張寶磊

(中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司測井公司 遼寧 盤錦 124010)

·開發(fā)設(shè)計·

隨鉆測量雙電池供電控制短節(jié)的研制

張寶磊

(中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司測井公司 遼寧 盤錦 124010)

由于受到鉆井工程規(guī)定的尺寸限制，無線隨鉆測量系統(tǒng)的電池組在井下工作時經(jīng)常出現(xiàn)電量浪費(fèi)或不足的情況，針對該問題研制出一種電池供電管理及控制短節(jié)，實(shí)現(xiàn)了兩節(jié)電池的自動供電切換，并通過應(yīng)用驗(yàn)證其效果。結(jié)果表明該控制短節(jié)延長了單趟鉆次的系統(tǒng)工作時間，節(jié)省了每口井的電池使用量，降低了作業(yè)成本。

隨鉆測量;雙電池短節(jié);供電切換;降低成本

0 引 言

無線隨鉆測量(MWD)技術(shù)在水平井、定向井和垂直井鉆井過程中已得到廣泛應(yīng)用并日益成熟，其能夠?qū)崟r測量井斜、方位、工具面角等工程參數(shù)和自然伽馬等地質(zhì)參數(shù)[1,2]。目前，國內(nèi)普遍使用的海藍(lán)MWD系統(tǒng)利用井下電池組供電獲取動力源，使用的電池容量為24 Ah，在掛接自然伽馬儀器的情況下，儀器的平均工作電流大約為120 mA，電池的額定使用時間為200 h。然而，在正常鉆井過程中使用的鉆具通常壽命較低(在井況較差的情況下甚至不到80 h就必須起鉆更換)，以及由于其它原因?qū)е轮型酒疸@[3]，但此時電池組的電量尚未耗盡，剩余電量又無法保證滿足下一鉆次的使用時間要求，則必須更換一節(jié)新電池繼續(xù)下井，造成電池的資源浪費(fèi)。此外，在高溫深井作業(yè)中使用的鉆具(螺桿、鉆頭等)采用可靠性較高的產(chǎn)品，其使用壽命可達(dá)200～300 h[3,4]，經(jīng)常出現(xiàn)鉆具壽命未到時，而MWD電池組電量已耗盡的情況，導(dǎo)致鉆井隊起鉆更換電池，造成人力物力的浪費(fèi)并影響了鉆井作業(yè)施工的效率。

基于以上原因，在兼容原有的MWD儀器組成基礎(chǔ)上，研制出一種電池供電管理及控制儀器，掛接在MWD系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)兩節(jié)電池供電時的供電管理與控制，使得MWD儀器在井下工作時單趟鉆次的工作時間延長至原來的2倍，避免起鉆造成的資源浪費(fèi)；此外，對于電量尚未耗盡的電池，可以與另一節(jié)新電池一并下井使用，在單趟鉆次工作時間不長的情況下，提高電池資源的利用效率。

1 雙電池供電控制短節(jié)的研制

設(shè)計一個專門用于MWD雙電池供電的控制儀器，該儀器在結(jié)構(gòu)、電氣接口上與原MWD系統(tǒng)兼容，且保證原系統(tǒng)的各主要部件如探管、脈沖器、電池組、扶正器等均可配套使用而不需要技術(shù)狀態(tài)的更改，掛接雙電池供電儀器前后的MWD井下系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 MWD井下系統(tǒng)組成框圖

1.1 電路組成

雙電池控制短節(jié)安裝在兩根電池組中間，儀器工作時由1號電池組先供電，當(dāng)1號電池組的電壓低于設(shè)置的閥值時，雙電池控制儀器自動會切換到2號電池組供電，并關(guān)斷1號電池組對系統(tǒng)的供電，切換閥值可由用戶設(shè)置，雙電池控制儀器的電路組成見圖2。

圖2 雙電池短節(jié)電路組成

1號電池組及2號電池組的正端均連接到雙電池控制儀器的電源轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行二次電源變換以給儀器的其他芯片供電，其中A/D轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)采樣儀器串上連接器第3點(diǎn)的電壓。當(dāng)打撈頭安裝完畢后，雙電池控制儀器處于井下工作模式，此時第3點(diǎn)有電，處理器根據(jù)采集得到的1號電池電壓值判斷該值是否低于預(yù)先設(shè)定的閥值并控制1號開關(guān)的開通與關(guān)斷。當(dāng)1號電池組電壓值低于閥值時，處理器關(guān)斷1號開關(guān)，并打開2號開關(guān)，由2號電池組給井下系統(tǒng)供電，否則1號開關(guān)打開，2號開關(guān)關(guān)斷，由1號電池組給井下系統(tǒng)供電。當(dāng)打撈頭未安裝，通過模擬測試線纜連接井下儀器串和地面系統(tǒng)時，則由地面系統(tǒng)給井下儀器串供電，此時雙電池控制儀器處于地面工作模式，可進(jìn)行電池電壓切換閥值的設(shè)置以及下井起鉆后2節(jié)電池工作時間的讀取。雙電池控制儀器與地面系統(tǒng)之間的串行通信協(xié)議為RS485通信，雙電池控制儀器的軟件工作流程如圖3所示。

圖3 雙電池短節(jié)控制流程圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙電池控制短節(jié)除在電氣上實(shí)現(xiàn)對儀器供電的管理外，在結(jié)構(gòu)上還起到了扶正器的作用，控制短節(jié)與扶正器加工整合為一體，相當(dāng)于把控制短節(jié)電路鑲嵌在扶正器內(nèi)部，減少了儀器的長度，提高了使用方便性。雙電池控制短節(jié)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，實(shí)物圖如圖5所示，包括短節(jié)的基體、扶正套筒、端頭、十芯插座及十芯插頭等，電源電路板及控制電路板安裝在上基體里面，扶正器套筒套在下基體上。

圖4 雙電池短節(jié)結(jié)構(gòu)圖

1.3 地面軟件開發(fā)

開發(fā)了配套的地面控制軟件，實(shí)用方便，操作簡單，其包括串口設(shè)置、連接雙電源、電壓值、電池工作時間和電池工作狀態(tài)5個模塊，其中串口設(shè)置為默認(rèn)模塊，當(dāng)?shù)孛孢B接模擬測試電纜時串口號自動選??；通過電壓值模塊中的讀取按鈕，可獲得當(dāng)前工作電池的電壓值，同時可設(shè)置雙電池電壓切換閥值；電池工作狀態(tài)模塊中的讀取按鈕可以判斷當(dāng)前是幾號電池在工作，雙電池控制短節(jié)地面軟件界面如圖6所示。

圖5 雙電池短節(jié)實(shí)物圖

圖6 雙電池控制儀器地面軟件

2 雙電池供電控制短節(jié)的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用實(shí)例

雙電池供電控制短節(jié)已成功應(yīng)用于多口定向井及水平井，沒有出現(xiàn)供電故障，在井下實(shí)現(xiàn)了兩節(jié)電池組的自動供電切換。永和18-27H井與永和18-29H井位于山西省永和縣，兩口井地質(zhì)條件及井況相似，設(shè)計井深及水平段長相近，開采的為同一目的層，其中永和18-27H井未使用雙電池供電短節(jié)，永和18-29H井使用雙電池短節(jié)；安9平1井與安13平1井位于陜西延安甘谷驛鎮(zhèn)，兩口井的鉆井及地質(zhì)條件基本一致，其中安9平1井未使用雙電池短節(jié)，安13平1井使用雙電池短節(jié)，這幾口井的基本概況見表1所示。

2.2 應(yīng)用效果

表2是相鄰井和相似井況條件下，使用雙電池短節(jié)和未使用雙電池短節(jié)電池使用量的對比情況，可以看出使用雙電池短節(jié)后電池使用量明顯減少，平均每使用3～4根電池可以節(jié)省一根，一根電池單節(jié)數(shù)千元到上萬元，通常一口水平井可節(jié)約電池成本數(shù)萬元。

表1 應(yīng)用井概況

表2 電池組使用情況

3 結(jié) 論

MWD雙電池供電控制短節(jié)的研制實(shí)現(xiàn)了兩節(jié)電池的自動供電切換，從而延長了單趟鉆次的系統(tǒng)工作時間，大大提高了鉆井作業(yè)的工作效率；此外，它能夠提高電池利用效率，單根電池利用率可以達(dá)到90%以上，節(jié)省每口井的電池使用量，降低作業(yè)成本。

然而，使用雙電池供電時會導(dǎo)致MWD井下儀器串長度加長，如果連接伽馬測量探管，長度則達(dá)到10 m以上，比正常無磁鉆鋌要長，導(dǎo)致MWD井下儀器串頂端電池筒部分露出無磁鉆鋌，施工帶來一定的不便。

[1] 蘇義腦,竇修榮.隨鉆測量、隨鉆測井與錄井工具[J].石油鉆采工藝，2005,27(1):74-78.

[2] 馬 哲,楊錦舟，趙金海.無線隨鉆測量技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油鉆探技術(shù)，2007,35(6):112-115.

[3] 陳湖濱,劉同富,裴建忠,等.影響螺桿鉆具工作壽命的使用因素分析[J].鉆采工藝,2007,30(1):25-26.

[4] 蘇義腦.螺桿鉆具研究及應(yīng)用[M].石油工業(yè)出版社,2001.

Development of MWD Dual-battery Power Control Section

ZHANG Baolei

(CNPCGWDCWirelineLoggingCompany,Panjin,Liaoning124010,China)

Due to size limitations, the Wireless Measure While Drilling system often wastes the battery power and makes the power insufficient when working down hole. A battery-powered management and control section has been developed to solve this problem, which can realize two batteries automatic switch, and its effectiveness is verified through the application. The results show that the section extends the trip times, saves the battery usage per well and reduces operation costs.

measure while drilling; dual-battery section; power switching; cost reduction

張寶磊，男，1986年生，工程師，2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)地球探測與信息技術(shù)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事隨鉆測井工作。E-mail:zhang_bao_lei@126.com

TE927.6

A

2096-0077(2017)01-0037-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.009

2016-05-04 編輯：屈憶欣)