井下壓力接收裝置的電路設(shè)計(jì)應(yīng)用*

張璽亮 馬認(rèn)琦 李漢興 陳紅新

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)分公司（天津塘沽300452）

2.中海石油研究總院（北京100025）

井下壓力接收裝置的電路設(shè)計(jì)應(yīng)用*

張璽亮1馬認(rèn)琦1李漢興2陳紅新2

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)分公司（天津塘沽300452）

2.中海石油研究總院（北京100025）

井下壓力接收裝置是為研究鉆井液負(fù)脈沖在下傳過程中衰減和抗干擾能力的一種裝置，分析了裝置的電路設(shè)計(jì)，介紹了它的基本原理和元器件的選擇，并針對(duì)脈沖信號(hào)干擾影響性較大的井深、信號(hào)傳遞方式、泵壓、脈沖信號(hào)的振幅等主要因素，進(jìn)行了鉆井循環(huán)作業(yè)下的井下試驗(yàn)壓力數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

壓力信號(hào)信號(hào)下傳數(shù)據(jù)采集

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)作為自動(dòng)化較高的鉆井技術(shù)，正逐步在鉆井現(xiàn)場(chǎng)推廣，其核心技術(shù)是鉆具在旋轉(zhuǎn)過程中，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)井下閉環(huán)軌跡導(dǎo)向鉆井，國(guó)內(nèi)的學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)研及研究工作[1,2]，主要包括地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面指令下傳系統(tǒng)、井下工具系統(tǒng)、井下測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)及井下閉環(huán)短程通訊系統(tǒng)等部分組成，作為及時(shí)調(diào)整井眼軌跡的地面指令下傳系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。應(yīng)用于地面與井下通訊的信息傳輸方式，主要有4種：鉆井液脈沖、絕緣導(dǎo)線、電磁波和聲波[4]。其中電磁波和聲波的傳輸速度最快，由于信號(hào)衰減嚴(yán)重[5]，受環(huán)境干擾較大，不易接收及檢測(cè)，只能應(yīng)用于淺層油氣井，技術(shù)沒有得到推廣；絕緣導(dǎo)線傳輸方式安全可靠，需要特殊的鉆具，不適于導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)推廣。鉆井液脈沖方式對(duì)鉆井工藝無特殊要求和限制，在鉆井液中產(chǎn)生正脈沖作為井下數(shù)據(jù)上傳的方式，已經(jīng)得到廣泛使用。利用鉆井液的負(fù)脈沖將地面指令下傳，受井深、循環(huán)壓力以及衰減速率的影響，在不改變鉆井液循環(huán)攜砂環(huán)境下，安全可靠的將指令下傳，是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

1 井下壓力接收裝置

井下壓力接收裝置是為研究鉆井液負(fù)脈沖在下傳過程中衰減和抗干擾能力的一種裝置，通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，安裝在井下鉆頭附近壓力接收裝置通過壓力傳感器接收、儲(chǔ)存器記錄并存儲(chǔ)井底鉆井液的壓力變化，到地面讀取數(shù)據(jù)后，經(jīng)過信號(hào)過濾軟件系統(tǒng)對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行分析過濾，直觀地顯示出下傳指令波形，從而優(yōu)選針對(duì)井深、循環(huán)壓力等各種工況變化下，指令下傳參數(shù)的最佳方案，提高指令下傳的安全性和可靠性。

1.1 電路設(shè)計(jì)

井下壓力接收裝置的電路(如圖1所示)包括壓力傳感器、信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換單元、單片機(jī)控制和處理單元、存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘和復(fù)位單元、串口通訊單元以及供電單元組成[5]。

其中壓力傳感器電路由壓力傳感器IC1構(gòu)成，A/D轉(zhuǎn)換芯片IC2和電壓參考源IC3組成A/D轉(zhuǎn)換電路。IC4是單片機(jī)控制和處理單元，IC5雙端口存儲(chǔ)芯片是存儲(chǔ)單元。通訊單元由RS232芯片IC6構(gòu)成。

壓力傳感器IC1接收來自鉆井液中的壓力信號(hào)并將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成PV+和PV-兩端的電壓信號(hào)，PV+和PV-兩端的電壓信號(hào)經(jīng)由信號(hào)放大電路放大后傳送到A/D轉(zhuǎn)換芯片IC2的模擬信號(hào)輸入端AINP1和AINN1。5V穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓源IC3接IC2的REFP和REFN端，為A/D轉(zhuǎn)換芯片IC2提供穩(wěn)定參考電壓。單片機(jī)IC4控制A/D轉(zhuǎn)換芯片IC2采樣。單片機(jī)IC4將從芯片A/D轉(zhuǎn)換芯片IC2采樣所得壓力信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。芯片IC6為單片機(jī)提供通訊接口。

1.2 元器件的選取

針對(duì)鉆井環(huán)境中井底溫度高、鉆柱振動(dòng)頻率高等特點(diǎn)。裝置的電路設(shè)計(jì)和電子元器件的選取，遵循耐高溫、抗振動(dòng)、抗電磁干擾、高可靠性的原則。

1.2.1 電源芯片的選擇

鉆井時(shí)的工作溫度為-40～125℃的范圍，電源芯片選擇TPS76750Q和TPS76633D，分別提供穩(wěn)定的5V和3.3V電壓，輸入電壓范圍廣，輸出電壓穩(wěn)定紋波小，同時(shí)可以滿足井下功耗低的特點(diǎn)。

1.2.2 壓力傳感器的選擇

鉆井循環(huán)是一種有雜質(zhì)和固體顆粒的鉆井液，而傳感器的壓力敏感面上一旦有雜質(zhì)或沉積物，將檢測(cè)不到井下的壓力脈沖或壓力變化。因此選擇CYB-15ST型傳感器，可在高溫、高壓環(huán)境下抗振動(dòng)和抗沖正常工作。其具體技術(shù)參數(shù)如下：

量程：0～60MPa；

精度：±0.1%滿量程；

零點(diǎn)溫度：±0.01%，滿量程/℃；

絕緣電阻:≥1 000MΩ(250V DC)。

1.2.3 A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇

井下壓力檢測(cè)要求分辨率為0.1MPa，滿量程為40MPa，而8位的A/D不滿足要求，有漂移，即低位數(shù)據(jù)是不可靠的，所以選擇高分辨率的ADS1225 A/D，具有較高的轉(zhuǎn)換精度，多達(dá)24位。同時(shí)滿足低功耗，工作溫度在-55～125℃的技術(shù)要求。

1.2.4 時(shí)鐘芯片的選擇

井下壓力接收裝置采取每記錄1個(gè)數(shù)據(jù)的同時(shí)也記錄時(shí)間，存數(shù)據(jù)回放時(shí)能提供日、時(shí)、分、秒等信息，與記錄的壓力值一一對(duì)應(yīng)。因此時(shí)鐘芯片選擇了是一個(gè)帶有時(shí)鐘、日歷、CPU監(jiān)控和兩路報(bào)警的實(shí)時(shí)時(shí)鐘X1228。

2 壓力接收裝置的標(biāo)定與校時(shí)

在壓力接收裝置入井使用之前，受電器元件性能和采集電路各項(xiàng)參數(shù)的影響，需要對(duì)壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

（1）將壓力傳感器與電路連接好后啟動(dòng)壓力采集程序。

（2）給傳感器等間隔逐步加壓，每次壓力增加后都穩(wěn)定一段時(shí)間。比如0～30MPa，從0開始每增加1MPa后穩(wěn)定一段時(shí)間，直到壓力值增加到30 MPa。

（3）將壓力采集程序得到的A/D轉(zhuǎn)換值提取到excel文件中，并換算成十進(jìn)制數(shù)。

（4）取每階段壓力穩(wěn)定后的多個(gè)數(shù)值，求這多個(gè)數(shù)值的平均值作為這個(gè)階段標(biāo)準(zhǔn)表壓力值對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

（5）建立標(biāo)準(zhǔn)表壓力值x和A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果y的數(shù)學(xué)關(guān)系，y=ax+b。用最小均方誤差原則求出a，b的估計(jì)值。

（6）根據(jù)步驟5的結(jié)果求出反函數(shù)x=cy+d，將這個(gè)公式作為采樣值換算成壓力值的公式。

通過運(yùn)行的上位機(jī)軟件與單片機(jī)的串口通道連接，在極短的時(shí)間里（ms級(jí)）上位機(jī)軟件讀取計(jì)算機(jī)時(shí)鐘芯片的時(shí)間并將讀取的時(shí)間通過串口發(fā)給單片機(jī)，單片機(jī)將收到的時(shí)間發(fā)給電路板上的時(shí)鐘芯片，時(shí)鐘芯片最終會(huì)按照上位機(jī)的時(shí)間開始新的起始時(shí)間計(jì)時(shí)。

3 井下壓力數(shù)據(jù)的采集

在鉆井液負(fù)脈沖下傳過程中，對(duì)脈沖信號(hào)干擾影響性較大的主要因素有井深、信號(hào)傳遞方式、泵壓、脈沖信號(hào)的振幅等等。針對(duì)上述因素，通過改變泵壓，調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度，改變數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)裝置下井深度，改變信號(hào)下傳指令周期、間隔的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)中，分別在500m、1 000m、1 500m和2 000m的不同井深情況下，地面下傳裝置的旁通閥閥門的4種不同開度分別為10、18、22、26，（最大開度為44），泵壓分別采用6MPa、8MPa、10MPa、12 MPa，以及指令周期分別為5s、8s、10s、12s。由此進(jìn)行鉆井正常循環(huán)過程，實(shí)現(xiàn)控制地面指令信息的下傳周期及間隔，并在地面通過改變井下鉆井液流量的變化量而變化的井底壓力，這時(shí)壓力傳感器會(huì)檢測(cè)到這個(gè)壓力脈沖信號(hào)并存儲(chǔ)。

井深500m、泵壓6MPa、地面下傳信息裝置旁通閥的開度分別采用14，18，22（最大開度為44）和地面發(fā)送指令周期為5s、8s、10s、12s等不同旁通開度、指令寬度情況下的井下壓力數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，以此舉例說明。圖2中3個(gè)壓力臺(tái)階對(duì)應(yīng)的是地面泥漿泵的不同的壓力情況，每一組壓力曲線分別為4種不同的指令寬度。下傳壓力接收裝置中的電路采集到的壓力，其準(zhǔn)確地接收了地面壓力信號(hào)。從中可以得出以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

（1）在指令周期為5s時(shí)，壓力曲線不夠明顯，12s時(shí)曲線清晰、明顯，但指令時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)考慮鉆井現(xiàn)場(chǎng)的具體情況。

（2）當(dāng)開度為18時(shí)，得出的曲線較為準(zhǔn)確，基本與實(shí)驗(yàn)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)吻合。

（3）隨著井深的增加，信號(hào)的衰減速度尤其增強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文所描述的井下壓力接收裝置能夠準(zhǔn)確及時(shí)的記錄并儲(chǔ)存井下壓力變化情況，電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，可以滿足鉆井作業(yè)的井下施工工況。由此裝置采集的鉆井液壓力脈沖變化趨勢(shì)，為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的地面指令下傳方式的研究，以及如何提高下傳指令的安全可靠性和抗干擾能力，提供了有效分析數(shù)據(jù)和依據(jù)。

[1]姜偉.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井偏心穩(wěn)定器橫向震動(dòng)研究[J].中國(guó)海上油氣，2006，18(5):330-333.

[2]蔣世全，姜偉，傅鑫生，等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究進(jìn)展[C]//第六屆全國(guó)石油鉆井院所長(zhǎng)會(huì)議論文集.北京：石油工業(yè)出版社，2006：176-182.

[3]閻文輝，彭勇，張邵槐.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的研制原理[J].石油學(xué)報(bào)，2005，26(5)：94-97.

[4]劉修繕,蘇義腦.井眼軌跡閉環(huán)控制系統(tǒng)的信號(hào)下傳技術(shù)[J].鉆井工藝2000,23(1):1.

[5]肖仕紅，梁政.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].石油機(jī)械.2006，34(4)：67.

Downhole pressure receiver is one device to study the attenuation and the anti-jamming capability of negative pulse about drilling fluid in the process of passingdownward.Based on the analysis of circuit design about the device,the paper introduces the basic principle and the selection of components.Meanwhile,according to some main factors affecting pulse signals greatly,such as the well depth,the way of signal transfer,the pump pressure,and the pulse amplitude,the circuit design of this device has been applied to the data collection of downhole pressure test on the spot under the condition of drilling recycling operation

pressure signal,transferring signals downward;data collection

2010-10-22▎

*國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助,2007AA090801

張璽亮（1984-），男，助理工程師，現(xiàn)在主要從事旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向研究工作。