阅读说明：本技术 用于超高温井筒的温度测量装置及方法 (Temperature measuring device and method for ultra-high temperature shaft ) 是由 倪卫宁 张卫 闫立鹏 李新 米金泰 于 2018-08-01 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种用于超高温井筒的温度测量装置及方法,该装置设在井上的电缆绞车,其上设有多芯电缆；承压筒,其内设有温度传感器,该温度传感器通过转换接头与多芯电缆的一端连接；电缆匹配电路模块,其设在井上并与多芯电缆的另一端连接,且所述电缆匹配电路模块构造成：其中的等效电阻与温度传感器、多芯电缆组成的线路形成测量温度的平衡电桥；以及放大及存储显示模块,其输入端与电缆匹配电路模块的输出端连接实现信号放大,并进行显示。该装置可以更长时间保护电路和电子元器件不受到高温的影响,而且整体结构简单、测量成本低。(The invention provides a temperature measuring device and a temperature measuring method for an ultra-high temperature shaft, wherein the device is arranged on a cable winch on the well, and a multi-core cable is arranged on the cable winch; the pressure bearing cylinder is internally provided with a temperature sensor, and the temperature sensor is connected with one end of the multi-core cable through a conversion joint; a cable matching circuit module disposed on the well and connected to the other end of the multi-core cable, the cable matching circuit module being configured to: the equivalent resistance, the temperature sensor and the line formed by the multi-core cable form a balance bridge for measuring temperature; and the input end of the amplifying and storing display module is connected with the output end of the cable matching circuit module to realize signal amplification and display. The device can protect the circuit and the electronic components from being influenced by high temperature for a longer time, and has the advantages of simple integral structure and low measurement cost.)

用于超高温井筒的温度测量装置及方法

技术领域

本发明属于井下高温或超高温测量技术领域，具体用于干热岩、石油天然气、地热等开发过程中井下温度超过200度的超温度测量，具体涉及一种用于超高温井筒的温度测量装置及方法。

背景技术

以干热岩为代表的地下能源开发过程中，由于井筒的温度已经超过230度，有的甚至高达300度，而且温度越高，热岩开发的意义越大。

现有的井筒温度测量仪器方法，一般是将测量传感器、采集电路、处理电路，集成在一根或多根仪器上，然后将整个仪器快速下到井筒内，进行各类数据采集。由于电子元器件受到工作温度的影响很大，现有技术如申请号CN201710265056、发明名称为“一种高温高压数字地热测井系统”以及申请号CN201710375593、发明名称为“一种主动式井下仪表热管理系统及方法”，提出了将电路系统先封装到一个保温瓶内，然后再安装到仪器内，一起下到井筒内进行井筒和地层的参数测量。该类方案的优点是能够解决较短时间的高温测量，短时间内保温瓶可以保护电路不受到高温的影响。但该类方案的缺点是工作时间受到很大限制。主要原因是当保温瓶在高温环境下工作时，其外界的高温将不可避免的穿透保温瓶进入内部的电路系统，特别是当井下的温度达到或超过200度时，保温瓶保温有效时间快速降低。而高温渗透后，不少电子元器件将不能继续正常有效工作，有效工作时间短，测量精度亦受到很大影响。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种用于高温的井筒温度测量装置及方法，该装置可以更长时间保护电路和电子元器件不受到高温的影响，而且整体结构简单、测量成本低。

为了实现以上发明目的，一方面，本发明提出了一种用于高温的井筒温度测量装置，包括：

设在井上的电缆绞车，其上设有多芯电缆；

承压筒，其内设有温度传感器，该温度传感器通过转换接头与多芯电缆的一端连接；

电缆匹配电路模块，其设在井上并与多芯电缆的另一端连接，且所述电缆匹配电路模块构造成：其中的等效电阻与温度传感器、多芯电缆组成的线路形成测量温度的平衡电桥；以及

放大及存储显示模块，其输入端与电缆匹配电路模块的输出端连接实现信号放大，并进行显示。

在本发明中，只是将超高温的温度传感器设在承压筒内，通过电缆绞车和多芯电缆将承压筒放入井内，其它的电缆匹配电路模块和放大及存储显示模块等电子元器件均设在井上，因而不会受到井下高温的限制，能长时间有效工作，而且由于整体结构更简单，电子元器件受高温损坏的概率大大降低，因而整体测量成本大大降低。在一种实施方案中，所述放大及存储显示模块除了放大子模块和显示子模块还包括存储子模块和数据处理子模块，经放大子模块进行放大后的信号进行存储和数据处理后，在显示子模块上显示。

在一种实施方案中，所述放大及存储显示模块包括放大子模块、显示子模块、存储子模块和数据处理子模块，经放大子模块进行放大后的信号在存储子模块和数据处理子模块进行存储和处理后，在显示子模块上显示温度值和/或温度变化图。

在一种实施方案中，所述第一等效电阻、第二等效电阻和第三等效电阻的电阻值相等，所述四路信号构成全桥电阻网络。

在一种实施方案中，所述全桥电阻网络的差分输出端分别连接到放大子模块的正输入端和负输入端。

在一种实施方案中，所述温度传感器的两端均通过转换接头连接多芯电缆的其中一条电缆芯。

在一种实施方案中，所述电缆绞车上连接有绞车控制器，所述绞车控制器通过控制电缆绞车的驱动电机控制多芯电缆深入井筒内的深度。

所述放大及存储显示模块除了放大子模块和显示子模块还包括存储和数据处理子模块，经放大子模块进行放大后的信号进行存储和数据处理后，在显示子模块上显示。

在一种实施方案中，所述电缆匹配电路模块包括第一等效电阻、第二等效电阻和第三等效电阻，所述多芯电缆连接温度传感器构成第一路信号三路等效电阻形成四路输出信号，该四路输出信号形成为放大及存储显示模块中放大子模块的两路输入信号。

在一种实施方案中，所述第一等效电阻、第二等效电阻和第三等效电阻的电阻值相等，形成全桥电阻网络。

在一种实施方案中，形成的全桥电阻网络的差分输出端分别连接到放大子模块的正输入端和负输入端。

在一种实施方案中，所述温度传感器的两端分别通过转换接头连接多芯电缆。

在一种实施方案中，所述绞车控制器通过电缆绞车控制多芯电缆深入井筒内的深度。

另一方面，本发明还提出了一种用于高温的井筒温度测量装置及方法，

在一种实施方案中，该方法包括以下步骤：

测定多芯电缆的温度系数并选取匹配的等效电阻，将等效电阻与温度传感器和多芯电缆构造成测量温度的平衡电桥，并根据前述的装置将各部分连接；

通过电缆绞车将承压筒下放到井筒内待测定的井深处，在地面通过放大及存储显示模块获得井筒内的温度值和/或温度变化图。

在一种实施方案中，测定多芯电缆的温度系数包括：在零度下标定多芯电缆的电缆芯电阻值，并对电缆芯进行温度系数标定。

在一种实施方案中，根据两根电缆芯的电阻值与温度传感器的电阻值之和，选取匹配的等效电阻构成全桥电阻网络。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

通过将温度传感器设在承压筒内，并两端分别通过转化接头与多芯电缆的电缆芯连接并形成为全桥电阻网络的其中一部分。通过测量后选择合适的等效电阻形成为可以测量的平衡电桥。在井筒内温度变化时，变化的信号通过全桥电阻网络的输出端输入到放大子模块，信号经放大子模块放大后在放大及存储显示模块处理及显示。结构更简单可靠，零部件数量少，而且由于只有温度传感器和部分多芯电缆位于井筒内承受高温，井筒内的高温对其它电子元器件或电路没有影响，因而不易受到高温或超高温的影响，可以更长时间有效工作，降低了测量成本，提高了测量精度。

另外，本发明的工作最高温度可以超过500度以上，因而可以满足目前基本全部井筒的温度测量要求，适用范围广。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1所示为本发明的用于超高温井筒的温度测量装置的结构示意图；

图2所示为图1中的用于超高温井筒的温度测量装置的电路结构示意图。

附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

发明人在发明过程中注意到，现有用于井筒内的温度测量装置受到温度影响，有效工作时间短、测量精度不高。

针对以上不足，本发明的实施例提出了一种用于超高温井筒的温度测量装置，下面进行详细说明。

图1显示了本发明的用于超高温井筒的温度测量装置的其中一种实施例的结构示意图。在该实施例中，本发明的用于超高温井筒的温度测量装置主要包括：承压筒50、温度传感器60、转换接头40、多芯电缆30、电缆绞车10、电缆匹配电路模块70以及放大及存储显示模块。其中，多芯电缆30的一端连接转换接头40的一端，转换接头40的另一端连接温度传感器60，温度传感器60被安装在承压筒50内。且温度传感器60的两端通过转换接头40分别连接到多芯电缆30的不同电缆芯。多芯电缆30缠绕在位于井筒上的电缆绞车10上，通过电缆绞车10可控制连接在多芯电缆30一端的承压筒50下入井筒内的深度。多芯电缆30的另一端连接电缆匹配电路模块70的输入端，电缆匹配电路模块70的输出端连接放大子模块80的输入端，放大子模块80的输出端连接智能终端90。

在一个优选的实施例中，智能终端90主要包括显示子模块、存储子模块和数据处理子模块。经放大子模块80进行放大后的信号在存储子模块和数据处理子模块进行存储和处理后，在显示子模块上显示温度值和/或温度变化图。

在本发明的一个实施例中，电缆绞车10上连接有绞车控制器20。绞车控制器20控制电缆绞车10将多芯电缆30与转换接头40、承压筒50、温度传感器60一起下入到井筒内，井筒内的温度决定温度传感器60的电阻值。地面系统通过采集该电阻值的变化，反演计算出井筒内的温度。绞车控制器20可根据用户需要进行提升和下降，完成不同井深位置的温度测量。

如图2所示为本发明的用于超高温井筒的温度测量装置的电路原理结构图，其中：

电缆匹配电路模块70与温度传感器60、多芯电缆30共同组成全桥电阻网络100。其中电缆匹配电路模块70主要包括第一匹配电阻71，第二匹配电阻72以及第三匹配电阻73。其中多芯电缆30连接温度传感器60构成第一路信号，第一等效电阻71、第二等效电阻72和第三等效电阻73各形成为三路输出信号，该四路输出信号形成为全桥电阻网络100的两个差分输出信号。全桥电阻网络100的差分输出连接到放大子模块80的正输入端和负输入端。放大子模块80的输出连接到智能终端90的输入端。在一个实施例中，如图2所示，第一等效电阻71、第二等效电阻72和第三等效电阻73的电阻值相等。第一等效电阻71、第二等效电阻72和第三等效电阻73的设定值为零度条件下两根电缆缆芯的等效电阻31与32以及温度传感器的等效电阻61之和。全桥电阻网络的工作原理类似于电阻式温度计的工作原理；测温原理是基于电缆缆芯的等效电阻的电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度或者与温度有关的参数。

电缆缆芯的等效电阻的电阻值随温度而变化，温度越高电阻越大，即具有正的电阻温度系数。

说明的是，温度传感器60的输出信号经过多芯电缆30连接到地面，由于多芯电缆30的长度与普通电路的导线相比非常长，常规的多芯电缆30超过3000米，因此多芯电缆30中的每一根缆芯的分布电阻已经达到几十欧姆到几百欧姆。而且电缆芯的电阻也具有一定的温度系数，该电阻随温度的升高而升高。因而，不可忽略。

另外，全桥电阻网络100的工作原理类似于电阻式温度计的工作原理。全桥电阻网络100的测温基本原理是基于电缆缆芯的等效电阻的电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度或者与温度有关的参数。且电缆缆芯的等效电阻的电阻值随温度而变化，温度越高电阻越大，即具有正的电阻温度系数。

具体公式为：

Rt＝R*EXP(B*(1/T1-1/T2))

对上面的公式解释如下：

Rt是等效电阻在T1温度下的阻值；

R是等效电阻在T2常温下的标称阻值；

B值是电缆缆芯等效电阻的相关参数；

EXP是e的n次方；

这里T1和T2指的是K度即开尔文温度，K度＝273.15(绝对温度)+摄氏度。

在一个实施例中，如图2所示，放大子模块80内部设有仪表放大器81和放大倍数设置电阻82。放大子模块80包括正输入端和负输入端，全桥电阻网络100的差分输出端分别连接到放大子模块80的正输入端和负输入端。另外，测试构建全桥电阻网络100时，确保在零度条件下全桥电阻网络100的差分输出电压为零，从而消除放大子模块80的输入固有偏差。另外，在一个实施例中，经放大子模块80放大的信号全部为温度信号，这将显著提高采集精度。

另一方面，本发明提出了一种用于超高温井筒的温度测量方法，该方法包括以下步骤：

在零度条件下，测定多芯电缆30的温度系数，结合温度传感器60的等效电阻61，并选取匹配的等效电阻，将等效电阻与温度传感器60和多芯电缆30构造成测量温度的平衡电桥，并根据如前面所述的用于超高温井筒的温度测量装置将承压筒50、温度传感器60、转换接头40、多芯电缆30、电缆绞车10、电缆匹配电路模块70以及放大及存储显示模块等各部分进行连接；

通过电缆绞车将承压筒50下放到井筒内待测定的井深处，在地面通过放大及存储显示模块获得井筒内的温度值和/或温度变化图。

在一个优选的实施例中，测定多芯电缆的温度系数包括：在零度下标定多芯电缆30的电缆芯电阻值，并对电缆芯进行温度系数标定。

在一个优选的实施例中，根据两根电缆芯的电阻值与温度传感器60的电阻值之和，选取匹配的等效电阻构成全桥电阻网络100。

在本发明的实施例中，“高温”是指钻井工况中的高温，但一般不超过200℃；“超高温”是指温度超过200℃，某些特殊情况下指的“超高温”指的是温度达到或超过260℃。本发明的装置，在选择合适的温度传感器60和多芯电缆30情况下，测试的温度最高可达到500℃。可以理解的是，本发明中虽然主要指的是“超高温”情况下的温度测量，但明显亦适用于200℃及以下的温度测量工况。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。