石油井下测压器温漂的欠件补偿

石油井下测压器温漂的欠件补偿
刘祖凡;祖静;崔春生
【摘要】As to downhole pressure testing for oil. In the course of perforated completion, a lot of heat is released, which causes the pressure tester accuracy to be uncertain greatly with the test. In order to accurately measure the pressure in the course of perforation, we must go on temperature compensation to the pressure signal from the tester according to the high temperature characteristics downhole and the sensor characteristics. This paper analyzed high- temperture properties of piezoresistive sensors and we derived the curve of the temperature drift of the sensor output and the maximum drift of the sensor. Then through the software compensation, we make the zero drift of the sensor's thermal coefficient increased by an order o f magnitude from ± 1FS/ (55°C) before compensation to ±0. 03FS/ (55°C) after compensation.%针对石油井下压力测试.在射孔完井过程中会释放大量的热量,致使测压器的测试精度产生很大的不确定性.为了能够准确测出井下压力,根据井下高温环境的特点和传感器的特性,需要对测压器进行温度补偿;文章通过对测压器高低温测试特性的分析,实验得出测压器输出的温度漂移曲线和最大漂移量；进而通过软件补偿的方式,使得测压器的热零点漂移系数由补偿前的士1FS/ (55℃)降到补偿后的士0.03FS/ (55℃),提高了一个数量级.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2012(020)001
【总页数】3页(P273-275)
【关键词】射孔完井;井下压力;测压器;温度补偿;软件补偿;热零点漂移
【作者】刘祖凡;祖静;崔春生
【作者单位】中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,电子测试技术重点实验室,山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,电子测试技术重点实验室,山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,电子测试技术重点实验室,山西太原030051
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.6
0 引言
在石油开采过程中，射孔完井是目前国内外使用最广泛的一种完井方法，井下射孔时和压裂恢复过程的压力数据是判断射孔工艺机理，研究射孔效果的重要依据，同时是研究油气层特征，掌握油气层动态，检查地面采油工艺流程的重要资料［1-2］。

因此就需要借助于高精密的压力测试仪器对井下射孔压力进行测量，针对现在的石油井下压力测量，深井的高温环境下，测压器的特性受到很大的影响，进而使井下压力信号不能够得到真实的反映，因此需要对井下测压器进行温度补偿。

在测压器中采用的是压阻式压力传感器，压阻式压力传感器作为测试的最重要的部分之一，其测试精度起到核心作用［3］，然而在高温环境中，温度是压阻式传感器的特性受影响最大的因素，压阻式压力传感器受温度影响而会产生温度漂移，产生零点输出。

使其测出的信号偏离真实信号，甚至与真实信号相反，因此，需要对压阻式传感器进行温度补偿。

在此，我们以测压器为研究对象对其进行了温度特性
研究和补偿。

1 测压器的温度特性研究
测压器有可以分为传感器和测试电路两部分，通过对测试电路元器件的选择和实验，测试电路的温漂（-40～140℃）最大为0.01%，满足测试精度要求，仅需对传感器的温漂补偿。

传感器作为测试的基础部件，其测试精度起着关键作用，压阻式传感器在高低温测试中因温度的变化而产生很大的漂移量，为保证其测试精度，需要对其进行补偿和校准。

因此了解传感器在测试温度中的输出特性，得出其输出随温度变化的特性曲线进而采用硬件或者软件的方式对其进行补偿［4-6］。

图1是压阻式传感器测量电路的原理图。

其中输出电压为U oc。

显然，当R 2 R 4＝R 1 R 3时，电桥平衡，桥路输出电压Uoc为零。

当温度变化时，则会有：
式中，ΔRt 1，ΔRt 2，ΔRt 3，ΔRt 4为温度变化时电阻的变化，UOCT为温度T 时的输出。

图1 传感器测量原理图
由于温度变化△t而引起的每个电阻的总电阻变化为［5］：
式中，i为1，2，3，4。

α为电阻温度系数，R 0为温度为T 0时的温度，K为应变片的灵敏系数，β丝和β试分别为应变丝和时间材料的线膨胀系数。

由于材料特性和工艺上的差异，如加工尺寸、掺杂浓度及均匀性、掺杂层厚度等。

使得组成测量电桥的各个桥臂的测量电阻的温度系数不一致，致使不加压时电桥（零点输出）输出不平衡，并且这一状态随温度变化而变化。

同时，压阻式传感器
的灵敏系数是金属应变片的灵敏系数的50～100倍［5］。

所以灵敏度与压阻系数成比例关系，而压阻系数为温度的函数，因此在加压情况下电桥的满量程输出也要随温度变化而变化。

2 传感器的温度补偿
传感器的温度补偿有硬件补偿和软件补偿，鉴于用硬件电路进行校准都存在电路复杂、调试困难、精度低、通用性差和成本高等缺点。

软件补偿精度高、成本低、易于补偿。

另采用软硬件结合的方法可以起到更好的补偿效果。

根据测压器自身的特性和实际测压情况的要求，对测压器实现其软件补偿［7］。

其中图2为测压器的测试原理框图，采样频率为1 Hz。

图2 测压器测试原理模块
2.1 软件补偿理论
软件补偿是将微处理器与压力传感器结合起来，充分利用丰富的软件功能，结合一定的补偿算法对测压器的温度附加误差进行修正，充分利用微处理器的控制功能和软件灵活的算法和数据处理能力，不仅可以补偿测压器因压力变化产生的影响，而且可以改善测压器的非线性指标，是提高测压器全精度的一项有力措施。

软件补偿有多种方法，如查表法、曲线拟合法和神经网络补偿法等，本文采用查表法［10］，图3是利用查表法进行非线性校正的示意图。

表1 传感器温漂温度-电压表-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140电压×10-2／mv 122.3822 120.0973 115.3841 110.4289 105.5温度／℃863 100.8994 96.6674 95.0977 89.9766 87.2886
图3 查表法进行非线性校正的示意图
查表法［8-10］是对非线性校正曲线（传感器输入-输出特性的逆函数）进行分段线性插值的方法。

实际使用时，根据精度要求对非线性校正曲线进行分段，然后将分段点坐标存入数据表中。

测量时，将实际输出对应到某一段内，并根据对应段内
的线性插值直线进行输入量的求取，即可得到非线性校正后的测量结果。

在图3中，以最大误差△MAX的要求，将曲线分成3段，分段点坐标为（U 1，X 1）、（U 2，X 2）、（U 3，X 3）、（U 4，X 4），各段的表达通式为
式中（其中n＝1、2、3……100。

x kn为第n次测得的第k个折点的电压偏移值）。

可以看到折点在曲线上，折线与逼近曲线的最大误差在折线段中部，小于△MAX，另各折线段的误差符号相同，或全部为正，或全部为负。

图4 补偿前传感器温度漂移的电压-温度曲线
根据上述温度补偿原理，利用图2所示的电路测试模块，使用ENOEVCO公司的136型号电压放大器。

所试验的压力传感器是某公司的某种型号的传感器。

使用
高精度的电压表KEIT HLEY公司2000系列multimeter，测试传感器输出电压。

在实验中，把传感器放入控温箱中，对传感器进行温控实验，控制温度在-40～＋140℃的温度下，每隔20℃升温一次，对每个温度点进行测试，使得在各个测试
温度下稳定保持两个小时，并最终在各个温度抽样选取100个电压点，求得每个
温度下的电压偏移平均值，如表1所示。

本文结合井下环境变化的特点和传感器温度补偿的方法，利用其能够采集温度信号，并利用所得温度信号在PC机上在读数软件中进行运算和处理反馈给压力曲线，从而得到更精确的压力信号。

图5即为压力的补偿原理。

图5 传感器压力的温度补偿
2.2 传感器温度的零位补偿
所谓零点输出就是指在某一参考温度和一定电激励（恒流源或恒压源供电）条件
下无外加压力时传感器的输出。

由于桥电阻的制作工艺，各电阻不可能完全相同，因此传感器一般会有一定的零位输出。

一般来说，特性好的传感器在指定温度条件
下最大零点输出电压与满量程输出电压之比应小于0.8%。

零点输出还与温度有关，在温度改变后，零点输出会有新的零点电压，这种输出称为零点输出电压的温度漂移，简称零点热漂移。

温度特性指标作为衡量压力传感器质量的一个重要指标，零点热漂移系数对其影响很大，一般零点热漂移系数用K 0来表示：
式中，UN（T 0）为参考温度下满量程时的输出电压；R 2＝0.9687和U 0（T 0）分别为温度T和参考温度T 0时的零点输出电压。

利用分段补偿和曲线拟合［9］的方法，根据测压器所测压力在静压下随温度变化的曲线可以看出，需要把曲线进行分段拟合，根据测试要求，以各段的最大误差在0.05%之内选择为温度插值点，并把各段近似作为直线处理，从而化简了算法，也提高了测量精度。

分段线性插值法［10］是根据精度要求对非线性曲线进行分段，用若干直线逼近
曲线的方法，将折线坐标值存入数据表中，测量时首先要明确对应输入被测量温度值Ti是在哪一段的斜率进行线性插值，即得输出值U i。

以图4所测Y-X曲线，
根据要求的0.05%的最大误差，利用上述补偿原理，从图4上可以看到，可以将
曲线分为三部分如图虚线所标示，将其分为三部分补偿：-40～80℃时，y＝-
0.2243x＋114.77，回归系数R 2 ＝0.9938，y＝-0.1952x＋114.21时，y＝-
0.2941x＋123.53，回归系数R 2＝1；100～140℃时，y＝-0.1952x＋114.21，回归系数R 2＝0.9687。

我们将试验的传感器通过软件实现温度补偿，其补偿之后的零点漂移示意图如图6所示。

图6 传感器补偿之后的零点热漂移
从图6可以看出，补偿之后的零点热漂移的最大误差由补偿签的1%降到补偿后的0.05%之内，并通过实验数据可以得出传感器的温度零点热漂移由补偿前的±1FS
／（55℃）降为补偿后的±0.03FS／（55℃），由此可见精度提高了一个数量级。

3 总结
本文针对影响测压器温漂的主要因素归结为传感器的温度漂移，进而分析了压阻式压力传感器的输出随温度变化而产生漂移的原因，通过软件补偿的方法对其温度特性实现了温度补偿，其中主要说明了传感器的温度效应，分析说明了补偿的方法，使得补偿之后的传感器的输出的误差系数在一定温度下（-40～140℃）相对补偿前提高了一个数量级，从而使测压器的测试精度大大提高。

在此基础上通过实验对油井测压器上使用的传感器做了温度补偿，并使用双通道测压器在大庆油田实验成功。

【相关文献】
［1］张继红，张惠殊，孙喜寿.油井试井手册［M］.北京：石油工业出版社，2008.
［2］郭敏海.生产测井导论［M］.北京：石油工业出版社，2003.
［3］黄俊钦.测试系统动力学［M］.北京：国防工业出版社，1996.
［4］何金田，张斌.传感器原理设计与应用［M］.哈尔滨：哈尔滨大学出版社，2009.
［5］孟立凡，郑宾.传感器原理及技术［M］.北京：兵器工业出版社，2000.
［6］Slotine JJE，Li W.Applied nonlinear control［M］.Englewood Cliffs，USA：Prentice-Hall，1991.
［7］关岭，吴方.一种压力传感器零位温漂的补偿方法［J］.新技术新仪器，2000，20 （3）：20-22.
［8］马军爽，李振东，王维.一种改善压力传感器曲线拟合特性的方法［J］.传感器与仪器仪表，2007，43 （4-1）：216-217.
［9］李增兵，张晓帆，等.直线拟合快速实现的一种新算法［J］.计算机测量与控制，2006，14（11）：1524-1525.
［10］周浩敏，钱政.智能传感器技术与系统［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.。