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新概念石油井下壓力測試系統(tǒng)設計與研究
來源：電子技術應用2013年第12期
張士飛1,2，馬鐵華1,2， 崔春生1,2， 祖 靜1,2
1. 中北大學 電子測試技術國家重點實驗室, 山西 太原030051; 2. 中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室, 山西 太原030051
摘要： 射孔是石油開采過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)，準確地獲取井下射孔壓力-時間數(shù)據(jù)，能夠從根本上完善完井技術，促進射孔器改進，達到提高油氣井產(chǎn)能的目的。以新概念動態(tài)測試為指導設計了新概念石油井下壓力測試系統(tǒng)。系統(tǒng)主要解決的關鍵技術有：選用差分輸入放大器INA128降低溫度對傳感器的影響；采樣策略和負延遲的設計；低功耗和微體積的設計。系統(tǒng)已在長慶、大慶等油田中取得了應用。
中圖分類號： TP23
文獻標識碼： B
文章編號： 0258-7998(2013)12-0093-03
Design and research of new concepts downhole pressure testing system
Zhang Shifei1，2， Ma Tiehua1，2， Cui Chunsheng1，2， Zu Jing1,2
1. National Key Laboratory for Electronic Measurement and Technology ,North University of China, Taiyuan 030051,China; 2. Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement, North University of China, Ministry of Education, Taiyuan 030051, China
Abstract： Perforating is a very important part in oil extraction process. Getting accurate downhole perforating pressure-time data can fundamentally improve completions, promote perforator improvement and improve oil well productivity. Based on the new concept of dynamic testing, this article proposes the new concept of oil underground pressure test system. The system is mainly to address the key technologies: choosing differential input amplifier INA128 reduce the temperature influence on the sensor; sampling strategies and negative delay design; low power consumption and micro-volume design. The system has been made application in Changqing and Daqing oilfield.
Key words : perforating; completion technology; dynamic testing; sampling strategy; low power consumption

    新概念動態(tài)測試是祖靜教授在他多年工作基礎上提出來的，其定義為：在被測體實際運動的過程中，實時實況地測取其動態(tài)參數(shù)。新概念動態(tài)測試要求測試用的傳感器和測試儀器放置到被測體中或被測環(huán)境中，承受與被測體相同的惡劣環(huán)境的作用。一般意義上的測試與新概念動態(tài)測試的區(qū)別可以用下面的公式來表述。

    一般意義的動態(tài)測試:
    y(t)=Kx(t)+e  (1)
式中：y(t)為測試系統(tǒng)輸出, x(t)為被測量的動態(tài)參數(shù),K為靈敏度系數(shù),e為誤差。
    新概念動態(tài)測試：
    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)生的所需要測量的動態(tài)參數(shù)以外的其他動態(tài)參數(shù), Cen為測試系統(tǒng)對s(t)的響應系數(shù)。
　比較上面兩式可以看出，新概念動態(tài)測試充分考慮了測試環(huán)境對測試系統(tǒng)靈敏度的影響以及測試系統(tǒng)對非需要測量因素的動態(tài)參數(shù)的響應系數(shù)。
1 井下壓力測試系統(tǒng)總體設計
　新概念石油井下壓力測試系統(tǒng)由傳感器及信號處理電路、數(shù)據(jù)采集電路、電源管理電路、數(shù)據(jù)存儲電路及上位機構成。信號處理電路負責對傳感器輸出模擬信號進行放大濾波處理,處理后的信號經(jīng)過MSP430內部ADC12轉換成數(shù)字信號，轉換后的數(shù)字信號經(jīng)過單片機的處理以后，存入外部大容量的數(shù)據(jù)存儲器。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，上位機是把系統(tǒng)電路采集完的井下壓力信號通過串口接收到計算機并通過軟件擬合成曲線顯示，圖1是系統(tǒng)工作原理圖。     

  2  壓力測試系統(tǒng)的關鍵技術設計
    新概念動態(tài)測試要求測試系統(tǒng)必需放置在被測環(huán)境中。因此，對測試系統(tǒng)提出了非常嚴格的要求：微體積，不能影響到被測信號的運動規(guī)律；低功耗，系統(tǒng)電路采用電池供電，同時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)電路準確性就越高，目前都采用12位的測試開發(fā)平臺[1]。
2.1 信號處理電路設計
    從射孔彈內炸藥燃燒的過程分析，射孔信號峰值壓力大，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試條件。本文設計選用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相對較小，需經(jīng)過放大成為符合A/D轉換器模擬信號的輸入電壓量。同時，由于材料特性和工藝上的差異，使得電橋的各個橋臂的測量電阻的溫度系數(shù)不一致，從而影響傳感器的靈敏度[3]。INA128是差動輸入儀表放大器，它由3個運算放大器組成，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)采樣策略設計
    參考文獻[4]中提出了采樣策略。采樣策略就是對測試系統(tǒng)采樣過程的控制，使之適合被測對象的運動規(guī)律，完整準確地記錄和復現(xiàn)被測對象的動態(tài)過程[4]。香農(nóng)采樣定理要求，采樣頻率fc≥2 fs，其中fs是信號的最高頻率分量。工程應用中常常采用fc≥10fs。石油井下壓力測試儀采樣過程分為幾個階段：下井階段、射孔階段、壓力恢復階段。系統(tǒng)采用兩片MSP4301611單片機芯片來實現(xiàn)采樣策略功能，兩片單片機分為主、從單片機，主單片機作為控制芯片，控制各個采樣狀態(tài)之間的變換，并負責數(shù)據(jù)的存儲， 從單片機主要負責壓力信號的采集。圖3是系統(tǒng)采樣策略狀態(tài)圖。

2.3 負延遲設計
    為了真實有效地記錄下觸發(fā)前信號在極短時間內的數(shù)據(jù)，就要使用負延遲技術。負延遲也稱為提前傳輸，即將觸發(fā)信號的觸發(fā)采集時刻提前一段時間作為傳輸數(shù)據(jù)的起始點。根據(jù)采樣策略的設計，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)設計采用FIFO存儲器實現(xiàn)負延遲。
    IDT72V241是一種可編程的先進先出FIFO芯片，其存儲容量為4 KB。存儲前先將其設置到編程狀態(tài)，根據(jù)編程狀態(tài)時序圖將FIFO編程容量設置為2 KB。當存入FIFO的數(shù)據(jù)達到2 KB時，F(xiàn)IFO的半滿標志位就會由高電平變?yōu)榈碗娖疆a(chǎn)生一個下降沿，下降沿將觸發(fā)主單片機的中斷，此時主單片機可處理FIFO里面的數(shù)據(jù)。負延遲設計的流程圖如圖4所示。

    射孔前以125 000點/s的速度從單片機采集數(shù)據(jù)并存入FIFO，但是主單片機只是每一秒鐘才會從FIFO中取出一個點存入外部Flash。那么，中間絕大部分的數(shù)據(jù)是不需要的，這就需要單片機在FIFO半滿中斷時將FIFO里面的數(shù)據(jù)清除。每次半滿時，F(xiàn)IFO中都存有2 KB的數(shù)據(jù)，主單片機清除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。這樣就實現(xiàn)了負延時的功能。
2.4 系統(tǒng)微功耗、微體積設計
　新概念動態(tài)測試要求測試儀器不能影響到被測體的運動規(guī)律，因此，測試儀器的體積要盡可能小[5]。但是，考慮測試系統(tǒng)要在高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境下工作，同時射孔和壓裂過程中溫度和壓力會發(fā)生突變，所以殼體設計只能在保證指標的前提下盡可能地減少冗余件設計，降低外壁厚度。機械殼體的材料選擇高強度合金材料鈦合金。圖5為新舊儀器的對比。

    井下壓力測試系統(tǒng)一般都是自帶電源，測試系統(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。因而在測試系統(tǒng)滿足測試要求的前提下，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)的功耗時間因子，即系統(tǒng)設計需要給每種狀態(tài)分配功耗限額。
     Pd=CTV2f   (4)
式中，Pd為CMOS芯片的動態(tài)功耗，CT為CMOS芯片的負載電容，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。采樣策略的設計就是要系統(tǒng)根據(jù)外界壓力信號的變化來選擇不同的采樣速率。下井過程時間很長，但是信號的變化很緩慢，采用低速采樣就可以滿足要求。射孔時壓力信號的變化很快，射孔時間很短,高速采樣定時5 s就可全部記錄射孔壓力信號。因此,采樣速率的設計很有效地節(jié)省一次下井采樣的功耗。
    系統(tǒng)設計采用分區(qū)／分時供電，分區(qū)／分時電源管理技術能夠有效地控制功率消耗。電路在需要工作時給其供電，在不需工作時斷電，減小電路無效操作時功耗的比例。例如，儀器不在采集狀態(tài)時，與采集相關的器件都可以關閉。這樣可以節(jié)省至少一半的功耗。分區(qū)／分時供電需要多種電壓，系統(tǒng)采用單電池電源，通過可控制的電壓轉換芯片來實現(xiàn)多分支電源網(wǎng)絡管理，使得系統(tǒng)各功能模塊的電源相對獨立供電，在不工作時可以分別斷電，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，可以提高能量利用率，降低電路功耗。
3 井下實測數(shù)據(jù)
    圖6所示，實測數(shù)據(jù)取自大慶某工地田區(qū)低滲透油層開發(fā)試驗區(qū)塊，采用動態(tài)負壓射孔。該地區(qū)地層類型為混合砂巖，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急劇上升，產(chǎn)生一個峰值壓力為42.36 MPa的壓力脈沖。射孔后液體迅速回流進入動態(tài)負壓階段,射孔后25.9 ms達到最大動態(tài)負壓值14.36 MPa，動態(tài)負壓持續(xù)時間為1 559 ms。

 

 

    新概念壓力測試系統(tǒng)是基于參考文獻[1]中提出的新概念動態(tài)測試設計的新一代石油井下壓力測試系統(tǒng)。充分考慮到石油井下射孔時復雜環(huán)境,對系統(tǒng)的采樣系統(tǒng)、微體積、低功耗重新進行設計。圖5中原儀器長726 mm,質量33 kg,直徑81 mm,新儀器長426 mm,質量2.4 kg， 直徑39 mm,直徑和質量上的優(yōu)勢更增加了測試儀器的可靠性。
參考文獻
[1] 祖靜，張志杰，裴東興，等．新概念動態(tài)測試[J]．測試技術學報,2004，18(26):1-4.
[2] 牛超群,張玉金. 油氣井完井射孔技術[ M] . 北京:石油工業(yè)出版社,1994.
[3] 孟立凡,鄭賓.傳感器原理及技術[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005:120-121.
[4] 張文棟. 存儲測試系統(tǒng)的設計理論及其應用[D]. 北京:北京理工大學, 1995.
[5] 裴東興．新概念動態(tài)測試若干問題的研究[D]．北京：北京理工大學，2004．

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