳定，很难判断井下设备下放速度和滚筒下电缆的速度的一致性。大多都是监测磁定位，以实测接箍和标准接箍表的长度来跟踪下放速度。因为一根接箍大概9—11m,下放速度都很慢(600m/h)。判断下放的速度过快或过慢则需要1分钟的时间。如果绞车下放速度相对泵送速度过快，会出现电缆堆积。就会出现电缆遇卡的风险。如果绞车下放速度相对泵送速度过慢，就会出现设备脱落的风险。通常需要多人配合不停的监视泵送时泵压。只能凭借现场人员的经验判断下放速度，往往有井下事故发生。当出现井下事故时，因无法判断电缆遇卡还是仪器遇卡，给打捞施工带来很大麻烦。
4.(2)同时在大深度井段桥塞坐封和射孔时产生的动能，即火药燃烧产生的能量。通过井壁摩擦阻力，井液阻力，电缆自身阻力最终传到井口张力监测系统的力已很小，有时已无法分辨出桥塞坐封成功和射孔起爆成功。容易造成作业事故。
5.(3)仪器在水平段遇卡时，由于在井斜段电缆与井壁有摩擦力。通过井口张力的数据不能真实反映出井下缆头的张力值。在处理水平段遇卡时无法参考井口张力值。
6.以上射孔枪和坐封桥塞下井安全保障、质量保障、返工分析和油田开发分析等需求，都在呼唤需要开发一种新型仪器，解决存在的问题。
7.需要仪器解决的问题：根据以上开发背景提出的需求，需要新设计的仪器解决射孔施工2个阶段的3个问题，下井阶段，主要解决井下设备安全问题，实时监测井下张力的变化来调整绞车速度。实时性强跟踪速度快。万一发生事故可分析事故原因；仪器跟随射孔枪下井，起爆时冲击很强。仪器要抗震动抗冲击稳定可靠。起爆瞬间记录压力变化，要求采样间隔10us。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，根据泵送桥塞射孔时的技术要求，提出一种基于泵送桥塞射孔的综合监测仪。
9.本实用新型采用如下技术方案：
10.一种基于泵送桥塞射孔的综合监测仪，包括上接头、中部、下接头，上接头通过螺纹与中部相连接，中部通过螺纹与下接头相连接，上接头内安装有上端电缆连接头，电缆连
接头采用密封圈密封处理，中部的壳体内安装有张力传感器、压力传感器、温度传感器、电路组件，磁定位传感器，张力传感器、压力传感器、温度传感器、磁定位传感器均与电路组件中的mcu相连接，磁定位传感器、张力传感器、压力传感器、温度传感器、磁定位传感器均通过螺钉固定在中部的壳体内，且是按照从上到下的顺序安装的，下接头内安装有点火头。
11.电路组件包括仪表放大器、高速ad、mcu、存储器、电子开关，仪表放大器、高速ad、mcu、存储器、电子开关均焊接在电路板上；
12.其中电路部分为，压力传感器连接仪表放大器ⅰ，仪表放大器ⅰ连接高速adⅰ，高速adⅰ连接mcu；
13.温度传感器连接仪表放大器ⅱ，仪表放大器ⅱ连接高速adⅱ，高速adⅱ连接mcu；
14.张力传感器连接仪表放大器ⅲ，仪表放大器ⅲ连接高速adⅲ，高速adⅲ连接mcu；
15.磁定位传感器连接仪表放大器ⅳ，仪表放大器ⅳ连接高速adⅳ，高速adⅳ连接mcu；
16.mcu连接存储器、电子开关，电子开关连接电缆连接头，电子开关连接点火头，电子开关在直流50v以上导通。
17.进一步的，压力传感器中，vref输入端一端接可变电阻rd一端、可变电阻ra一端，可变电阻rd另一端接电阻rc一端、电容c98另一端，芯片ad8226的 in端口，可变电阻ra另一端接电阻rb一端，电阻r100一端，电阻c98一端，芯片ad8226的
‑
in端口，电阻rc另一端与电阻rb另一端相连并接地，芯片ad8226的rg端口接电阻r101一端，电阻r12的一端，电阻r101另一端接电阻r12另一端、芯片ad8226的rg端口，芯片ad8226的 vs端口连接电容c99一端，电容c99另一端接地，芯片ad8226的vout端口连接芯片ads8319的in 端口,芯片ad8226的ref端口与
‑
vs端口相连并接地，芯片的vdd端口与电容c101一端、端口ref
18.一端相连、电容c100相连，电容c101另一端接地，电容c100另一端接地，芯片ads8319的in
‑
端口与gnd端口相连并接地，芯片ads8319的vio端口与vdd相连，芯片ads8319的sdi端口与adsdi相连，芯片ads8319的sck端口与adsck相连，芯片ads8319的sdo端口与adsdo相连，芯片ads8319的cnv端口与csi相连。
19.进一步的，张力传感器中，输入端ref连接可调电阻ra一端、可调电阻rd一端，可调电阻ra另一端连接电阻r33一端、电容c41一端，芯片ad8226的
‑
in端口、电阻rb一端，可变电阻rd另一端接电阻rc一端、电容c41另一端，芯片ad8226的 in一端，电阻rc另一端与电阻rb另一端相连并接地，电阻r33的另一端接地，芯片ad8226的端口rg连接电阻r37一端、电阻r50一端，电阻r37另一端与电阻r50另一端相连并接到芯片ad8226的端口rg。芯片ad8226的 vs端口连接电容c20与15v输入，电容c20的另一端接地，芯片ad8226的vout端口连接芯片ads8319的in 端口，芯片ad8226的ref端口连接vref，芯片ad8226的vs端口连接
‑
15输入、电容c5的的一端，电容c5的另一端接地，芯片ads8319的vdd端口连接电容c24一端，电容c24另一端接地，芯片ads8319的ref端口连接输入ref输入、电容c22一端，电容c22另一端接地，芯片ads8319的in
‑
端口与gnd端口相连并接地，芯片ads8319的vio端口连接vdd端口，芯片ads8319的sdi端口连接adsdi端口，芯片ads8319的sck端口连接adsck端口，芯片ads8319的sdo端口连接adsdo端口，芯片ads8319的cnv端口连接csi端口。
20.进一步的，温度传感器中，输入端vrff连接电阻r39的一端，电阻r39另一端连接2.5v输入端、电阻r40一端，电阻r40另一端连接电阻r26一端，电容c49一端，u13a的“ ”端
口，电阻r26另一端连接电容c49另一端，并接地，u13a的
“‑”
端连接输入vcc、电容c28一端，电容c28另一端接地，u13a的
“‑”
的一端接u13a的输出端，u13a的输出端接u13b的“ ”的端口，u13b的
“‑”
的端口连接电阻r41一端、pt1一端，电阻r41另一端接地，u13b的输出端接pt1的另一端，芯片ad8226的 in端口，芯片ad8226的
‑
in的端口接2.5v输入，rg接r38的一端，电阻r51的一端，电阻r38另一端接电阻r51另一端、芯片ad8226的rg端口，芯片ad8226的 vs端口连接输入vcc、电容c21一端，电容c21另一端接地，芯片ad8226的vout端口连接芯片58319的in 端口，芯片ad8226的ref端口、
‑
vs端口相连并接地，芯片ad58319的vdd端口连接电容c25一端、输入端vref、电容c23一端、芯片ad58319的端口ref，电容c23另一端接地、电容c25的另一端接地，芯片ad58319的端口in
‑
与端口gnd相连，并接地，芯片ad58319的端口vio连接vdd，芯片ad58319的端口sdi连接adsdi，芯片ad58319的端口sck连接adsck，芯片ad58319的端口sdo连接adsdo，芯片ad58319的端口cnv连接cs2。
21.进一步的，磁定位传感器中，输入端vdd连接电阻r45一端，电阻r45另一端连接电阻r27另一端，u21a的“ ”端口，电阻r27的一端、电容c50的一端，电阻r27的另一端连接电容c50的另一端，并接地。u21的
“‑”
端口连接u21的输出端，u21a的“ ”端口连接输入端vdd，电容c57的一端，电容c57的另一端接地，u21a的输出端连接电阻r61的一端、芯片ad8552的“ ”端口，电阻r61的另一端接ccl1和电容c58的一端，电容c58另一端接电阻r60一端，ccl2一端，电阻r60另一端接ad8552的
“‑”
的一端、电阻r62一端、电容c59一端，ad8552的输出端连接电阻r62另一端、电容c59另一端，电阻r63一端，电阻r63另一端接cclad、电容c60一端，电容c60另一端接地。
22.进一步的，存储器中，芯片25lc1024的cs端口连接cs3、芯片25lc1024的so端口连接adsdo，芯片25lc1024的wp的端口连接电阻r106一端，电阻r106另一端接vdd，芯片25lc1024的vcc端口连接输入端vdd、电容c113一端，电容c113的另一端接地，芯片25lc1034的hold端口连接电阻r107一端，电阻r107另一端接vdd，芯片25lc1024的sck端口连接adsck，芯片25lc1024的si端口连接adsdi。
23.进一步的，mcu中，vdd输入端接电感l2一端，电感l2另一端接电容c32一端、芯片atmega128a的avcc端口，电容c32另一端接地、接电容c34一端，电容c34另一端接芯片atmega128a的aref端口，芯片atmega128a的reset接电阻r42一端、电阻r42另一端接芯片atmega128a的vcc端口、电容c51一端、电容c52一端，电容c51另一端与电容c52另一端相连并接地。
24.本实用新型的有益效果：
25.(1).本实用新型上接头接电缆，采用单芯传输，下接头接射孔枪，仪器可以测量张力、磁定位、井温、压力四个参数，数据通过曼码编码上传地面系统。
26.(2).通过对各种条件下拉力的测量，可以在设计不同条件下井下射孔枪的数量方面提供依据，给处理井下复杂情况提供参考。解决大斜度、水平井套管井射孔技术难题，为安全高效射孔提供技术支撑；并完善井下事故处理工具和工艺，降低作业风险，提高事故处理成功率。
27.(3).直流点火电压范围宽可在40v
‑
200v。射孔时能监测起爆瞬间的压力，高速ad采集数据并存储。可用于射孔弹爆炸与燃烧过程的理论研究。
附图说明
28.图1为本实用新型的工作原理图框图；
29.图2为本实用新型的压力传感器电路；
30.图3为本实用新型的张力传感器电路；
31.图4为本实用新型的温度传感器电路；
32.图5为本实用新型的磁定位传感器电路；
33.图6为本实用新型的存储器；
34.图7为本实用新型的mcu；
35.图8为本实用新型的结构示意图；
36.图中，1
‑
电缆连接头、2
‑
张力传感器、3
‑
压力传感器、4
‑
温度传感器、5
‑
电路组件、6
‑
磁定位传感器、7
‑
点火头、8
‑
仪表放大器ⅰ、9
‑
高速adⅰ、10
‑
mcu、11
‑
仪表放大器ⅱ、12
‑
高速adⅱ、13
‑
仪表放大器ⅲ、14
‑
高速adⅲ、15
‑
仪表放大器ⅳ、16
‑
高速adⅳ、17
‑
存储器、18
‑
电子开关。
具体实施方式
37.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
38.如图1和图8所示，本实用新型的一种基于泵送桥塞射孔的综合监测仪。包括上接头、中部、下接头，上接头通过螺纹与中部相连接，中部通过螺纹与下接头相连接，上接头内安装有电缆连接头1，电缆连接头采用密封圈密封处理，中部的壳体内安装有张力传感器2、压力传感器3、温度传感器4、电路组件5、磁定位传感器6，张力传感器2、压力传感器3、温度传感器4、磁定位传感器6均与电路组件5中的mcu(微处理器)10相连接，张力传感器2、压力传感器3、温度传感器4、磁定位传感器6均通过螺钉固定在中部的壳体内，且是按照从上到下的顺序安装的，下接头内安装有点火头7。
39.其中电路部分为，压力传感器3连接仪表放大器ⅰ8，仪表放大器ⅰ8连接高速adⅰ9，高速adⅰ9连接mcu10；
40.温度传感器4连接仪表放大器ⅱ11，仪表放大器ⅱ11连接高速adⅱ12，高速adⅱ12连接mcu10；
41.张力传感器2连接仪表放大器ⅲ13，仪表放大器ⅲ13连接高速adⅲ14，高速adⅲ14连接mcu10；
42.磁定位传感器6连接仪表放大器ⅳ15，仪表放大器ⅳ15连接高速adⅳ16，高速adⅳ16连接mcu10；
43.mcu10连接存储器17、电子开关18，电子开关18连接电缆连接头1，电子开关18连接点火头7，电子开关18在直流50v以上导通。
44.(一)传感器设计
45.(1)张力传感器2
46.综合监测仪带有张力传感器2，安装位置如图8所示，可监测桥塞作业时井下设备
在下放和上提过程中在井筒中所承受的轴向张力和拉力的大小，判断仪器设备遇阻和遇卡的情况，便于绞车工来保持滚筒速度与仪器速度的一致。避免井下危险发生。提高射孔安全，也可用于其他相近的环境。
47.同时存储井下仪器在射孔时起爆瞬间的张力变化值，再通过电缆传送给地面系统，用于射孔质量检测和桥塞坐封检测。
48.(2)压力传感器3
49.压力传感器3安装位置如图8所示，通过对井下压力变化的测量，为测井的压力分析提供了可靠的数据。为泵送测井的排量变化提供辅助参考数据。同时存储井下仪器在射孔时起爆瞬间的压力变化值，再通过电缆传送给地面系统，判断桥塞坐封成功和射孔起爆成功，用于射孔质量检测。
50.(3)套管接箍：在实际测井过程中通过磁定位传感器6信号监测测井深度和井下工具的速度，接箍信号在泵送射孔时作为计算上提值的深度参考点。
51.(4)温度传感器4：温度传感器安装位置如图8所示，在测井工作中主要提供了井下的温度梯度参数。
52.(二)本泵送桥塞射孔的综合监测仪指标
53.1.仪器外径：φ86mm
54.2.信号传输：单芯电缆
55.3.最高工作温度：175℃；
56.4.最高工作压力：150mpa
57.5.磁定位：
58.信号幅度大于200mv
59.6.温度测量分辨率：0.01℃；
60.7.温度精度：
±
1℃；
61.8.张力精度：
±
35kg；
62.9.温度测量范围：0
‑
175℃
63.10.压力测量范围0
‑
150mpa；
64.11.压力精度 ≤0.5％；
65.12.压力测量分辨率：0.04mpa
66.13.测量速度 ≤4000m/h
67.14.配接单芯8mm电缆长度：≤9000m
68.15.工作电压：dc30v
‑
70v
69.16.电流：45
‑
50ma
70.17.传输：ddl
‑ⅲ
曼彻斯特编码传输
71.18.抗冲击：500g
72.三.工作原理
73.如图1所示，仪器供电dc40v时探头(温度传感器4、压力传感器3、张力传感器2)的信号经仪表放大器放大，ad转换，(磁定位传感器6，缆头电压，16位压力)的信号经仪表放大器放大，ad转换，再给mcu10处理。数据再以曼彻斯特码上传给地面系统。
74.仪器供电在dc70v
‑
200v时，磁定位电路掉电停止工作。不在传输曼彻斯特码，电子
开关18(耐压dc200v最大电流3a)接通。防止操作人员误操作。此时通讯电路部分有高阻隔离起爆瞬间的强电流。电源电路有100mh电感隔离地面箱体发来的控制信号。
75.电子开关18接通后泵送桥塞射孔的综合监测仪进入监测起爆压力和张力状态，当仪器监测到压力和张力大于采集阀值时，高速ad开始采集起爆瞬间的压力和张力值，并存于存储器17。最后通过曼彻斯特码上传给地面系统。
76.如图2所示，为本实用新型的压力传感器3电路图。
77.vref输入端一端接可变电阻rd一端、可变电阻ra一端，可变电阻rd另一端接电阻rc一端、电容c98另一端，芯片ad8226的 in端口，可变电阻ra另一端接电阻rb一端，电阻r100一端，电阻c98一端，芯片ad8226的
‑
in端口，电阻rc另一端与电阻rb另一端相连并接地，芯片ad8226的rg端口接电阻r101一端，电阻r12的一端，电阻r101另一端接电阻r12另一端、芯片ad8226的rg端口，芯片ad8226的 vs端口连接电容c99一端，电容c99另一端接地，芯片ad8226的vout端口连接芯片ads8319的in 端口,芯片ad8226的ref端口与
‑
vs端口相连并接地，芯片的vdd端口与电容c101一端、端口ref一端相连、电容c100相连，电容c101另一端接地，电容c100另一端接地，芯片ads8319的in
‑
端口与gnd端口相连并接地，芯片ads8319的vio端口与vdd相连，芯片ads8319的sdi端口与adsdi相连，芯片ads8319的sck端口与adsck相连，芯片ads8319的sdo端口与adsdo相连，芯片ads8319的cnv端口与csi相连。
78.如图3所示，为本实用新型的张力传感器2电路图。图中，输入端ref连接可调电阻ra一端、可调电阻rd一端，可调电阻ra另一端连接电阻r33一端、电容c41一端，芯片ad8226的
‑
in端口、电阻rb一端，可变电阻rd另一端接电阻rc一端、电容c41另一端，芯片ad8226的 in一端，电阻rc另一端与电阻rb另一端相连并接地，电阻r33的另一端接地，芯片ad8226的端口rg连接电阻r37一端、电阻r50一端，电阻r37另一端与电阻r50另一端相连并接到芯片ad8226的端口rg。芯片ad8226的 vs端口连接电容c20与15v输入，电容c20的另一端接地，芯片ad8226的vout端口连接芯片ads8319的in 端口，芯片ad8226的ref端口连接vref，芯片ad8226的vs端口连接
‑
15输入、电容c5的的一端，电容c5的另一端接地，芯片ads8319的vdd端口连接电容c24一端，电容c24另一端接地，芯片ads8319的ref端口连接输入ref输入、电容c22一端，电容c22另一端接地，芯片ads8319的in
‑
端口与gnd端口相连并接地，芯片ads8319的vio端口连接vdd端口，芯片ads8319的sdi端口连接adsdi端口，芯片ads8319的sck端口连接adsck端口，芯片ads8319的sdo端口连接adsdo端口，芯片ads8319的cnv端口连接csi端口。
79.如图4所示，为本实用新型的温度传感器4电路图。输入端vrff连接电阻r39的一端，电阻r39另一端连接2.5v输入端、电阻r40一端，电阻r40另一端连接电阻r26一端，电容c49一端，u13a的“ ”端口，电阻r26另一端连接电容c49另一端，并接地，u13a的
“‑”
端连接输入vcc、电容c28一端，电容c28另一端接地，u13a的
“‑”
的一端接u13a的输出端，u13a的输出端接u13b的“ ”的端口，u13b的
“‑”
的端口连接电阻r41一端、pt1一端，电阻r41另一端接地，u13b的输出端接pt1的另一端，芯片ad8226的 in端口，芯片ad8226的
‑
in的端口接2.5v输入，rg接r38的一端，电阻r51的一端，电阻r38另一端接电阻r51另一端、芯片ad8226的rg端口，芯片ad8226的 vs端口连接输入vcc、电容c21一端，电容c21另一端接地，芯片ad8226的vout端口连接芯片58319的in 端口，芯片ad8226的ref端口、
‑
vs端口相连并接地，芯片ad58319的vdd端口连接电容c25一端、输入端vref、电容c23一端、芯片ad58319的端口ref，
电容c23另一端接地、电容c25的另一端接地，芯片ad58319的端口in
‑
与端口gnd相连，并接地，芯片ad58319的端口vio连接vdd，芯片ad58319的端口sdi连接adsdi，芯片ad58319的端口sck连接adsck，芯片ad58319的端口sdo连接adsdo，芯片ad58319的端口cnv连接cs2。
80.如图5所示，为本实用新型的磁定位传感器6电路图。输入端vdd连接电阻r45一端，电阻r45另一端连接电阻r27另一端，u21a的“ ”端口，电阻r27的一端、电容c50的一端，电阻r27的另一端连接电容c50的另一端，并接地。u21的
“‑”
端口连接u21的输出端，u21a的“ ”端口连接输入端vdd，电容c57的一端，电容c57的另一端接地，u21a的输出端连接电阻r61的一端、芯片ad8552的“ ”端口，电阻r61的另一端接ccl1和电容c58的一端，电容c58另一端接电阻r60一端，ccl2一端，电阻r60另一端接ad8552的
“‑”
的一端、电阻r62一端、电容c59一端，ad8552的输出端连接电阻r62另一端、电容c59另一端，电阻r63一端，电阻r63另一端接cclad、电容c60一端，电容c60另一端接地。
81.如图6所示，为本实用新型的存储器的示意图。芯片25lc1024的cs端口连接cs3、芯片25lc1024的so端口连接adsdo，芯片25lc1024的wp的端口连接电阻r106一端，电阻r106另一端接vdd，芯片25lc1024的vcc端口连接输入端vdd、电容c113一端，电容c113的另一端接地，芯片25lc1034的hold端口连接电阻r107一端，电阻r107另一端接vdd，芯片25lc1024的sck端口连接adsck，芯片25lc1024的si端口连接adsdi。
82.如图7所示，为本使用新型的mcu。vdd输入端接电感l2一端，电感l2另一端接电容c32一端、芯片atmega128a的avcc端口，电容c32另一端接地、接电容c34一端，电容c34另一端接芯片atmega128a的aref端口，芯片atmega128a的reset接电阻r42一端、电阻r42另一端接芯片atmega128a的vcc端口、电容c51一端、电容c52一端，电容c51另一端与电容c52另一端相连并接地。
83.基于泵送桥塞射孔的综合监测仪的特点：
84.1.可实时监测井下仪的张力变化，大大降低操作风险，节约成本，提高工作效率，在遇卡时准确判断事故位置。
85.2.直流点火电压范围宽可在70v
‑
200v。电子开关18(耐压200v最大电流3a)相对于继电器的抗震耐冲击性能更强，射孔时能监测起爆瞬间的压力，高速ad采集数据并存储。可用于射孔弹爆炸与燃烧的理论研究。
86.3.张力探头使用自平衡活塞结构，此结构可以平衡井液压力对张力探头的影响。使其张力更准确。射孔或桥塞坐封时能监测起爆瞬间的张力，高速ad采集数据并存储。用于射孔质量检测和桥塞坐封检测。
87.4.为增强仪器的抗震性能，电路板元器件封胶板材加厚并垫海绵，同时骨架设计抗冲击的柔性结构，增加仪器的抗冲击性能。
88.工作模式和数据格式
89.1).工作模式：
90.a.仪器在30v
‑
70v为连续上传数据模式电流60ma
91.b.仪器在70v
‑
200v为打开电子开关的射孔模式电流34ma
92.c.仪器供电(30v
‑
70v)，上位机发送读取命令后，连续上传11246个曼码数据(起爆瞬间压力数据或张力数据)共45056字节(清零方式)，每道间隔4ms，上传90后结束电流降回35ma，不在上传数据。
93.2).曼码格式
94.a.3位同步头 16位数据 1位奇偶校验位(奇校验)
95.b.1位为174.5us，同步头为先负脉冲后正脉冲。
96.c.10个通道曼码地址0
‑
9,40ms，循环，数据为累加方式。
97.3)地址与数据：
[0098][0099][0100]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。