專(zhuān)利名稱(chēng)：三維油藏含水率測(cè)量的智能傳感陣系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬仿真技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及模擬石油的開(kāi)發(fā)。
背景技術(shù)：
石油作為不可再生的寶貴資源，如何得到充分有效的開(kāi)采，越來(lái)越受到 人們關(guān)注。由于石油深藏在地下，因而石油在地下的存在狀況和運(yùn)動(dòng)規(guī)律不 易觀察。人們?cè)O(shè)計(jì)了許多間接的方法來(lái)研究地下石油的規(guī)律，其中構(gòu)造地下 石油的模型是其中一種。地下石油的模型是將地下的有石油蘊(yùn)藏的地質(zhì)結(jié)構(gòu) 和地質(zhì)成分用模型模擬出來(lái)。模型中石油的存在狀況和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的許多參數(shù) 也需要探測(cè)，其中用電法勘探進(jìn)行測(cè)定是一種方法，其方法是.*根據(jù)電阻率 與含水飽和度的近似的線性關(guān)系，設(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于測(cè)量水驅(qū)過(guò)
程中砂石層10的含水飽和度。原理為使用測(cè)量砂石層10內(nèi)部不同位置的電
阻率的變化的方法來(lái)測(cè)量該處的含水飽和度，在大型的模擬水驅(qū)油過(guò)程中，
通過(guò)在砂石層10內(nèi)部均勻放置一定數(shù)量的測(cè)量電阻率的探測(cè)器，使用它們來(lái) 測(cè)量砂石層10內(nèi)部的電阻率情況，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)量，得到電阻率的變化 情況，從而得到砂石層10內(nèi)部油水運(yùn)移規(guī)律的數(shù)據(jù)，為研究油水運(yùn)移提供另
一種可行的方法。但是目前使用上述方法測(cè)定含水率的應(yīng)用還不多見(jiàn)，即使 有，也都比較簡(jiǎn)單，不僅探測(cè)器數(shù)量少，而且只有兩維的分布，不能準(zhǔn)確地 探測(cè)模型中石油的存在狀況和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。上述的探測(cè)器可以采用四極探針傳
感器6，四極探針傳感器6的測(cè)量原理是在電法勘探中，把供電電極9和測(cè) 量電極8置一條直線上，測(cè)量電極8在中間，供電電極9在兩側(cè)，稱(chēng)為對(duì)稱(chēng) 四極排列，把四極埋入需測(cè)量的介質(zhì)中，即為四極探針傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種探測(cè)器數(shù)量眾多，可全面測(cè)定石油地質(zhì)模型中 油藏含水率的三維油藏測(cè)量的智能傳感陣系統(tǒng)。
本發(fā)明的解決方案是設(shè)計(jì)一種三維油藏含水率測(cè)量的智能傳感陣系統(tǒng)， 該系統(tǒng)包含上位機(jī)l、核心控制單元2、多路選通電路3、若干的均勻放置于地質(zhì)模型的砂石層10中的三維傳感器陣列7、控制程序5，其特征在于所 述的核心控制單元2在控制程序5的控制下通過(guò)多路選通電路3依次選通三 維傳感器陣列7的各個(gè)傳感器6，接收傳感器6送來(lái)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳 送到上位機(jī)1。
系統(tǒng)中的核心控制單元2有幾種選擇1，帶數(shù)字量輸出的數(shù)據(jù)采集卡； 2，單片機(jī)，如89C51， megal28等；3，較高級(jí)的處理器芯片，如ARM, DSP等。
系統(tǒng)中的傳感器6為供電電極9和測(cè)量電極8置于一條直線上的對(duì)稱(chēng)四 極排列的四極探針傳感器6。該傳感器的供電采用8檔位可調(diào)的恒流源4。該 恒流源電路4為用一個(gè)1.8V穩(wěn)壓源給放大器，放大器的輸出控制場(chǎng)效應(yīng)管 輸出穩(wěn)恒電流，該電流可通過(guò)阻值分別為0.5K,lk, 5K, 10k,50k，100k,500k，lM 的可受核心控制單元2控制切換的8檔電阻，從而輸出電流值分別為3.6mA， 1.8mA， 360 UA， 180 uA， 36uA， 18uA， 3.6 uA， 1.8 y A的8檔恒定電流。
系統(tǒng)中的三維傳感器陣列7由512個(gè)傳感器6組成，因而多路選通電路3 為512路選通電路。512路選通電路可以采用具有雙路的8選1模擬開(kāi)關(guān) CD4097B芯片組成每?jī)善鰿D4097B為一組，其中一片CD4097B芯片輸 出四極探針傳感器6的電壓測(cè)量值，同時(shí)另一片CD4097B芯片給四極探針傳 感器6的恒流源電極9輸入電流，從而每一組可以接8路傳感器6，共需要 64組CD4097B;這64組CD4097B芯片受核心控制單元2控制，通過(guò)9位的 譯碼電路，以?xún)蓚€(gè)為一組分別同時(shí)選通一路傳感器6。另外，512路選通電路 3也可以采用單路的16選1CD4067B芯片組成每4片為一組，每組中的4 路分別接四極探針傳感器6中的4個(gè)電極，其中兩路接恒流源電極9，為四極 探針傳感器6輸入電流，另外兩路接電壓測(cè)量電極8，輸出四極探針傳感器6 的電壓測(cè)量值，從而每一組可以接16路傳感器6，共需要32組CD4067B; 這32組CD4067B芯片受核心控制單元2控制，通過(guò)9位的譯碼電路，以4 個(gè)為一組分別同時(shí)選通一路傳感器6。
控制程序5每間隔20分鐘對(duì)512路傳感器依次測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果送到上位機(jī)(1)
為了不影響傳感器(6)輸出的準(zhǔn)確性，傳感器(6)的輸出在送到核心 控制單元(2)之前加接電壓跟隨器。
上位機(jī)(1)與核心控制單元(2)的通信通過(guò)USB或者串口連接。 上位機(jī)(1)可以采用PC機(jī)。
本發(fā)明的有益效果是采用上述方案后，可以全面測(cè)量石油地質(zhì)模型中 砂石層10內(nèi)部的電阻率情況，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)量，得到電阻率的變化情況， 從而得到砂石層10內(nèi)部油水運(yùn)移規(guī)律的數(shù)據(jù)。


圖l是本系統(tǒng)的整體框圖2是四極探針傳感器原理示意圖3是選用CD4097B設(shè)計(jì)的256路選通電路的示意圖4是采用CD4097B的16選1的單元板電路圖5是選用CD4067B設(shè)計(jì)的512路選通電路的示意圖6是采用CD4067B的16選1的單元板電路圖7是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的恒流源電路原理圖8是恒流源的檔位選擇器的電路圖9是恒流源的檔位選擇器的工作流程圖10是本系統(tǒng)的控制程序工作流程圖。
圖中，1、上位機(jī)，2、核心控制單元，3、選通電路，4、恒流源(恒流 源電路)，5、控制程序，6、傳感器(四極探針傳感器)，7、傳感器陣列，8、 測(cè)量電極，9、恒流源電極(供電電極)，10、測(cè)量對(duì)象(砂石層)，11、檔位 選擇器，12、檔位電阻器。
具體實(shí)施例方式
圖1是本系統(tǒng)的一種典型方案的簡(jiǎn)化框圖。整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)1、核心控 制單元2、四極探針傳感器陣列7、 512路選通電路3、恒流源電路4組成。 512路選通電路3用來(lái)選通需要采集數(shù)據(jù)的某一路，恒流源電路4用來(lái)給探針供電，而512路的探針陣列是均勻地分布在被測(cè)對(duì)象砂石層10中的。在框圖 中，傳感器陣列7采用四極探針傳感器6來(lái)設(shè)計(jì)，核心控制單元2在控制程 序5的控制下，以開(kāi)關(guān)量的形式按照一定的編碼輸出給512路選通電路3和 恒流源電路4，依次選通512路傳感器中的一路，核心控制單元2通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換采集傳感器6中的數(shù)據(jù)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算成電阻率數(shù)據(jù)。核心控制單 元2可實(shí)時(shí)地將電阻率數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)1，也可當(dāng)512路傳感器的數(shù)據(jù)采集 完畢后，將這一批電阻率數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)1，上位機(jī)1根據(jù)采集的數(shù)據(jù)即可 以計(jì)算出探針對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電阻情況，然后，根據(jù)電阻率與含水飽和度的近似的 線性關(guān)系的原理，繪制出砂石層10內(nèi)部的飽和度分布圖。
核心控制單元2可以有幾種選擇1，帶數(shù)字量輸出的數(shù)據(jù)采集卡；2， 單片機(jī)，如89C51, megal28等；3，較高級(jí)的處理器芯片，如ARM, DSP 等。這時(shí)，系統(tǒng)一方面可以設(shè)計(jì)為系統(tǒng)本身具有較大存儲(chǔ)空間，系統(tǒng)將采集 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在自身的存儲(chǔ)器中，實(shí)驗(yàn)完畢再將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，以方便分析。另一 方面系統(tǒng)也可以設(shè)計(jì)為通過(guò)某種協(xié)議將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)(上位機(jī)1), 計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理。核心控制單元2通過(guò)USB或者串口將數(shù)據(jù)傳 輸?shù)缴衔粰C(jī)1。本實(shí)施例中核心控制單元2選用SAMSUNG的S3C44B0
(ARM7)芯片，在此處使用了44B0的串口和一組I/0 口以及A/D轉(zhuǎn)換功能。
(ARM7的使用屬于通識(shí)技術(shù)，在此不給出詳述電路)
圖2是本系統(tǒng)中使用的傳感器原理示意圖，可采用電法勘探，即在均勻 介質(zhì)內(nèi)插入兩個(gè)電極，并在任選兩點(diǎn)測(cè)量該兩點(diǎn)間的電壓，當(dāng)供電電極9和 測(cè)量電極8置于一條直線上，且測(cè)量電極8在中間，供電電極9在兩側(cè)時(shí)(如 圖2)，稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)四極排列的四極探針傳感器。本系統(tǒng)中采用四極探針傳感器 6，并將四個(gè)探針埋入測(cè)量對(duì)象10中(即石油地質(zhì)模型的砂石層)。系統(tǒng)中共 安裝512個(gè)四極探針傳感器6， 512個(gè)四極探針傳感器6均勻分布在模型的砂 石層10中。
圖3為256路選通電路3的示意圖，圖中采用CD4097B，其為雙路的8 選1模擬開(kāi)關(guān)，每一片可以接8路的探針。由于采用四線法測(cè)量，實(shí)際接線時(shí)，需要使用另外一片CD4097B與第一片并聯(lián)，這樣其中一片接四極探針傳 感器6的兩個(gè)電流針，另一片接四極探針傳感器6的兩個(gè)電壓測(cè)量針，這樣 一個(gè)完整的4探針就接好了，而同樣的圖中的第2—32片CD4097B都使用同 樣的方法接線。而512路的選通方案只需要并聯(lián)上相同的電路，另外再增加l 級(jí)譯碼，即將圖中的ABCDEFGH8路信號(hào)并聯(lián)，再增加一路信號(hào)I即可。譯 碼電路采用74154，此為通識(shí)技術(shù)，在此不給出詳述電路。圖4為采用CD4097B 的16選1的單元板電路，是512路選通電路3中的一個(gè)單元，512路選通電 路3中共有32個(gè)這樣的單元。圖中ABCD為選通信號(hào)，Enable為使能信號(hào)， Vx+和Vx-為四極探針傳感器6中間兩探針的電壓值，input和output為四極 探針傳感器6邊上兩針，直接接到恒流源4的電極上。其中ABC選通CD4097B 的8路中的某一路，而D和n分別用來(lái)作為圖中左右兩邊兩片CD4097B的片 選信號(hào)。圖中的上下部分電阻是相同的，即具有相同的選通功能。圖的最右 邊即為采用本文的四線法測(cè)量電阻率的四極探針傳感器6， 一共有16路，這 里沒(méi)有全部畫(huà)出。NC為空，預(yù)留端子。
也可以采用圖5所示的選用CD4067B設(shè)計(jì)的512路選通電路3的示意圖， 需要說(shuō)明的是，CD4067B是intersill公司的與CD4097B同一個(gè)系列的模擬 開(kāi)關(guān)產(chǎn)品，與的CD4097B不同的是它是單路的16選1。圖中所示每4片為一 組，每一組按照對(duì)應(yīng)的管腳相連，可以接16路的四極探針傳感器6。這樣經(jīng) 過(guò)74154譯碼后的電路為16X2X16=512路。(譯碼電路為通識(shí)技術(shù)，在此 不給出詳述電路。)圖6為采用CD4067B的16選1的單元板電路，是512路 選通電路3中的一個(gè)單元，512路選通電路3中共有32個(gè)這樣的單元。 CD4067B的16路選通電路3同樣有ABCD為選通信號(hào)，Enable為使能信號(hào)， Vx+和Vx-為四極探針傳感器6中間兩探針的電壓值，input和output為四極 探針傳感器6邊上兩針，直接接到恒流源4的電極上。NC為空，預(yù)留端子。
對(duì)于輸出的電壓測(cè)量值Vx+, Vx-需接電壓跟隨器，跟隨器的輸出接到 ARM7的A/D轉(zhuǎn)換端。由于ARM的A/D端內(nèi)阻是非理論上的無(wú)限大，這樣 就會(huì)將采樣點(diǎn)的電壓拉低。影響系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確度。而利用電壓跟隨器的輸入電阻無(wú)窮大，輸出電阻無(wú)限小的特點(diǎn)可以很大程度上減少這種影響。
本系統(tǒng)中四極探針傳感器6所用的恒流源電路4如圖7所示。由于砂石 層10的干濕度可能變化很大，為提高精度，設(shè)計(jì)檔位可調(diào)節(jié)的恒流源4。電 路原理圖如圖7所示input端采用一個(gè)精度為0.15%的1.8V穩(wěn)壓源REF3318 提供，此處MOSFET采用7455，放大器使用LM324,圖中的Rs為檔位電阻 器12，在此處使用8選1模擬開(kāi)關(guān)CD4097B來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)8檔的檔位選擇器 11， R1—R8為不同阻值的精度超過(guò)0.1%的電阻，阻值分別為0.5K，lk, 5K， 10k，50k，100k,500k,lM，由ARM在控制程序5的指揮下根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇使 用哪一路的檔位電阻器12，8檔電阻分別對(duì)應(yīng)輸出恒定的電流3.6mA， 1.8mA， 360uA， 180uA， 36uA， 18uA， 3.6uA, 1.8uA ，測(cè)量在某特定的檔位下的負(fù) 載兩端的電壓值Vx+， Vx-，通過(guò)虹=11/1= (Vx+—Vx-) /I即可以得到電阻 值。
用CD4097B設(shè)計(jì)的8檔位電阻檔位選擇器11的電路原理圖如圖8，檔位 電阻器12和CD4097B的連接如圖所示。工作時(shí)，CD4097B的輸入端CBA 從000 111變化，對(duì)應(yīng)的檔位從第1檔到第8檔，有真值表如下
CBA通道對(duì)應(yīng)檔位
00000.5K
0011lk
01025K
011310k
100450k
101100k
1106500k
11171M圖9為檔位選擇的流程圖，其過(guò)程為首先使用1M的電阻來(lái)作為分檔的 電阻，在此情況下，使用A/D來(lái)測(cè)量中間探針的電壓差值，如果這個(gè)值大于 IV，則使用該檔位，如果測(cè)量值小于1V，則換為500K的電阻外接，依次類(lèi) 推，直到最后得到合適的檔位為止。
本系統(tǒng)的控制程序5工作流程如圖8所示。本系統(tǒng)中的核心控制單元2 使用ARM7，上位機(jī)1采用PC機(jī)。本系統(tǒng)控制程序5的工作流程為首先系 統(tǒng)上電，程序啟動(dòng)。接著ARM初始化；隨后測(cè)量開(kāi)始選通第1路，按照
預(yù)定方案選擇恒流源電路4的電阻檔位；測(cè)量出第1路傳感器的電壓，并由
此計(jì)算出模型該處的電阻率；將該數(shù)值傳送到PC機(jī)。接著測(cè)量第2路，直到 512路。當(dāng)512路傳感器全部測(cè)量并傳送完畢后，延時(shí)20分鐘，開(kāi)始下一組 數(shù)據(jù)測(cè)量。
ARM7的初始化的工作主要包括對(duì)各個(gè)端口的初始化，串口的初始化， A/D寄存器的初始化等等；時(shí)間設(shè)計(jì)上，通過(guò)選通電路3從第1路測(cè)量到第 512路依次測(cè)量一遍為一個(gè)周期，周期與周期之間都間隔一定時(shí)間(20分鐘)， 一個(gè)周期完畢20分鐘后再次從第一路開(kāi)始測(cè)量數(shù)據(jù)。每一個(gè)周期中，首先輸 出選通的編碼，待測(cè)量的電壓穩(wěn)定后，進(jìn)行A/D采樣，對(duì)采樣值可以使用一 定的方法進(jìn)行處理后，再計(jì)算得到誤差較小的結(jié)果。在一個(gè)測(cè)量過(guò)程中，ARM7 通過(guò)USB 口或UART 口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)1。
權(quán)利要求
1. 三維油藏含水率測(cè)量的智能傳感陣系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含上位機(jī)(1)、核心控制單元(2)、多路選通電路(3)、若干的均勻放置于地質(zhì)模型的砂石層(10)中的三維傳感器陣列(7)、控制程序(5)，其特征在于所述的核心控制單元(2)在控制程序(5)的控制下通過(guò)多路選通電路(3)依次選通三維傳感器陣列(7)的各個(gè)傳感器(6)，接收傳感器(6)送來(lái)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)(1)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維油藏含水率測(cè)量的智能傳感陣系統(tǒng)，其特征 在于所述的核心控制單元(2)可采用帶數(shù)字量輸出的數(shù)據(jù)采集卡或單 片機(jī)或較高級(jí)的處理器芯片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維油藏含水率測(cè)量的智能傳感陣系統(tǒng)，其特征 在于所述的單片機(jī)可采用89C51或mega128。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維油藏含水率測(cè)量的智能傳感陣系統(tǒng)，其特征 在于所述的較高級(jí)的處理器芯片可采用ARM或DSP。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維油藏含水率測(cè)量的智能傳感陣系統(tǒng)，其特征 在于所述的傳感器(6)為供電電極(9)和測(cè)量電極(8)置于一條直 線上的對(duì)稱(chēng)四極排列的四極探針傳感器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的三維油藏含水率測(cè)量的智能傳感陣系統(tǒng)，其特征 在于所述的三維傳感器陣由512個(gè)傳感器(6)組成；多路選通電路(3) 為512路選通電路。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維油藏含水率測(cè)量的智能傳感陣系統(tǒng)，其特征 在于所述的多路選通電路(3)采用具有雙路的8選1模擬開(kāi)關(guān)CD4097B 芯片組成每?jī)善珻D4097B作為一組，其中一片CD4097B芯片的兩路 接四極探針傳感器(6)的測(cè)量電極(8)，同時(shí)另一片CD4097B芯片的 兩路接該四極探針傳感器(6)的恒流源(4)的電極，從而每一組可以 接8路傳感器(6)，共需要64組CD4097B;這64組CD4097B芯片受核 心控制單元(2)控制，通過(guò)9位的譯碼電路，以?xún)蓚€(gè)為一組分別同時(shí)選 通一路傳感器(6)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維油藏含水率測(cè)量的智能傳感陣系統(tǒng)，其特征 在于所述的多路選通電路(3)也可以采用單路的16選1CD4067B芯 片組成每4片為一組，每組中的4路分別接四極探針傳感器(6)中的 4個(gè)電極，其中兩路接恒流源(4)的電極，另外兩路接電壓測(cè)量電極(8)， 從而每一組可以接16路傳感器(6)，共需要32組CD4067B;這32組片 CD4067B芯片受核心控制單元(2)控制，通過(guò)9位的譯碼電路，以4個(gè) 為一組分別同時(shí)選通一路傳感器(6)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求所述5的三維油藏含水率測(cè)量的智能傳感陣系統(tǒng)，其特征 在于所述的四極探針傳感器(6)的供電采用8檔位可調(diào)的恒流源(4)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的三維油藏含水率測(cè)量的智能傳感陣系統(tǒng)，其特征 在于所述的恒流源(4)是用一個(gè)1.8V穩(wěn)壓源給放大器，放大器的輸出 控制場(chǎng)效應(yīng)管輸出穩(wěn)恒電流，該電流可通過(guò)阻值分別為0.5K，lk, 5K, 10k,50k,100k，500k,lM的可受核心控制單元(2)控制切換的8檔電阻， 從而輸出電流值分別為3.6mA， 1.8mA， 360uA， 180nA， 36uA， 18uA， 3.6 UA， 1.8" A的8檔恒定電流。
全文摘要
三維油藏含水率測(cè)量的智能傳感陣系統(tǒng)，屬于模擬仿真技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及模擬石油的開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)包含上位機(jī)1、核心控制單元2、多路選通電路3、若干的均勻放置于地質(zhì)模型的砂石層10中的三維傳感器陣列7、控制程序5，其特征在于所述的核心控制單元2在控制程序5的控制下通過(guò)多路選通電路3依次選通三維傳感器陣列7的各個(gè)傳感器6，接收傳感器6送來(lái)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)1。傳感器對(duì)稱(chēng)四極排列的四極探針傳感器，傳感器所用電源為8檔可調(diào)節(jié)的恒流源4。本案可以全面精準(zhǔn)測(cè)量石油地質(zhì)模型中砂石層10內(nèi)部的電阻率情況，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)量，得到電阻率的變化情況，從而得到砂石層10內(nèi)部油水運(yùn)移規(guī)律的數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)E21B49/00GK101285787SQ20081011165
公開(kāi)日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月16日
發(fā)明者浩 周, 凱 李, 田景文, 高美娟 申請(qǐng)人:北京聯(lián)合大學(xué)