多分層試井儀基本原理以及井下電路中的DSP技術(shù)

中船重工第七一五研究所 胡德堯

中原石油勘探局地球物理測(cè)井公司 朱治理

多分層試井儀是一種新型的電纜式地層測(cè)試儀，通過它我們可以取得、地層產(chǎn)物、油層靜壓、滲透率等許多的井下及其附近地區(qū)的動(dòng)態(tài)資料；為堵水、增產(chǎn)、分注、分采以及三次采油提供較為可靠的依據(jù)。

多分層試井儀是集合試井技術(shù)、地層測(cè)試、測(cè)井技術(shù)于一體，能夠完成地層參數(shù)測(cè)試的儀器。在完井之后或鉆井過程中，多分層測(cè)試儀通過對(duì)井下油氣層進(jìn)行測(cè)試，取得在動(dòng)態(tài)環(huán)境下地層流體樣本的地層壓力、流速以及特性隨著時(shí)間變化的數(shù)值。再經(jīng)過對(duì)這些資料的處理得到地層平均有效滲透率、油氣層大小、原始?jí)毫Α⑵巾敯霃胶陀蜌馑亓黧w物的性質(zhì)，從而及時(shí)對(duì)油氣層進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估，得出其產(chǎn)能，并制定出合理的開發(fā)方案。地層測(cè)試儀經(jīng)過不斷的代換更新，其技術(shù)也越趨完善。

1.多分層試井儀的儀器組成及其試井原理

1.1 多分層試井儀井下部分的儀器組成

多分層試井儀的井下部分是由：電纜頭、自然伽馬儀、電子短節(jié)、上封隔器、磁定位器、液壓裝置、下封隔器、加重短節(jié)、進(jìn)液器和測(cè)試短節(jié)等組成。井下電路部分的核心是TMS320F2812處理器，儀器坐封于射孔套管之上，分層式的對(duì)測(cè)試層進(jìn)行試井。信號(hào)的采集、控制、傳輸和處理都是由DSP來完成的。

1.2 多分層試井儀的試井原理

測(cè)試時(shí)，試井儀到達(dá)預(yù)定深度的射孔后，液壓裝置會(huì)使得套管坐封和上下封隔離形成一個(gè)測(cè)試段。與測(cè)試段中的液體相連通的為測(cè)試射孔段的地層流體，而測(cè)試段以外的液體無法影響測(cè)試段中的液體。測(cè)試時(shí)，液壓裝置將促使測(cè)試室的容積從零逐漸增大，使得由測(cè)試套管孔眼進(jìn)入的地層流體和測(cè)試段的液體進(jìn)入測(cè)試室，形成一個(gè)很小的油層產(chǎn)生環(huán)境；測(cè)試出在其過程中壓力的變化，并計(jì)算出地層滲透率和地層靜態(tài)壓力等動(dòng)態(tài)參數(shù)。測(cè)試完之后，用液壓裝置推動(dòng)活塞返回，使得測(cè)試室內(nèi)的流體排空，然后用上面所述的方法，進(jìn)行另外一層的測(cè)試。

2.TMS320F2812的特點(diǎn)

(1)支持JTAG邊界掃描接口；

(2)高性能的32位CPU：高效的代碼轉(zhuǎn)換功能；哈佛總線結(jié)構(gòu)；統(tǒng)一尋址模式；

(3)片上存儲(chǔ)器：最多達(dá)128KB×16bit的ROM；最多達(dá)128KB×16bit的FLASH存儲(chǔ)器；

(4)時(shí)鐘和系統(tǒng)控制：看門狗定時(shí)模塊；支持動(dòng)態(tài)改變鎖相環(huán)的倍頻系數(shù)；片上振蕩器；

(5)外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊(PIE)支持45個(gè)外設(shè)中斷；

(6)三個(gè)外部中斷；

(7)串口通信外設(shè)：多通道緩沖串口；兩個(gè)UART接1：2模塊(SCI)；同步串行外設(shè)接口(SPI)；

(8)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：兩個(gè)采樣保持電路單／連續(xù)通道轉(zhuǎn)換；可以使用兩個(gè)事件管理器順序觸發(fā)8對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換；2×8通道復(fù)用輸入接口；

(9)高達(dá)56個(gè)可配置通用目的I／O引腳。

3.多分層試井儀井下電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

多分層試井儀井下電路系統(tǒng)主要是由：電源模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成的。

3.1 電源模塊

電源模塊式為井下個(gè)運(yùn)行模塊提供電壓的模塊。其包括有：井下電磁閥的+50V電壓，樣品應(yīng)變壓力計(jì)的±15V直流電壓，井下電機(jī)的+75V直流電壓，自然伽馬的+24V直流電壓以及泵壓傳感器和石英壓力傳感器的±12V直流電壓，電機(jī)控制板的±5V直流電壓等。

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集模塊

這一模塊是經(jīng)過泵壓傳感器、石英壓力傳感器和樣品應(yīng)變壓力計(jì)來完成的。主要是將傳感器采集的電流信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換，變成電壓信號(hào)。然后用DSP將其轉(zhuǎn)換結(jié)果在相應(yīng)的單元中存儲(chǔ)。

3.3 數(shù)據(jù)處理與控制模塊

它主要是通過DSP來完成對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)字化處理、電磁閥的控制以及井下各種信號(hào)的傳輸，井下電機(jī)的起、停和電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制以及串行信號(hào)的處理和存儲(chǔ)等。

4.井下模擬信號(hào)處理和串行信號(hào)的仿真

4.1 模擬信號(hào)的DSP處理

彈性元件受到擠壓的作用力之后，會(huì)在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生形變。然后應(yīng)變壓力計(jì)經(jīng)過測(cè)量彈性元件受力的作用后，變形的多少取得壓力的數(shù)值。在測(cè)量彈性元件受力變形數(shù)值時(shí)，可以采用在彈性元件的表面貼附應(yīng)變電阻金屬絲，在彈性元件受到作用力變形的時(shí)候，應(yīng)變電阻金屬絲也將跟著一起變形。再通過應(yīng)變電阻絲的形態(tài)的變化引起其電阻本身的變化，最后根據(jù)電阻的變化來計(jì)算出彈性元件所受壓力的大小。應(yīng)變壓力計(jì)的特點(diǎn)是，擁有很高的固有頻率，因此，能夠非常快速的測(cè)量壓力的變化。所以，只需要彈性元件在受力之后產(chǎn)生微笑的形變，應(yīng)變壓力計(jì)就能夠測(cè)量出其壓力的大小。

在多層試井儀的組件中，泵壓傳感器和樣品壓力傳感器就是采用上面這種壓力計(jì)。泵壓傳感器和樣品壓力傳感器分別測(cè)量的是油氣井中井中泵的壓力以及所采集的樣品的情況；所以，傳感器所得到的數(shù)據(jù)的精確程度，直接影響著多分層試井儀是否能在井中的真實(shí)情況。應(yīng)變壓力變送器輸出的電流信號(hào)一般在：20mA—40mA之間，由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊把這個(gè)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0V—3V的電壓信號(hào)，而該電壓信號(hào)為DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換所需要的輸入電壓，DSP由程序?qū)υ搲毫π盘?hào)進(jìn)行采集處理。在溫度相同的條件之下，不同的壓力信號(hào)在DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的相對(duì)誤差和壓力值。同時(shí)對(duì)上述的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果經(jīng)過DSP的A/D轉(zhuǎn)換之后的電壓數(shù)值的相對(duì)誤差少于1%，那么它就滿足了地層測(cè)試器的要求。

4.2 串口信號(hào)的仿真

石英壓力傳感器在多分層試井儀中最常采用的傳感器，晶體壓力計(jì)采用組裝式石英諧振壓力傳感器，具靈敏度高、有體積小、使用方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。在測(cè)量井下壓力過程中，由于隨著溫度的變化溫度也將跟著變化，由石英晶體制成敏感元件組裝式石英諧振壓力傳感器在媒介壓力的測(cè)量時(shí)，壓力傳感器的輸出直接受到被測(cè)媒介溫度變化的影響。這種變化是由石英自身固有的溫度一頻率特性所致，與石英晶體自身的切角和切型有關(guān)。

本次試驗(yàn)中選用了包括溫度傳感器和壓力傳感器的石英壓力傳感器，探測(cè)的過程中，它能夠根據(jù)石英壓力傳感器在井中溫度以及位置的不同，適時(shí)的調(diào)整石英壓力傳感器的輸出，促使在同溫的條件下壓力的變化范圍不會(huì)超過5‰。試驗(yàn)中石英壓力傳感器的輸出信號(hào)格式為RS-232的串行信號(hào)。其中包括壓力頻率數(shù)據(jù)(P1、P2、P3)、數(shù)據(jù)頭(96)、溫度頻率數(shù)據(jù)(T1、T2、T3)，還包括校驗(yàn)位(SS)和保留位(00)。根據(jù)所示的數(shù)據(jù)格式，分別可以得到溫度頻率值和壓力頻率，再根據(jù)石英壓力傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)查表可以得到實(shí)際的溫度值和壓力值。在同溫的條件下用DSP對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，所得到的壓力的相對(duì)誤差和得到的壓力值，在室溫條件下對(duì)壓力計(jì)施以變壓時(shí)所測(cè)的溫度的相對(duì)誤差和壓力值。

5.小結(jié)

本文對(duì)多分層試井儀進(jìn)行了介紹。多分層試井儀的井下電路采用DSP技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，對(duì)泵壓傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)和樣品壓力傳感器進(jìn)行了A／D轉(zhuǎn)換的仿真，結(jié)果表明，仿真結(jié)果滿足實(shí)際要求，提高了多分層試井儀的系統(tǒng)精度。

[1]胡長嶺,張華,宋海濤,張鵬.多分層試井儀信息采集處理系統(tǒng)[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2009年第02期.

[2]胡長嶺,梁丹,馬建國.DSP技術(shù)在多分層試井儀井下電路中的應(yīng)用[J].石油儀器,2008年2期.

[3]胡長嶺,梁丹,馬建國,張華.多分層試井儀的壓力測(cè)試方法分析The testing of pressure in the MSWT[J].石油儀器PETROLEUM INSTRUMENTS,2008年第22卷第1期.

[4]張濤,秦彥斌,馬建國,楊俊科.多分層試井儀零部件的室內(nèi)試驗(yàn)及測(cè)試The Essence of Multi-sublayer Well Tester Indoor Experiments[J].石油和化工設(shè)備PETRO &CHEMICAL EQUIPMENT,2011年第14卷第1期.

[5]張濤,秦彥斌,馬建國,楊俊科.多分層試井儀零部件的室內(nèi)及測(cè)試[J].石油化工設(shè)備,2011年01期.