石油井下測(cè)試儀掉電保護(hù)方法設(shè)計(jì)

劉帥 馬鐵華 崔春生 劉子健

【摘要】目前石油井下測(cè)試儀對(duì)井下射孔彈發(fā)射期間的強(qiáng)震蕩引發(fā)的儀器掉電現(xiàn)象沒(méi)有采取針對(duì)性的保護(hù)措施。針對(duì)此背景下射孔彈發(fā)射瞬間測(cè)試儀器掉電導(dǎo)致丟失關(guān)鍵數(shù)據(jù)的問(wèn)題，提出了石油井下測(cè)試儀掉電保護(hù)的方法，為在儀器供電輸入端使用掉電保護(hù)電容的掉電保護(hù)采樣策略，在保證儀器數(shù)據(jù)記錄完整性的同時(shí)延長(zhǎng)了儀器掉電后的工作時(shí)間，極大的提高了儀器在惡劣環(huán)境中的穩(wěn)定性。經(jīng)大量模擬實(shí)驗(yàn)及井下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用該掉電保護(hù)方法可以最大限度的保護(hù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，提高了儀器單次測(cè)試的可靠性。

【關(guān)鍵詞】測(cè)試儀器;掉電保護(hù);惡劣環(huán)境

1.引言

在井下裂縫長(zhǎng)度無(wú)法直接測(cè)量的情況下，井下射孔/壓裂過(guò)程的壓力-時(shí)間曲線是射孔彈發(fā)射、地層開(kāi)裂等過(guò)程的最直接并幾乎是唯一的表征量[1]。因此石油井下的壓力數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲取成為了測(cè)井技術(shù)的核心。沒(méi)有采取掉電保護(hù)措施的測(cè)試儀器在井下工作時(shí)存在掉電丟失數(shù)據(jù)的隱患，因此需要對(duì)石油井下測(cè)試儀采取針對(duì)性的掉電保護(hù)措施。針對(duì)射孔彈發(fā)射瞬間測(cè)試儀器掉電導(dǎo)致關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題，提出了適用于石油井下測(cè)試儀的掉電保護(hù)方法。

2.測(cè)試儀器結(jié)構(gòu)及工作流程

2.1 測(cè)試儀器結(jié)構(gòu)

石油井下測(cè)試儀由電池、數(shù)字電路穩(wěn)壓模塊、模擬電路穩(wěn)壓模塊、數(shù)字電路、模擬電路及傳感器組成。儀器采用了分時(shí)分區(qū)供電的方式以控制其工作過(guò)程中的功耗[2]。其工作原理為，測(cè)試儀器由外置電池對(duì)其供電，電池輸出經(jīng)數(shù)字電路穩(wěn)壓模塊與模擬電路穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓后對(duì)分別對(duì)數(shù)字電路與模擬電路供電，其中模擬電路穩(wěn)壓模塊的使能由數(shù)字電路控制。儀器工作時(shí)傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)模擬電路調(diào)理后傳送至數(shù)字電路以完成測(cè)量與記錄。石油井下測(cè)試儀結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)

2.2 儀器工作流程

測(cè)試儀器的常規(guī)工作流程為上電編程后即進(jìn)入喚醒休眠狀態(tài)，此狀態(tài)下儀器每分鐘從休眠狀態(tài)喚醒采集并記錄一個(gè)點(diǎn)，采集記錄完成后儀器重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。隨電纜下井至目標(biāo)深度后由絕對(duì)壓力觸發(fā)進(jìn)入待觸發(fā)狀態(tài)，儀器高速125kHz采集，并每秒鐘將當(dāng)前所采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。射孔彈發(fā)射時(shí)，井內(nèi)壓力急速上升，由隨動(dòng)觸發(fā)的方式使儀器進(jìn)入高速采集存儲(chǔ)狀態(tài)[3]，該狀態(tài)下以高速125kHz速率采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，采集時(shí)間持續(xù)5s。隨后為井下恢復(fù)壓力測(cè)量階段，以500Hz采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，持續(xù)5min然后結(jié)束[4]。

圖2 井下射孔壓力曲線

3.掉電保護(hù)方法

3.1 射孔過(guò)程中井下環(huán)空壓力數(shù)據(jù)分析

測(cè)試儀器對(duì)井下壓力的測(cè)試可以分為三個(gè)階段，分別為：下井階段、射孔階段、壓力恢復(fù)階段[5]。其中射孔階段的壓力數(shù)據(jù)變化迅速震蕩強(qiáng)烈[2]，該階段為評(píng)判射孔效果提供依據(jù)。壓力恢復(fù)階段時(shí)間很長(zhǎng)，壓力變化緩慢，該階段是評(píng)價(jià)油氣井產(chǎn)能的重要環(huán)節(jié)[6]。井下射孔效果可以通過(guò)三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行評(píng)判，分別為：峰值壓力、壓力上升時(shí)間、壓力脈沖時(shí)間。由于射孔發(fā)射過(guò)程井下壓力迅速上升帶來(lái)對(duì)儀器的強(qiáng)機(jī)械震蕩，使得儀器易發(fā)生掉電現(xiàn)象，一旦發(fā)生儀器掉電，將導(dǎo)致射孔階段與壓力恢復(fù)階段的數(shù)據(jù)丟失，因此對(duì)油井測(cè)試儀器的掉電保護(hù)設(shè)計(jì)很有必要。井下常規(guī)射孔及射孔過(guò)程中發(fā)生掉電現(xiàn)象采集到的井下壓力曲線如圖2所示。

3.2 掉電保護(hù)硬件設(shè)計(jì)

對(duì)石油井下測(cè)試儀的掉電保護(hù)的硬件設(shè)計(jì)如下，在測(cè)試儀器供電輸入端加入掉電保護(hù)電容以保證儀器掉電后的持續(xù)供電，在電池與保護(hù)電容之間串入開(kāi)關(guān)二極管以防止儀器掉點(diǎn)后保護(hù)電容中存儲(chǔ)的電能反流。測(cè)試儀器的掉電保護(hù)的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示：

圖3 掉電保護(hù)硬件設(shè)計(jì)

其工作原理為，儀器主控芯片監(jiān)測(cè)掉點(diǎn)檢測(cè)端，儀器掉電時(shí)，電池正極懸空，由下拉電阻將掉點(diǎn)檢測(cè)端電壓下拉至0V，儀器由保護(hù)電容供電，同時(shí)主控芯片檢測(cè)到掉電后執(zhí)行掉電保護(hù)采樣策略。儀器掉電保護(hù)硬件工作時(shí)序如圖4所示：

圖4 掉電保護(hù)硬件工作時(shí)序

t1時(shí)刻電池開(kāi)始對(duì)儀器供電，t2時(shí)刻保護(hù)電容充電完成。t3時(shí)刻發(fā)生掉電，保護(hù)電容繼續(xù)對(duì)儀器供電，儀器檢測(cè)到掉電信號(hào)執(zhí)行掉電保護(hù)采樣策略。

3.3 掉電保護(hù)采樣策略

為保證儀器在保護(hù)電容對(duì)其供電的情況下盡可能長(zhǎng)時(shí)間的工作，應(yīng)將測(cè)試儀器工作工程中的功耗進(jìn)一步降低。根據(jù)功耗時(shí)間因子的概念[7]：

（1）

式（1）中Wi為系統(tǒng)儀器第i個(gè)狀態(tài)的功耗，Ai與Ti為儀器第i個(gè)狀態(tài)的工作電流與工作時(shí)間，分析（1）式可知，儀器某個(gè)階段的功耗的降低可以通過(guò)減小儀器該狀態(tài)工作電流或減少儀器該狀態(tài)下的工作時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。因射孔過(guò)程有效壓力階段為射孔彈爆炸至井下壓力大于30MPa的階段，此階段大約持續(xù)10ms，所以通過(guò)絕對(duì)壓力觸發(fā)的方式使儀器在射孔彈爆炸后井下壓力小于30MPa時(shí)結(jié)束高速采集狀態(tài)，可以減小儀器在高速采集階段的功耗。通過(guò)對(duì)圖（2）b的壓力曲線進(jìn)行頻譜分析得出在井下壓力小于30MPa后約80ms的時(shí)間內(nèi)井下壓力頻率集中在小于20Hz頻率內(nèi)[8]，80ms后的壓力曲線變化緩慢，將此狀態(tài)下的壓力曲線以80ms為界分為兩個(gè)頻率進(jìn)行采集，對(duì)于80ms以?xún)?nèi)壓力采用200Hz頻率進(jìn)行采集，80ms后采用啟動(dòng)休眠的方式，每10s儀器喚醒采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采集完成后進(jìn)入休眠狀態(tài)。所以在儀器掉電后儀器采用的掉電保護(hù)策略為，射孔彈爆炸至井下壓力大于30MPa使用125kHz頻率采集，之后80ms以200Hz頻率采集，然后每10s儀器啟動(dòng)休眠采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，持續(xù)5min。采用這種采樣策略可以在降低儀器功耗的同時(shí)保證數(shù)據(jù)采集的完整性。

測(cè)試儀器掉電保護(hù)的采樣策略如圖5所示：

圖5 掉電保護(hù)軟件設(shè)計(jì)

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

采用本掉電保護(hù)方法的石油井下測(cè)試儀在井下采集射孔壓力過(guò)程時(shí)儀器掉電后采集的井下壓力波形如圖6所示。

圖6 模擬油井掉電保護(hù)壓力波形

對(duì)比圖6與圖2b可以看出，采用了掉電保護(hù)方法的石油井下測(cè)試儀在掉電后依然可以完整的記錄井下射孔過(guò)程的壓力數(shù)據(jù)。所以本掉電保護(hù)方法在針對(duì)石油井下測(cè)試儀的射孔過(guò)程掉電丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象的改良方面效果明顯、可靠。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文提出了石油井下測(cè)試儀的掉電保護(hù)方法，該方法采用在儀器供電輸入端增加保護(hù)電容并以掉電保護(hù)采樣策略進(jìn)行輔助。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本方法可以提高石油井下測(cè)試儀在射孔作業(yè)測(cè)試過(guò)程中的穩(wěn)定性，基本杜絕儀器掉電現(xiàn)象。本文提出的掉電保護(hù)方法不僅可以應(yīng)用于石油井下測(cè)試儀的掉電保護(hù)，該方法也同樣符合用于測(cè)試彈體高度侵徹硬目標(biāo)過(guò)程的彈載電子測(cè)試儀等惡劣環(huán)境測(cè)試儀器的掉電保護(hù)設(shè)計(jì)思路，擬在此方向上進(jìn)一步研究推廣。

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基金項(xiàng)目：山西省煤層氣聯(lián)合研究基金項(xiàng)目（編號(hào)：2013012010）;山西省歸國(guó)留學(xué)人員重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目“石油井下多參數(shù)測(cè)試儀”（編號(hào)：2008003）;2014年度山西省回國(guó)留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目（編號(hào)：2014-052）。

作者簡(jiǎn)介：劉帥（1989—），男，河北邯鄲人，中北大學(xué)碩士研究生在讀，研究方向：動(dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器。