新概念動(dòng)態(tài)測(cè)試是祖靜教授在他多年工作基礎(chǔ)上提出來(lái)的，其定義為：在被測(cè)體實(shí)際運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，實(shí)時(shí)實(shí)況地測(cè)取其動(dòng)態(tài)參數(shù)。新概念動(dòng)態(tài)測(cè)試要求測(cè)試用的傳感器和測(cè)試儀器放置到被測(cè)體中或被測(cè)環(huán)境中，承受與被測(cè)體相同的惡劣環(huán)境的作用。一般意義上的測(cè)試與新概念動(dòng)態(tài)測(cè)試的區(qū)別可以用下面的公式來(lái)表述。

    一般意義的動(dòng)態(tài)測(cè)試:
    y(t)=Kx(t)+e  (1)
式中：y(t)為測(cè)試系統(tǒng)輸出, x(t)為被測(cè)量的動(dòng)態(tài)參數(shù),K為靈敏度系數(shù),e為誤差。
    新概念動(dòng)態(tài)測(cè)試：
    y(t)=Kenx(t)+Cens(t)+e   (2)
式中：Ken為受到環(huán)境力影響的靈敏度系數(shù), s(t)為環(huán)境力產(chǎn)生的所需要測(cè)量的動(dòng)態(tài)參數(shù)以外的其他動(dòng)態(tài)參數(shù), Cen為測(cè)試系統(tǒng)對(duì)s(t)的響應(yīng)系數(shù)。
　比較上面兩式可以看出，新概念動(dòng)態(tài)測(cè)試充分考慮了測(cè)試環(huán)境對(duì)測(cè)試系統(tǒng)靈敏度的影響以及測(cè)試系統(tǒng)對(duì)非需要測(cè)量因素的動(dòng)態(tài)參數(shù)的響應(yīng)系數(shù)。
1 井下壓力測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　新概念石油井下壓力測(cè)試系統(tǒng)由傳感器及信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)采集電路、電源管理電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路及上位機(jī)構(gòu)成。信號(hào)處理電路負(fù)責(zé)對(duì)傳感器輸出模擬信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理,處理后的信號(hào)經(jīng)過(guò)MSP430內(nèi)部ADC12轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理以后，存入外部大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。電源管理模塊是為系統(tǒng)提供電壓，保證系統(tǒng)的正常工作，上位機(jī)是把系統(tǒng)電路采集完的井下壓力信號(hào)通過(guò)串口接收到計(jì)算機(jī)并通過(guò)軟件擬合成曲線顯示，圖1是系統(tǒng)工作原理圖。     

  2  壓力測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)
    新概念動(dòng)態(tài)測(cè)試要求測(cè)試系統(tǒng)必需放置在被測(cè)環(huán)境中。因此，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)提出了非常嚴(yán)格的要求：微體積，不能影響到被測(cè)信號(hào)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；低功耗，系統(tǒng)電路采用電池供電，同時(shí)受到儀器體積的限制，電池電量有限，系統(tǒng)電路須盡可能地降低功耗；高精度，精度越高系統(tǒng)電路準(zhǔn)確性就越高，目前都采用12位的測(cè)試開(kāi)發(fā)平臺(tái)[1]。
2.1 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)
    從射孔彈內(nèi)炸藥燃燒的過(guò)程分析，射孔信號(hào)峰值壓力大，脈寬窄，上升沿陡[2]。因此，要求傳感器有較高的自振頻率和很寬的頻響特性。而且，其抗壓能力以及靈敏度要符合測(cè)試條件。本文設(shè)計(jì)選用Kuliter公司的壓阻傳感器HKM-198-375M。壓阻傳感器是以硅片作為彈性敏感元件組成惠斯通電橋，如圖2所示。一般，壓阻式傳感器輸出的電壓信號(hào)相對(duì)較小，需經(jīng)過(guò)放大成為符合A/D轉(zhuǎn)換器模擬信號(hào)的輸入電壓量。同時(shí)，由于材料特性和工藝上的差異，使得電橋的各個(gè)橋臂的測(cè)量電阻的溫度系數(shù)不一致，從而影響傳感器的靈敏度[3]。INA128是差動(dòng)輸入儀表放大器，它由3個(gè)運(yùn)算放大器組成，可以有效地抑制溫漂并且提高電路的精度。INA128的放大倍數(shù)為：
     
2.2 系統(tǒng)采樣策略設(shè)計(jì)
    參考文獻(xiàn)[4]中提出了采樣策略。采樣策略就是對(duì)測(cè)試系統(tǒng)采樣過(guò)程的控制，使之適合被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，完整準(zhǔn)確地記錄和復(fù)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)過(guò)程[4]。香農(nóng)采樣定理要求，采樣頻率fc≥2 fs，其中fs是信號(hào)的最高頻率分量。工程應(yīng)用中常常采用fc≥10fs。石油井下壓力測(cè)試儀采樣過(guò)程分為幾個(gè)階段：下井階段、射孔階段、壓力恢復(fù)階段。系統(tǒng)采用兩片MSP4301611單片機(jī)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)采樣策略功能，兩片單片機(jī)分為主、從單片機(jī)，主單片機(jī)作為控制芯片，控制各個(gè)采樣狀態(tài)之間的變換，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)， 從單片機(jī)主要負(fù)責(zé)壓力信號(hào)的采集。圖3是系統(tǒng)采樣策略狀態(tài)圖。

2.3 負(fù)延遲設(shè)計(jì)
    為了真實(shí)有效地記錄下觸發(fā)前信號(hào)在極短時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，就要使用負(fù)延遲技術(shù)。負(fù)延遲也稱(chēng)為提前傳輸，即將觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)采集時(shí)刻提前一段時(shí)間作為傳輸數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)。根據(jù)采樣策略的設(shè)計(jì)，射孔前系統(tǒng)采樣率為1 S/s，射孔采樣率為125 000 S/s，兩者的差別比較大，為了完整地保存射孔前一瞬間的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用FIFO存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)負(fù)延遲。
    IDT72V241是一種可編程的先進(jìn)先出FIFO芯片，其存儲(chǔ)容量為4 KB。存儲(chǔ)前先將其設(shè)置到編程狀態(tài)，根據(jù)編程狀態(tài)時(shí)序圖將FIFO編程容量設(shè)置為2 KB。當(dāng)存入FIFO的數(shù)據(jù)達(dá)到2 KB時(shí)，F(xiàn)IFO的半滿(mǎn)標(biāo)志位就會(huì)由高電平變?yōu)榈碗娖疆a(chǎn)生一個(gè)下降沿，下降沿將觸發(fā)主單片機(jī)的中斷，此時(shí)主單片機(jī)可處理FIFO里面的數(shù)據(jù)。負(fù)延遲設(shè)計(jì)的流程圖如圖4所示。

    射孔前以125 000點(diǎn)/s的速度從單片機(jī)采集數(shù)據(jù)并存入FIFO，但是主單片機(jī)只是每一秒鐘才會(huì)從FIFO中取出一個(gè)點(diǎn)存入外部Flash。那么，中間絕大部分的數(shù)據(jù)是不需要的，這就需要單片機(jī)在FIFO半滿(mǎn)中斷時(shí)將FIFO里面的數(shù)據(jù)清除。每次半滿(mǎn)時(shí)，F(xiàn)IFO中都存有2 KB的數(shù)據(jù)，主單片機(jī)清除1 KB的數(shù)據(jù)，另外1 KB保留在FIFO中,不斷更新的數(shù)據(jù)在射孔后做為高速數(shù)據(jù)存入Flash。這樣就實(shí)現(xiàn)了負(fù)延時(shí)的功能。
2.4 系統(tǒng)微功耗、微體積設(shè)計(jì)
　新概念動(dòng)態(tài)測(cè)試要求測(cè)試儀器不能影響到被測(cè)體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此，測(cè)試儀器的體積要盡可能小[5]。但是，考慮測(cè)試系統(tǒng)要在高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境下工作，同時(shí)射孔和壓裂過(guò)程中溫度和壓力會(huì)發(fā)生突變，所以殼體設(shè)計(jì)只能在保證指標(biāo)的前提下盡可能地減少冗余件設(shè)計(jì)，降低外壁厚度。機(jī)械殼體的材料選擇高強(qiáng)度合金材料鈦合金。圖5為新舊儀器的對(duì)比。

    井下壓力測(cè)試系統(tǒng)一般都是自帶電源，測(cè)試系統(tǒng)受到體積的限制，電池體積也必須盡可能小，故容量也較小。因而在測(cè)試系統(tǒng)滿(mǎn)足測(cè)試要求的前提下，盡可能地降低功耗。為了減小功耗，需要考慮系統(tǒng)各狀態(tài)的功耗時(shí)間因子，即系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要給每種狀態(tài)分配功耗限額。
     Pd=CTV2f   (4)
式中，Pd為CMOS芯片的動(dòng)態(tài)功耗，CT為CMOS芯片的負(fù)載電容，V為CMOS芯片的工作電壓，f為CMOS芯片的工作頻率。
    可以看出，電路的功耗與芯片的工作頻率成正比，與供電電壓的平方成正比。采樣策略的設(shè)計(jì)就是要系統(tǒng)根據(jù)外界壓力信號(hào)的變化來(lái)選擇不同的采樣速率。下井過(guò)程時(shí)間很長(zhǎng)，但是信號(hào)的變化很緩慢，采用低速采樣就可以滿(mǎn)足要求。射孔時(shí)壓力信號(hào)的變化很快，射孔時(shí)間很短,高速采樣定時(shí)5 s就可全部記錄射孔壓力信號(hào)。因此,采樣速率的設(shè)計(jì)很有效地節(jié)省一次下井采樣的功耗。
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分區(qū)／分時(shí)供電，分區(qū)／分時(shí)電源管理技術(shù)能夠有效地控制功率消耗。電路在需要工作時(shí)給其供電，在不需工作時(shí)斷電，減小電路無(wú)效操作時(shí)功耗的比例。例如，儀器不在采集狀態(tài)時(shí)，與采集相關(guān)的器件都可以關(guān)閉。這樣可以節(jié)省至少一半的功耗。分區(qū)／分時(shí)供電需要多種電壓，系統(tǒng)采用單電池電源，通過(guò)可控制的電壓轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)多分支電源網(wǎng)絡(luò)管理，使得系統(tǒng)各功能模塊的電源相對(duì)獨(dú)立供電，在不工作時(shí)可以分別斷電，以節(jié)省功耗。電壓變換器件選擇DC-DC變換器，DC-DC變換器件具有效率高、升降壓靈活等優(yōu)點(diǎn)，可以提高能量利用率，降低電路功耗。
3 井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
    圖6所示，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取自大慶某工地田區(qū)低滲透油層開(kāi)發(fā)試驗(yàn)區(qū)塊，采用動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔。該地區(qū)地層類(lèi)型為混合砂巖，油層平均孔隙度為16.5%，空氣滲透率為74.2×10-3 μm，射孔采用油管傳輸方式,射孔器長(zhǎng)度4 m，外徑102 mm,孔密16孔/m。射孔前液柱壓力為19.84 MPa。射孔彈引爆以后壓力會(huì)急劇上升，產(chǎn)生一個(gè)峰值壓力為42.36 MPa的壓力脈沖。射孔后液體迅速回流進(jìn)入動(dòng)態(tài)負(fù)壓階段,射孔后25.9 ms達(dá)到最大動(dòng)態(tài)負(fù)壓值14.36 MPa，動(dòng)態(tài)負(fù)壓持續(xù)時(shí)間為1 559 ms。

    新概念壓力測(cè)試系統(tǒng)是基于參考文獻(xiàn)[1]中提出的新概念動(dòng)態(tài)測(cè)試設(shè)計(jì)的新一代石油井下壓力測(cè)試系統(tǒng)。充分考慮到石油井下射孔時(shí)復(fù)雜環(huán)境,對(duì)系統(tǒng)的采樣系統(tǒng)、微體積、低功耗重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖5中原儀器長(zhǎng)726 mm,質(zhì)量33 kg,直徑81 mm,新儀器長(zhǎng)426 mm,質(zhì)量2.4 kg， 直徑39 mm,直徑和質(zhì)量上的優(yōu)勢(shì)更增加了測(cè)試儀器的可靠性。
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