井筒微芯片示蹤器電源技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

朱祖揚(yáng)， 吳海燕， 張　林， 李豐波， 趙金海，3， 張　衛(wèi)

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司，山東東營(yíng) 257064；3.中石化休斯頓研究開(kāi)發(fā)中心，休斯頓 77056)

鉆井過(guò)程中為了掌握鉆具工況、鉆井液的流變性、井壁穩(wěn)定性、井涌、井漏和井眼軌跡等信息，需要實(shí)時(shí)測(cè)量井筒工程參數(shù)(溫度、壓力、井斜角和工具面角等)，并根據(jù)這些參數(shù)調(diào)整鉆井液密度、選擇套管最佳下入深度及調(diào)整鉆井施工作業(yè)等，從而為高效鉆井和安全鉆井提供保障。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制了測(cè)量井筒工程參數(shù)的隨鉆測(cè)量短節(jié)(PWD)[1]，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鉆井施工中。但隨鉆測(cè)量短節(jié)離鉆頭較遠(yuǎn)(大部分超過(guò)了10.00 m)，造成測(cè)量參數(shù)滯后，導(dǎo)致井眼軌跡調(diào)整不及時(shí)，且隨鉆測(cè)量短節(jié)只能測(cè)量井筒底部的工程參數(shù)，隨著鉆井深度增加，不能再測(cè)量井筒上部的工程參數(shù)，當(dāng)井筒上部發(fā)生異常情況時(shí)不能及時(shí)采取措施，從而導(dǎo)致發(fā)生井下故障。因此，要尋找一種能夠快速測(cè)量全井筒工程參數(shù)的技術(shù)，而井下智能技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展?jié)M足了這一需求。微芯片技術(shù)由于具有微型化和智能化的優(yōu)點(diǎn)，已在鉆井領(lǐng)域得到了應(yīng)用。2010年左右，美國(guó)Tulsa大學(xué)和Houston大學(xué)進(jìn)行了井下微球測(cè)量技術(shù)[2-4]和井下微球傳輸技術(shù)[5-7]研究，突破了傳統(tǒng)隨鉆測(cè)量技術(shù)的理念，把幾米長(zhǎng)、幾十公斤質(zhì)量的隨鉆測(cè)量短節(jié)的功能濃縮于1個(gè)只有幾毫米大小的微球上。自2011年起中國(guó)石化與Tulsa大學(xué)進(jìn)行了井下微球測(cè)量技術(shù)攻關(guān)研究，經(jīng)過(guò)多年努力形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品——井筒微芯片示蹤器(以下簡(jiǎn)稱為“示蹤器”)[8]。示蹤器主要測(cè)量整個(gè)井筒中的溫度和壓力，其外形是一個(gè)直徑7.5 mm的球體。示蹤器雖然體積不大，但里面卻包含了微控制器、傳感器和電池等部件。研究發(fā)現(xiàn)，示蹤器的性能受電源的影響較大，使用過(guò)程中如果電池充電不足或高溫環(huán)境下電池放電速度過(guò)快，井筒工程參數(shù)就采集得不完整，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題[3],國(guó)外提出了定制耐高溫大容量微型電池的方案，但是制作成本很高。筆者以可充電鋰電池為示蹤器的電源，并采用無(wú)線充電技術(shù)，通過(guò)試驗(yàn)分析了影響示蹤器電源充放電性能的因素，并采取了相應(yīng)的控制策略，使示蹤器的電源獲得了最佳工作效能，確保了示蹤器能夠測(cè)全整個(gè)井筒的工程參數(shù)。

1　示蹤器無(wú)線充電設(shè)計(jì)方案

示蹤器通過(guò)鉆柱水眼連續(xù)投放到循環(huán)的鉆井液中，從鉆頭水眼進(jìn)入井筒，隨鉆井液循環(huán)從環(huán)空上行返至地面，采集井筒中的溫度和壓力，從而建立井筒溫度和壓力分布剖面[8]。由于鉆頭水眼的直徑非常小，為確保示蹤器順利通過(guò)鉆頭水眼進(jìn)入環(huán)空段進(jìn)行測(cè)量，示蹤器樣機(jī)為直徑7.5 mm的小球，其密度約1.5 g/cm3，耐溫可達(dá)100 ℃，耐壓可達(dá)70 MPa。示蹤器內(nèi)部包含微控制芯片、微型傳感器、微型電池和電阻電容等元器件，內(nèi)部電路如圖1所示。由于示蹤器內(nèi)部的空間非常有限，要求示蹤器內(nèi)每一個(gè)元器件(模塊)的尺寸盡可能小、功耗盡可能低，同時(shí)能夠承受井下的高溫高壓，并且相對(duì)較容易組裝。

圖1　示蹤器微型化采集電路Fig.1　Micro-acquisition circuit of the tracer

考慮到示蹤器的尺寸和特定的工作環(huán)境，同時(shí)為了不破壞示蹤器的完整性和降低制作工藝難度，采用無(wú)線充電技術(shù)[9]給電池充電，這樣能夠省去外部接插件，從而降低示蹤器內(nèi)部電路與鉆井液接觸的概率。示蹤器電源設(shè)計(jì)成由一個(gè)可充電鋰電池和一個(gè)受電線圈組成，受電線圈感知外部的磁場(chǎng)能量并將其轉(zhuǎn)換為受電電壓，實(shí)時(shí)給鋰電池充電，鋰電池給示蹤器提供電能。該電源設(shè)計(jì)方案還需要有無(wú)線充電裝置。無(wú)線充電裝置由高頻振蕩電路和送電線圈組成，高頻振蕩電路驅(qū)動(dòng)送電線圈工作，使送電線圈產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，通過(guò)高頻磁場(chǎng)實(shí)時(shí)給示蹤器內(nèi)的鋰電池充電。無(wú)線充電示意圖如圖2所示。

圖2　示蹤器無(wú)線充電示意Fig.2　Diagram of wireless charging of the tracer

通常情況下送電線圈和受電線圈都繞制成平面空心線圈，線圈的繞制方向一致，以便產(chǎn)生磁場(chǎng)疊加。受電線圈感應(yīng)電壓與受電線圈的匝數(shù)、面積和耦合電磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)受電線圈與送電線圈軸線方向重合，且距離越小時(shí)，受電線圈獲得的感應(yīng)電壓越高，鋰電池的充電效果就越好。

圖3　無(wú)線充電電路原理圖Fig.3　Schematic diagram of wireless charging circuit

2　示蹤器電源的充放電特性

示蹤器電源設(shè)計(jì)主要考察以下性能：一個(gè)是示蹤器內(nèi)部的鋰電池能夠快速充滿電；另一個(gè)是示蹤器內(nèi)部鋰電池的放電速度要慢，以保持較長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。因此，有必要掌握示蹤器內(nèi)部鋰電池的充電和放電特性，從而控制影響無(wú)線充電的因素，評(píng)估外界環(huán)境對(duì)示蹤器工作性能的影響。

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)無(wú)線充電效能，依據(jù)圖3構(gòu)建了無(wú)線充電測(cè)試電路，受電線圈和送電線圈采用線徑0.1 mm的漆包線繞制而成，振蕩器工作頻率0～2 MHz，工作電壓4.00～18.00 V。在試驗(yàn)過(guò)程中，用游標(biāo)卡尺測(cè)量受電線圈和送電線圈的對(duì)心距d，用萬(wàn)用表測(cè)量鋰電池兩端的電壓。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)鋰電池的放電特性，設(shè)計(jì)了鋰電池放電電路，其原理如圖4所示。使用高溫烘箱對(duì)鋰電池放電電路進(jìn)行加溫，以模擬井下高溫環(huán)境。

2.1　送電電壓對(duì)充電電壓的影響

考慮充電電壓會(huì)同時(shí)受到送電電壓和線圈對(duì)心距的影響，需要設(shè)定送電線圈和受電線圈對(duì)心距，再考察充電電壓和送電電壓的關(guān)系。由于受電線圈不能直接裸露在外面，其被環(huán)氧樹(shù)脂包裹，包裹厚度約為1.0 mm，因此設(shè)定送電線圈和受電線圈對(duì)心距為1.0 mm。改變振蕩器工作電壓，即改變送電電壓，測(cè)定充電電壓，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4　電池放電電路原理圖Fig.4　Schematic diagram of discharge circuit

圖5　充電電壓和送電電壓之間的關(guān)系Fig.5　Relationship between charging voltage and transmission voltage

由圖5可可以看出，送電電壓越大，充電電壓也越大，二者之間呈斜率為0.5的線性關(guān)系，當(dāng)送電電壓為7.00 V時(shí)，充電電壓為3.39 V，此時(shí)已經(jīng)達(dá)到鋰電池最大充電電壓，送電電壓再升高，有可能充爆鋰電池?？紤]實(shí)際充電過(guò)程中送電線圈和受電線圈不一定處于對(duì)心位置，即二者之間有較小的平面夾角，能量交換不充分，要達(dá)到較好的充電效果，需要增大送電電壓，送電電壓為8～10 V最佳。

2.2　線圈對(duì)心距對(duì)充電電壓的影響

為了分析送電線圈和受電線圈對(duì)心距對(duì)充電電壓的影響規(guī)律，將送電電壓設(shè)定為10.00 V，測(cè)定不同線圈對(duì)心距下的充電電壓，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6　充電電壓和線圈對(duì)心距之間的關(guān)系Fig.6　Relationship between charging voltage and coil distance

由圖6可以看出，線圈對(duì)心距越大，充電電壓越低，二者之間呈斜率為-0.7的線性關(guān)系，即線圈對(duì)心距增加1.0 mm，充電電壓就會(huì)降低0.70 V。當(dāng)線圈對(duì)心距增大到2.0 mm時(shí)，充電電壓降至2.47 V，此時(shí)線圈對(duì)心距不能再增大，否則就不能給鋰電池充電了。這說(shuō)明，當(dāng)送電電壓為10.00 V時(shí)，線圈對(duì)心距不宜超過(guò)2.0 mm。如果線圈對(duì)心距超過(guò)2.0 mm時(shí)，則要升高送電電壓。

2.3　電池電壓和充電時(shí)間的關(guān)系

考慮到充電時(shí)間太短會(huì)導(dǎo)致鋰電池充電不充分，而充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)又不利于現(xiàn)場(chǎng)使用，因此有必要了解鋰電池的最佳充電時(shí)間。設(shè)定充電過(guò)程中線圈對(duì)心距為1.0 mm，送電電壓為7.00 V，此時(shí)充電電壓為3.39 V，用該電壓給鋰電池充電10 min，每隔2 min取下鋰電池測(cè)一次電池電壓，結(jié)果見(jiàn)圖7。鋰電池充電之前的電壓為0.10 V。

圖7　電池電壓和充電時(shí)間之間的關(guān)系Fig.7　Relationship between battery voltage and charging time

由圖7可以看出，充電2 min后，鋰電池的電壓迅速升至2.66 V，此后緩慢上升，充電時(shí)間達(dá)到10 min鋰電池電壓升至3.02 V，達(dá)到了鋰電池額定電壓。這說(shuō)明鋰電池充電過(guò)程經(jīng)歷了預(yù)充電和恒壓充電2個(gè)階段，在預(yù)充電階段，鋰電池電壓直線上升，當(dāng)進(jìn)入恒壓充電階段，鋰電池電壓逐步達(dá)到飽和。這表明，充電10～20 min就可以達(dá)到較好的充電效果，有利于縮短現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間。

2.4　溫度對(duì)鋰電池放電特性的影響

考慮示蹤器在高溫環(huán)境下工作，高溫環(huán)境會(huì)對(duì)電池的使用產(chǎn)生影響，這種影響包括電池的使用壽命和單次續(xù)航時(shí)間，因此有必要了解鋰電池在高溫下的放電特性。將鋰電池接入到放電電路中,分別在25和80 ℃溫度下測(cè)定鋰電池的放電速度，即每放電2 min取下電池測(cè)一次鋰電池的電壓，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8　不同溫度下電池電壓與放電時(shí)間的關(guān)系Fig.8　Relationship between battery voltage and discharge time under different temperatures

由圖8可以看出，鋰電池的電壓隨著放電時(shí)間增長(zhǎng)而降低，25和80 ℃溫度下鋰電池電壓下降的速度分別為0.18和0.23 V/min，這說(shuō)明，高溫下鋰電池的放電速度比常溫下快。

將沒(méi)有封裝外殼的示蹤器電源接入放電電路，測(cè)試其在溫度為80 ℃、不同放電時(shí)間下的電壓，結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9可以看出，放電10 min后示蹤器電源的電壓快速降至2.44 V，此后緩慢降低，放電60 min降至2.23 V，這說(shuō)明示蹤器電源放電過(guò)程經(jīng)歷了起始階段和穩(wěn)定階段：起始階段電源電壓降低得很快，穩(wěn)定階段電源放電速度平緩。這表明，在80 ℃溫度下，示蹤器電源供電時(shí)間超過(guò)1 h，考慮到實(shí)際井筒中只是井筒下部溫度較高，而井筒上部溫度較低，因此在井底溫度為80 ℃的井筒內(nèi)，示蹤器電源的供電時(shí)間還會(huì)更長(zhǎng)。

圖9　示蹤器電源電壓與放電時(shí)間的關(guān)系Fig.9　Relationship between power supply voltage and discharge time

3　示蹤器入井試驗(yàn)

根據(jù)上述研究結(jié)果，對(duì)示蹤器電源進(jìn)行了優(yōu)化，調(diào)整了線圈的設(shè)計(jì)方案，工作模式由以前通過(guò)指示燈的亮度來(lái)判斷充電是否充分，變?yōu)楦鶕?jù)充電距離和充電時(shí)間來(lái)評(píng)估電池是否充滿。為了檢驗(yàn)示蹤器在井下的工作情況，進(jìn)行了示蹤器入井試驗(yàn)。示蹤器入井對(duì)井下工況有一定的要求，首先，鉆頭水眼的直徑要大于示蹤器的外徑，以避免示蹤器堵住鉆頭水眼；其次，鉆具組合中不能有螺桿鉆具、隨鉆測(cè)井測(cè)量?jī)x器，因?yàn)槁輻U鉆具、隨鉆測(cè)井測(cè)量?jī)x器會(huì)堵住示蹤器的下行通道。因此在示蹤器入井之前，需要掌握試驗(yàn)井的井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合和鉆井液性能等。試驗(yàn)井鉆至井深2 440.00 m時(shí)，井斜角67°，鉆井液密度1.20 kg/L，鉆井液排量26 L/s，鉆頭水眼直徑28.0 mm，裸眼井段直徑215.9 mm，鉆桿內(nèi)徑108.6 mm，鉆桿外徑127.0 mm。由于該井鉆具組合中有螺桿鉆具，因此選擇通井時(shí)卸掉螺桿鉆具再進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)井通井后，在接單根的間隙向鉆桿內(nèi)投入10個(gè)示蹤器(只能測(cè)量溫度)，并將鉆頭提至離井底3.00 m遠(yuǎn)的位置，以便示蹤器從鉆頭噴嘴出來(lái)后有一個(gè)緩沖距離，以降低其對(duì)井底地層的沖擊力。示蹤器入井大約10 min后，將鉆頭下放至井底，這段時(shí)間內(nèi)示蹤器已經(jīng)安全到達(dá)井底。示蹤器入井約30 min后(鉆井液遲到時(shí)間約為40 min)，開(kāi)始在振動(dòng)篩鉆井液出口處打撈示蹤器，打撈示蹤器的時(shí)間持續(xù)了2 h，比2個(gè)鉆井液遲到時(shí)間略長(zhǎng)。最終打撈到1個(gè)示蹤器，其外觀完好無(wú)損。示蹤器記錄了時(shí)長(zhǎng)6 000 s的溫度數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖10)，說(shuō)明示蹤器記錄的溫度數(shù)據(jù)是完整的，獲得了整個(gè)井筒的溫度分布曲線。

圖10　示蹤器在試驗(yàn)井中記錄到的溫度數(shù)據(jù)Fig.10　Temperature points collected from trial wells by the tracer

由圖10可知，溫度曲線有a(0 s，38 ℃)、b(500 s，30 ℃)、c(1 200 s，60 ℃)、d(4 200 s，53 ℃)、e(4 500 s，26 ℃)和f(5 800 s，28 ℃)幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度是示蹤器充電時(shí)測(cè)量到的無(wú)線充電裝置的溫度，表明充電時(shí)送電線圈發(fā)熱了。a點(diǎn)至b點(diǎn)間的曲線表明示蹤器充好電后，被從無(wú)線充電裝置上取下，拿到鉆臺(tái)上準(zhǔn)備入井，鉆臺(tái)上的溫度為30 ℃。b點(diǎn)和c點(diǎn)間的曲線表明示蹤器入井在鉆桿內(nèi)隨鉆井液快速下入到井底，用時(shí)700 s，溫度升高幅度先大后小，說(shuō)明示蹤器下入速度先快后慢，這是因?yàn)樵囼?yàn)井是一口定向井，在直井段下入速度快，在斜井段下入速度慢。c點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度為井底溫度。c點(diǎn)至d點(diǎn)間的曲線表明示蹤器從鉆頭水眼出來(lái)后進(jìn)入環(huán)空，并上返至地面，用時(shí)3 000 s，這個(gè)過(guò)程時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，這是因?yàn)槭聚櫰鞅旧碛兄亓?，上返過(guò)程中有一個(gè)下沉速度，而且在經(jīng)過(guò)有擴(kuò)徑和狗腿的井段時(shí)，示蹤器會(huì)原地旋轉(zhuǎn)。d點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度為鉆井液出口溫度。d點(diǎn)至e點(diǎn)間的曲線表明示蹤器從振動(dòng)篩上撈出來(lái)，溫度快速下降。e點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度為地面溫度。e點(diǎn)至f點(diǎn)間的曲線表明示蹤器被打撈出來(lái)以后仍然工作了1 300 s后電池的電才耗完。f點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度也是地面溫度，比e點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度要高，這是因?yàn)樵囼?yàn)結(jié)束時(shí)氣溫在回升。

4　結(jié)　論

1) 示蹤器電池采用了無(wú)線充電技術(shù)，沒(méi)有外部接插件，從而不但能夠在鉆井液中使用，而且可以重復(fù)充電和重復(fù)使用，提高了示蹤器的使用率。

2) 示蹤器采用可充電的鋰電池作為電源。鋰電池的充電效率和充電電壓、線圈對(duì)心距及充電時(shí)間密切相關(guān)，當(dāng)充電電壓為8.00～10.00 V、線圈對(duì)心距小于2.0 mm、充電時(shí)間為10～20 min時(shí)，鋰電池能夠充電到額定電壓。鋰電池的放電速度與外界環(huán)境溫度有關(guān)，溫度越高，鋰電池的放電速度越快，供電時(shí)間越短。

3) 入井試驗(yàn)表明，示蹤器以可充電鋰電池為電源，采用無(wú)線充電技術(shù)給鋰電池充電的供電方案達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4) 為了進(jìn)一步測(cè)試和優(yōu)化示蹤器的性能，實(shí)現(xiàn)示蹤器在石油工程中的應(yīng)用，需要繼續(xù)開(kāi)展不同油區(qū)、高低溫度環(huán)境下的示蹤器入井試驗(yàn)。

References

[1]馬哲，楊錦舟，趙金海.無(wú)線隨鉆測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].石油鉆探技術(shù)，2007，35(6)：112-115.

MA Zhe,YANG Jinzhou,ZHAO Jinhai.Status quo and development trend of MWD technique[J].Petroleum Drilling Techniques,2007,35(6):112-115.

[2]YU Mengjiao,HE Sufeng,CHEN Yuanhang,et al.A distributed microchip system for subsurface measurement[R].SPE 159583,2012.

[3]SHI Zhaorui,CHEN Yuanhang,YU Mengjiao,et al.Development and field evaluation of a distributed microchip downhole measurement system[R].SPE 173435,2015.

[4]CHEN Yuanhang,YU Mengjiao,MISKA S Z,et al.A novel approach in locatin single loss zone during deepwater drilling with distributed temperature measurement[R].SPE 170286,2014.

[5]LIU Ce,LI Jing.Measurement while drilling(MWD) telemetry by wireless MEMS radio units:US20080007421[P].2008-01-10.

[6]TAYLOR M R.System and method for monitoring volume and fluid flow of a wellbore:US2009066728[P].2010-06-10.

[7]BABAKHANI A.Systems and methods for monitoring cement quality in cased well environment with integrated chips:US2015043117[P].2016-02-04.

[8]朱祖揚(yáng)，李光泉，張衛(wèi)，等.井筒微芯片示蹤器研制[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(5)：111-114.

ZHU Zuyang,LI Guangquan,ZHANG Wei,et al.Research and manufacture of a microchip-tracer used in drilling fluids while drilling[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(5):111-114.

[9]李寶偉.基于無(wú)線充電技術(shù)的植入式胃腸電刺激系統(tǒng)的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2013：36-42.

LI Baowei.Research on implantable gastrointestinal stimulating system based on wireless charging technology[D].Shanghai:Shanghai Jiao Tong University,2013:36-42.