隨鉆地層壓力測(cè)量裝置測(cè)量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

葉萬聰 胡 澤 張 淳

(西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院1，四川 成都 610500;中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司新疆石油勘察設(shè)計(jì)研究院2，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

地層壓力測(cè)量的常用測(cè)試方法有電纜地層測(cè)試(FMT/RFT/WFT)或鉆桿地層測(cè)試(DST)，此類測(cè)試方法存在耗時(shí)久、工具下入困難、作業(yè)費(fèi)用較高等缺點(diǎn)［1－2］。隨著鉆地層壓力測(cè)試工具的不斷出現(xiàn)，使得鉆井工藝和鉆、完井作業(yè)得到優(yōu)化［3］。目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)這方面的研究還處于探索階段。因此，研發(fā)隨鉆地層壓力測(cè)試工具具有深遠(yuǎn)的意義［4－5］。

本文詳細(xì)地闡述了基于雙AVR的隨鉆地層壓力測(cè)量裝置測(cè)量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在井下高溫和強(qiáng)干擾的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)環(huán)空壓力和地層壓力數(shù)據(jù)的采集、分析、傳輸和存儲(chǔ)，同時(shí)精確控制井下電磁閥，確保隨鉆地層壓力測(cè)量裝置的順利工作。同時(shí)，設(shè)計(jì)制作了相應(yīng)的測(cè)量控制系統(tǒng)，并成功運(yùn)用在地層壓力測(cè)試模擬試驗(yàn)中。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為:最大耐壓70 MPa、最高工作溫度125℃、短節(jié)上安裝有1個(gè)溫度傳感器和2個(gè)地層壓力傳感器用于測(cè)量環(huán)空壓力和管柱壓力、壓力傳感器分辨率為±0.1 MPa、溫度傳感器測(cè)量分辨率為±0.05 K、地層壓力測(cè)試時(shí)間≤5 min、連續(xù)無故障工作時(shí)間不小于240 h，期間測(cè)量次數(shù)不少于30次。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要采集兩路壓力信號(hào)、溫度數(shù)據(jù)和控制6個(gè)電磁閥。其中，兩路壓力信號(hào)為內(nèi)壓和抽吸缸內(nèi)壓力，6路電磁閥分為兩路分流器閥、兩路換向閥、兩路抽吸閥。本文基于這些功能設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的整體方案。系統(tǒng)有兩個(gè)獨(dú)立的CPU，分別用于數(shù)據(jù)的采集、處理和電磁閥的精確控制。系統(tǒng)模塊主要包括電源模塊、信號(hào)調(diào)理、傳輸存儲(chǔ)、光電隔離、整流穩(wěn)壓、隨鉆測(cè)量(measure while drilling，MWD)接口、看門狗電源監(jiān)視、時(shí)鐘電路、驅(qū)動(dòng)電路等部分。

使用時(shí)，測(cè)量控制系統(tǒng)安裝在井下鉆柱的一個(gè)短節(jié)內(nèi)用于隨鉆測(cè)量。短節(jié)內(nèi)部需要留有鉆井液的循環(huán)空間，系統(tǒng)只能安裝在鉆柱內(nèi)徑與外徑之間，同時(shí)又要滿足短節(jié)的抗壓能力，剩下的安裝空間非常有限。采用單CPU方式，單位外圍密度大，增加了單位體積和CPU的處理負(fù)擔(dān);采用雙CPU方式，將采集和控制分開，能很好地將系統(tǒng)分散安裝，增加了系統(tǒng)的抗干擾性能，同時(shí)也提高了控制精確度與裝置的整體性能，簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Systematic diagram of the system

2 系統(tǒng)核心硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主從CPU電路

主從CPU均采用高性能、低功耗的ATmega8芯片。該芯片自帶8路10位ADC、SPI總線、雙線串行接口(two-wire serial interface，TWI)總線等，豐富的內(nèi)部資源減小了系統(tǒng)的體積，方便了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主從機(jī)之間依靠TWI總線連接，在鉆柱之內(nèi)只需雙線就能實(shí)現(xiàn)連接，從而能方便地將主從機(jī)分開安裝。主機(jī)負(fù)責(zé)壓力數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸，并分析采集到的內(nèi)壓數(shù)據(jù)，判斷是否接收到井口下傳指令。從機(jī)主要負(fù)責(zé)電磁閥的精確工作，保證探頭能在測(cè)量時(shí)順利伸出與收回。

2.2 電源模塊

隨鉆地層壓力測(cè)量裝置有井下渦輪發(fā)電機(jī)與電池兩種供電方式。光電隔離技術(shù)隔離了兩個(gè)電源系統(tǒng)電氣方面的聯(lián)系以及控制板大電流、大電壓的突變對(duì)采集板微弱信號(hào)的干擾，保持了控制信號(hào)的聯(lián)系，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠［6］。

傳統(tǒng)的隨鉆測(cè)量工具采用鋰電池供電，不能實(shí)現(xiàn)大功率長(zhǎng)時(shí)間供電。井下渦輪發(fā)電機(jī)依靠泥漿的循環(huán)來驅(qū)動(dòng)渦輪，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電［7］，是隨鉆地層壓力測(cè)試裝置的理想電源。備用鋰電池用于控制核心電路，冗余設(shè)計(jì)保證了在井下渦輪發(fā)電機(jī)失效時(shí)探頭能正常收回，以免對(duì)儀器造成破壞［8］。

2.3 電源監(jiān)視電路

為了使裝置能夠可靠穩(wěn)定地工作，系統(tǒng)使用了外部硬件看門狗監(jiān)控芯片MAX706。當(dāng)系統(tǒng)在井下受到強(qiáng)烈的外部干擾、出現(xiàn)程序“跑飛”或者死機(jī)時(shí)，外部看門狗電路能使系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位并重新開始運(yùn)行［9］。

2.4 信號(hào)調(diào)理電路

井下壓力的測(cè)量采用離子濺射式薄膜壓力傳感器CYB-15S。該傳感器膜片上制作有惠更斯電橋的合金薄膜變電阻。其工作原理如下:井下壓力經(jīng)過油腔作用于耐腐蝕的不銹鋼膜片上，膜片產(chǎn)生形變，電橋輸出相應(yīng)的毫伏級(jí)差分電壓信號(hào)［10］。

儀表放大方式是差分信號(hào)放大的理想選擇，能在噪聲以及含有大共模信號(hào)的條件下保持極高的直流準(zhǔn)確度和增益精度。井下環(huán)境溫度變化大，很容易引起嚴(yán)重的溫度漂移。因此，應(yīng)選用高性能的低失調(diào)電壓、低漂移、低噪聲的精密放大器，本文選用斬波穩(wěn)零型運(yùn)放AD8554。AD8554斬波穩(wěn)零運(yùn)放具有軌到軌輸入和輸出能力，采用單電源供電，失調(diào)電壓和輸入電壓溫漂很小，內(nèi)部集成了四路運(yùn)算放大器。采用AD8554組合成的三儀表放大電路既能很好地抑制共模信號(hào)，又能滿足低失調(diào)電壓和溫漂性能［11］。信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路Fig.2 Signal conditioning circuit

2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

存儲(chǔ)芯片選用ATMEL公司的AT45DB321D大容量串行Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其具有速度快、功耗低、密度高等優(yōu)點(diǎn)，支持單電源供電和高速SPI串行接口，硬件連接少。單片芯片的容量為32 MB，極大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的密度。將兩塊存儲(chǔ)芯片經(jīng)過線譯碼并聯(lián)，可擴(kuò)展存儲(chǔ)容量。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路Fig.3 Data storage circuit

2.6 MWD 接口電路

隨鉆測(cè)量過程中的數(shù)據(jù)依靠泥漿脈沖器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為壓力脈沖信號(hào)，通過鉆桿內(nèi)的鉆進(jìn)液(泥漿)傳到地面。系統(tǒng)與泥漿脈沖器的接口為RS-232接口，因此采用MAX3232串口通信芯片，并采用3.3V低電壓供電，使系統(tǒng)具有更低的功耗。MWD接口電路如圖4所示。

圖4MWD接口電路Fig.4 MWD interface circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括下位機(jī)兩CPU的測(cè)試控制程序與PC機(jī)的上位機(jī)軟件，下位機(jī)軟件的主要功能包括數(shù)據(jù)的采集、處理與分析，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信等功能。上位機(jī)軟件采用的是C#編寫，能實(shí)時(shí)接收井底傳送的數(shù)據(jù)，分析井底儀器工作狀態(tài)，使工作人員能準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)和了解地層壓力。

4 隨鉆地層壓力測(cè)量裝置試驗(yàn)

4.1 井口下傳指令數(shù)據(jù)

隨鉆地層壓力測(cè)量裝置接收到地面發(fā)送的下傳指令后開始工作，此指令依靠對(duì)泵的開閉來實(shí)現(xiàn)。

在鉆井過程中，關(guān)閉泥漿泵能使井底環(huán)空壓力產(chǎn)生三個(gè)負(fù)脈沖，這三個(gè)脈沖的寬度和頻率決定于對(duì)泵的關(guān)閉時(shí)間和關(guān)閉間隔。試驗(yàn)表明，井口排量的變化量達(dá)到5 L/s，環(huán)空壓力的變化可達(dá)1 MPa。在隨鉆過程中測(cè)量模塊監(jiān)測(cè)環(huán)空壓力的變化，如果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)三個(gè)負(fù)脈沖，則確認(rèn)為井口下傳的開始工作指令每個(gè)負(fù)脈沖的寬度為5～10 s，周期為20～30 s，壓差大于2 MPa。指令具體格式可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況改變。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件濾波后再做嚴(yán)格判斷，避免干擾而引起的誤動(dòng)作。

井口下傳指令數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 井口下傳指令數(shù)據(jù)Fig.5 The command data downloaded from wellhead

4.2 地層壓力記錄數(shù)據(jù)

系統(tǒng)接收到經(jīng)嚴(yán)格判斷的井口下傳指令后開始測(cè)量工作，控制儀器側(cè)面伸出一個(gè)密封探頭緊貼井壁，內(nèi)部抽吸缸開始抽吸，抽吸時(shí)間決定了抽吸量。抽取一定體積的地層流體，從而引起地層壓力下降，這一壓降以近似于球面的形式向外傳播。壓降結(jié)束后，地層流體中未被擾動(dòng)的部分又向低壓區(qū)流動(dòng)，直至壓力恢復(fù)到原始地層壓力。在這一過程中，系統(tǒng)將全程記錄地層壓力和時(shí)間的函數(shù)曲線。系統(tǒng)記錄的壓力曲線如圖6所示。由測(cè)試記錄的壓降大小和不同時(shí)間記錄的恢復(fù)壓力形成地層滲透率的函數(shù)，因此根據(jù)壓力降和壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)均可估算地層滲透率。

圖6 地層壓力記錄曲線Fig.6 The logging curve of formation pressure

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于雙CPU的地層壓力測(cè)量裝置的測(cè)量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以控制地層壓力測(cè)試裝置在鉆井過程中利用短暫的暫停測(cè)得地層壓力數(shù)據(jù)。雙CPU方式保證了系統(tǒng)順利安裝在井下測(cè)量短節(jié)的狹小空間內(nèi)，同時(shí)也使測(cè)量和控制更加精確。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確判斷井口下傳指令和精確控制電磁閥工作，從而滿足測(cè)量裝置的工作流程。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全能滿足井下安裝的體積要求。采用兩種供電方式，解決了井下大功率供電的問題，保證了系統(tǒng)的可靠性。

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