射孔器腔內(nèi)壓力測試儀的高頻動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法*

劉 超,裴東興*,崔春生,靳 鴻

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

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射孔器腔內(nèi)壓力測試儀的高頻動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法*

劉 超1,2,裴東興1,2*,崔春生1,2,靳 鴻1,2

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

針對(duì)腔內(nèi)壓力測試儀無法測得一次壓力脈沖的問題,提出了一種按希望指標(biāo)高頻動(dòng)態(tài)數(shù)字補(bǔ)償?shù)姆椒?通過射孔器腔內(nèi)壓力測試儀的設(shè)計(jì)實(shí)例并在爆炸洞模擬膛壓發(fā)生環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,說明了本方法的有效性。分析了石油井下射孔器腔內(nèi)壓力信號(hào)的特性,通過高頻動(dòng)態(tài)補(bǔ)償數(shù)字濾波系統(tǒng)的設(shè)計(jì),從而達(dá)到在高溫、高壓、高沖擊等惡劣環(huán)境下測得一次壓力脈沖,為測試儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)的目的。

模擬膛壓;高頻響應(yīng)展寬;腔內(nèi)壓力

在射孔過程中射孔器腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生兩次壓力脈沖,一次壓力脈沖是一種對(duì)于腔內(nèi)壓力測試儀的抗沖擊設(shè)計(jì)、頻響設(shè)計(jì)以及傳感器的選擇的重要參數(shù),二次脈沖是石油企業(yè)工程分析的重要參數(shù)。為了在高溫、高壓、高沖擊等惡劣境中測得一次脈沖,為射孔器腔內(nèi)壓力測試儀的設(shè)計(jì)提供重要依據(jù),延長射孔器槍內(nèi)壓力測試儀的使用壽命和降低高昂的成本實(shí)現(xiàn)信號(hào)的完整采集,保證動(dòng)態(tài)測試精度,從實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā),給出了系統(tǒng)頻響展寬的總體設(shè)計(jì)方案和測試信號(hào)的技術(shù)指標(biāo)。

在石油開采過程中普遍采用測試腔外環(huán)空壓力,但是槍外環(huán)空壓力不能直觀反映射孔過程,為了更好評(píng)估射孔器,中北大學(xué)電子與動(dòng)態(tài)測試國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究了一種能夠直接測試槍內(nèi)壓力的測試系統(tǒng)——射孔器槍內(nèi)壓力測試儀。傳感器的選擇需要同時(shí)考慮到抗高壓、抗沖擊、抗高溫[1],所以可選傳感器的固有頻率就受到限制,因此現(xiàn)有可選壓電式壓力傳感器的高頻響應(yīng)余量不夠,過高的一次脈沖導(dǎo)致測壓系統(tǒng)使用一至兩次之后即被射孔槍內(nèi)高壓打壞、動(dòng)態(tài)測試精度[2-3]受到限制。

射孔器內(nèi)爆炸和燃燒過程是一個(gè)極其復(fù)雜的過程,射孔彈爆炸后的能量一部分用于射流的動(dòng)能,一部分用于外殼的膨脹變形和碎片的動(dòng)能,另一部分用于爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能和空氣沖擊波的能量。射孔彈引爆后形成爆轟波,在強(qiáng)大的爆轟壓力下,殼體膨脹變形,當(dāng)殼體剛發(fā)生破裂時(shí),爆轟氣體產(chǎn)物瞬間繞到殼體外面以強(qiáng)沖擊波的形式向周圍傳播。同時(shí)破片和高溫高壓氣體等產(chǎn)物引燃了后續(xù)的壓裂火藥[4]。因此這個(gè)過程對(duì)于建立后續(xù)的爆炸燃燒環(huán)境具有非常重要的影響。

根據(jù)所查資料射孔器內(nèi)試驗(yàn)的峰值壓力測量結(jié)果,我們可以知道射孔時(shí)射孔器內(nèi)壓力在200 MPa到1 000 MPa之間[5],而一次脈沖壓力能夠達(dá)到1 000 MPa左右,頻響是二次脈沖的2倍～2.5倍左右。

1 測試信號(hào)的技術(shù)指標(biāo)

腔內(nèi)一體式復(fù)合射孔器是通過導(dǎo)爆索將射孔彈按螺旋狀連接起來,目前射孔器裝彈密度一般為16 彈/m,普遍使用的102射孔器彈架直徑d為62 mm,射孔彈相位相差90°,聚能彈和導(dǎo)爆索使用的炸藥,一般為黑索金(RDX)、奧克托金(HMX)或太安(PETN),通過查資料可得:國內(nèi)生產(chǎn)的炸藥傳爆速度為7 308 m/s～8 012 m/s[6]。

導(dǎo)爆索將射孔彈按螺旋狀連接起來,目前常用的射孔彈相位相差90°,兩個(gè)射孔彈間導(dǎo)爆索的長度L根據(jù)螺旋線式(1)算出,螺旋線連接示意圖為圖1所示。

(1)

圖1 螺旋線連接示意圖

圖2 射孔彈剖面示意圖(單位mm)

目前射孔器裝彈密度一般為16彈/m,普遍使用的102射孔器彈架直徑為62 mm,由圖1兩個(gè)射孔彈間導(dǎo)爆索長度約79.2 mm,可計(jì)算出相鄰兩發(fā)射孔彈引爆時(shí)間間隔為:

圖2中A點(diǎn)為起爆點(diǎn),B點(diǎn)為炸藥燃燒完點(diǎn),炸藥爆轟A到B點(diǎn)的距離可以近似為40 mm,以爆轟波的傳播速度為7 500 m/s,結(jié)合圖中尺寸可以計(jì)算得出:單發(fā)射孔彈由導(dǎo)爆索點(diǎn)燃到爆轟完畢需要時(shí)間約為5.3 μs。工程上采樣頻率取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)頻率的7倍～10倍[7],即要測試并分辨射孔彈爆炸時(shí)射孔器內(nèi)壓力快速變化過程,射孔器內(nèi)部測試系統(tǒng)的采樣頻率應(yīng)達(dá)到2 MHz。以上設(shè)計(jì)僅考慮二次脈沖壓力的測量,為了能夠測得一次脈沖,孔器內(nèi)部測試系統(tǒng)的采樣頻率應(yīng)達(dá)到5 MHz。

2 頻響展寬的總體設(shè)計(jì)方案

將壓電傳感器膜片和壓電元件構(gòu)成的物理結(jié)構(gòu)作為傳感器高頻動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的前級(jí)壓力捕獲系統(tǒng),動(dòng)態(tài)補(bǔ)償數(shù)字濾波器作為后級(jí)補(bǔ)償輸出系統(tǒng)。應(yīng)用經(jīng)典系統(tǒng)控制理論可得出結(jié)論:傳感器高頻動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)由前級(jí)壓力捕獲系統(tǒng)和后級(jí)高頻補(bǔ)償系統(tǒng)的乘積得到。

2.1 傳感器高頻數(shù)字動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)建模

圖3 高頻動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)

我們可將高頻動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題描述為求解離散傳遞函數(shù),使得[8-10]

(2)

綜合上述,按希望的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)補(bǔ)償濾波器的一般步驟如下:

(1)根據(jù)需要確定希望的性能指標(biāo)；

圖4 射孔器壓力測試儀結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

(2)由希望的性能指標(biāo)求出希望的模型;選擇傳感器是要同時(shí)考慮到抗高壓、抗高溫、抗沖擊,所以可選傳感器的固有頻率頻率就受到限制,為保證動(dòng)態(tài)測試精度,傳感器固有頻率應(yīng)不低于被測壓力信號(hào)諧波中最高頻率,所以高頻動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的復(fù)數(shù)極點(diǎn),按照阻尼比N=0.707(最佳阻尼比),固有頻率ω0=600 kHz來確定。

傳感器高頻動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)理想動(dòng)態(tài)模型為:G0(z-1)

(3)給定輸入激勵(lì)信號(hào)u(t),求希望的測量瞬態(tài)響應(yīng)x(n)。

x(n)=G0(z-1)u(n)

(3)

(4)求解式(2)所示的參數(shù)優(yōu)化問題。

經(jīng)計(jì)算得到后級(jí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)模型為:

(4)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

爆炸洞模擬膛壓發(fā)生器實(shí)驗(yàn),如圖5所示。

爆炸洞模擬膛壓發(fā)生實(shí)驗(yàn)中采用高頻展寬前的腔內(nèi)壓力測試系統(tǒng),以及高頻展寬后的腔內(nèi)壓力測試系統(tǒng)分別進(jìn)行模擬膛壓爆炸試驗(yàn)。壓力測試系統(tǒng)安裝于模擬膛壓發(fā)生器底部,壓裂彈(與射孔器腔內(nèi)壓力測試系統(tǒng)殼體相同)安裝于模擬膛壓發(fā)生器頂部,通過控制裝藥量使得待測壓力有效爆炸脈沖(二次脈沖)保持在368 MPa左右。

圖5 爆炸洞模擬膛壓發(fā)生器實(shí)驗(yàn)

模擬膛壓發(fā)生器實(shí)驗(yàn)通過模擬油井現(xiàn)場環(huán)境對(duì)高頻展寬前后的動(dòng)態(tài)壓力測試系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

從圖6、圖8中可以看到未高頻展寬的壓力測試儀已經(jīng)能夠測得二次壓力脈沖,能夠滿足石油企業(yè)對(duì)射孔完井參數(shù)的工程分析,但是由于一次壓力脈沖超過1 000 MPa對(duì)系統(tǒng)殼體以及系統(tǒng)內(nèi)部電路的高沖擊會(huì)影響系統(tǒng)整體的動(dòng)態(tài)測試精度以及系統(tǒng)使用壽命。而由于一次脈沖的與二次脈沖相比頻響極高系統(tǒng)無法對(duì)一次脈沖有效響應(yīng)。

圖6 未高頻展寬壓力測試儀試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)曲線

圖7 未高頻展寬壓力測試儀頻率特性曲線

從模擬膛壓發(fā)生試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)和波形圖8可以看出,補(bǔ)償后的高頻壓力動(dòng)態(tài)測試儀能夠同時(shí)測得一次脈沖和二次脈沖,達(dá)到了為提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測試精度、抗沖擊,提高系統(tǒng)高頻響應(yīng)以及儀器使用壽命的預(yù)期效果。

圖7和圖9為高頻展寬前后測試儀頻率特性曲線,經(jīng)計(jì)算一次脈沖頻響為190 kHz、二次脈沖頻響為2 700 kHz,圖7中截止頻率大190 kHz遠(yuǎn)小于2 700 kHz,而在圖9中截止頻率大于2 700 kHz,由此可以看出試驗(yàn)結(jié)果已達(dá)到預(yù)期效果。

圖8 高頻展寬壓力測試儀試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)曲線

圖9 高頻展寬壓力測試儀頻率特性曲線

同時(shí)從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到,補(bǔ)償后的高頻壓力動(dòng)態(tài)系統(tǒng)能夠滿足對(duì)二次脈沖的上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間和峰值時(shí)間[11-12]的動(dòng)態(tài)測試精度,工作頻帶和通頻帶都達(dá)到了預(yù)想要求。

4 結(jié)論

本文在已有腔內(nèi)壓力測試儀的基礎(chǔ)上,利用高頻數(shù)字動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理,提出了腔內(nèi)壓力測試系統(tǒng)的改進(jìn)方法。該方法可以同時(shí)獲得一次和二次脈沖能夠同時(shí)為工程應(yīng)用以及儀器的設(shè)計(jì)提供全面完整的數(shù)據(jù)信息。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可靠性和正確性,在此基礎(chǔ)上結(jié)合理論,對(duì)石油井下射孔壓裂的研究可達(dá)到事半功倍的效果。這在射孔壓裂彈爆炸時(shí)分析復(fù)雜物理化學(xué)過程等方面具有明顯的優(yōu)勢,對(duì)于射孔壓裂器的新原理探索、設(shè)計(jì)、定型、驗(yàn)收、性能改進(jìn)具有十分重要的意義。

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劉超(1987-),男,滿族,吉林通化人,中北大學(xué)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)在讀碩士研究生,主要從事動(dòng)態(tài)測試與智能儀器的研究工作,liuchao1931@126.com;

裴東興(1973-),男,漢族,中北大學(xué)教授,山西省學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人,2005年3月獲北京理工大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)博士學(xué)位,碩士生導(dǎo)師,中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“動(dòng)態(tài)測試與信息獲取”方向骨干成員、山西省科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)——?jiǎng)討B(tài)測控與智能儀器“瞬態(tài)壓力測控技術(shù)”方向帶頭人,研究方向?yàn)橹悄軆x器、動(dòng)態(tài)測試與校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)壓縮及信息處理、自動(dòng)控制,peidongxing@nuc.edu.cn。

HighFrequencyDynamicCompensationMethodBasedonPerforatingCavityPressureTester*

LIUChao1,2,PEIDongxing1,2*,CUIChunsheng1,2,JINGHong1,2

(1.National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.Education Ministry Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Against the cavity pressure tester pressure pulse can’t be measured. A kind of high frequency dynamic digital compensation method is proposed according to the index. The perforating gun chamber pressure tester was designed,and we had a test under simulated conditions of bore pressure generator. The experimental results show the effectiveness of this method. The analysis of oil well perforating gun chamber pressure signal feature was made. Through the design of high frequency dynamic compensation digital filter system,a pressure pulse test was performed in harsh environments such as high temperature,high pressure and high impact. The purpose was reached in this method to provide reliable basis for the optimal design of tester.

Key wards:chamber pressure simulation;pressure in gun;high frequency broadening;the digital filter

項(xiàng)目來源:山西省基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2013012010)

2014-04-11修改日期:2014-08-19

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.10.013

TD470

:A

:1004-1699(2014)10-1373-04