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;中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司新疆石油勘察設(shè)計研究院2，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

地層壓力測量的常用測試方法有電纜地層測試(FMT/RFT/WFT)或鉆桿地層測試(DST)，此類測試方法存在耗時久、工具下入困難、作業(yè)費用較高等缺點［1－2］。隨著鉆地層壓力測試工具的不斷出現(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)隨鉆地層壓力測試工具具有深遠的意義［4－5］。

本文詳細地闡述了基于雙AVR的隨鉆地層壓力測量裝置測量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在井下高溫和強干擾的環(huán)境下實現(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，同時精確控制井下電磁閥，確保隨鉆地層壓力測量裝置的順利工作。同時，設(shè)計制作了相應(yīng)的測量控制系統(tǒng)，并成功運用在地層壓力測試模擬試驗中。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計技術(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個溫度傳感器和2個地層壓力傳感器用于測量環(huán)空壓力和管柱壓力、壓力傳感器分辨率為±0.1 MPa、溫度傳感器測量分辨率為±0.05 K、地層壓力測試時間≤5 min、連續(xù)無故障工作時間不小于240 h，期間測量次數(shù)不少于30次。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)需要采集兩路壓力信號、溫度數(shù)據(jù)和控制6個電磁閥。其中，兩路壓力信號為內(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)計了系統(tǒng)的整體方案。系統(tǒng)有兩個獨立的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、信號調(diào)理、傳輸存儲、光電隔離、整流穩(wěn)壓、隨鉆測量(measure while drilling，MWD)接口、看門狗電源監(jiān)視、時鐘電路、驅(qū)動電路等部分。

使用時，測量控制系統(tǒng)安裝在井下鉆柱的一個短節(jié)內(nèi)用于隨鉆測量。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，同時也提高了控制精確度與裝置的整體性能，簡化了軟件設(shè)計。

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

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。主從機之間依靠TWI總線連接，在鉆柱之內(nèi)只需雙線就能實現(xiàn)連接，從而能方便地將主從機分開安裝。主機負責(zé)壓力數(shù)據(jù)的采集、存儲、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。從機主要負責(zé)電磁閥的精確工作，保證探頭能在測量時順利伸出與收回。

2.2 電源模塊

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

傳統(tǒng)的隨鉆測量工具采用鋰電池供電，不能實現(xiàn)大功率長時間供電。井下渦輪發(fā)電機依靠泥漿的循環(huán)來驅(qū)動渦輪，帶動發(fā)電機發(fā)電［7］，是隨鉆地層壓力測試裝置的理想電源。備用鋰電池用于控制核心電路，冗余設(shè)計保證了在井下渦輪發(fā)電機失效時探頭能正常收回，以免對儀器造成破壞［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)在井下受到強烈的外部干擾、出現(xiàn)程序“跑飛”或者死機時，外部看門狗電路能使系統(tǒng)自動復(fù)位并重新開始運行［9］。

2.4 信號調(diào)理電路

井下壓力的測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)的毫伏級差分電壓信號［10］。

儀表放大方式是差分信號放大的理想選擇，能在噪聲以及含有大共模信號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)零型運放AD8554。AD8554斬波穩(wěn)零運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，又能滿足低失調(diào)電壓和溫漂性能［11］。信號調(diào)理電路如圖2所示。

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

2.5 數(shù)據(jù)存儲電路

存儲芯片選用ATMEL公司的AT45DB321D大容量串行Flash數(shù)據(jù)存儲器。其具有速度快、功耗低、密度高等優(yōu)點，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，極大地提高了整個系統(tǒng)的密度。將兩塊存儲芯片經(jīng)過線譯碼并聯(lián)，可擴展存儲容量。數(shù)據(jù)存儲電路如圖3所示。

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

2.6 MWD 接口電路

隨鉆測量過程中的數(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，通過鉆桿內(nèi)的鉆進液(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

系統(tǒng)軟件包括下位機兩CPU的測試控制程序與PC機的上位機軟件，下位機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、通信等功能。上位機軟件采用的是C#編寫，能實時接收井底傳送的數(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)測和了解地層壓力。

4 隨鉆地層壓力測量裝置試驗

4.1 井口下傳指令數(shù)據(jù)

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

在鉆井過程中，關(guān)閉泥漿泵能使井底環(huán)空壓力產(chǎn)生三個負脈沖，這三個脈沖的寬度和頻率決定于對泵的關(guān)閉時間和關(guān)閉間隔。試驗表明，井口排量的變化量達到5 L/s，環(huán)空壓力的變化可達1 MPa。在隨鉆過程中測量模塊監(jiān)測環(huán)空壓力的變化，如果監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)三個負脈沖，則確認為井口下傳的開始工作指令每個負脈沖的寬度為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)場情況改變。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件濾波后再做嚴格判斷，避免干擾而引起的誤動作。

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)嚴格判斷的井口下傳指令后開始測量工作，控制儀器側(cè)面伸出一個密封探頭緊貼井壁，內(nèi)部抽吸缸開始抽吸，抽吸時間決定了抽吸量。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的部分又向低壓區(qū)流動，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間的函數(shù)曲線。系統(tǒng)記錄的壓力曲線如圖6所示。由測試記錄的壓降大小和不同時間記錄的恢復(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)計了一種基于雙CPU的地層壓力測量裝置的測量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以控制地層壓力測試裝置在鉆井過程中利用短暫的暫停測得地層壓力數(shù)據(jù)。雙CPU方式保證了系統(tǒng)順利安裝在井下測量短節(jié)的狹小空間內(nèi)，同時也使測量和控制更加精確。試驗數(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，從而滿足測量裝置的工作流程。系統(tǒng)的設(shè)計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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