多分層試井儀基本原理以及井下電路中的DSP技術

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井公司 朱治理

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

多分層試井儀是集合試井技術、地層測試、測井技術于一體，能夠完成地層參數測試的儀器。在完井之后或鉆井過程中，多分層測試儀通過對井下油氣層進行測試，取得在動態環境下地層流體樣本的地層壓力、流速以及特性隨著時間變化的數值。再經過對這些資料的處理得到地層平均有效滲透率、油氣層大小、原始壓力、平頂半徑和油氣所藏流體物的性質，從而及時對油氣層進行準確的評估，得出其產能，并制定出合理的開發方案。地層測試儀經過不斷的代換更新，其技術也越趨完善。

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、上封隔器、磁定位器、液壓裝置、下封隔器、加重短節、進液器和測試短節等組成。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，分層式的對測試層進行試井。信號的采集、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

測試時，試井儀到達預定深度的射孔后，液壓裝置會使得套管坐封和上下封隔離形成一個測試段。與測試段中的液體相連通的為測試射孔段的地層流體，而測試段以外的液體無法影響測試段中的液體。測試時，液壓裝置將促使測試室的容積從零逐漸增大，使得由測試套管孔眼進入的地層流體和測試段的液體進入測試室，形成一個很小的油層產生環境；測試出在其過程中壓力的變化，并計算出地層滲透率和地層靜態壓力等動態參數。測試完之后，用液壓裝置推動活塞返回，使得測試室內的流體排空，然后用上面所述的方法，進行另外一層的測試。

2.TMS320F2812的特點

(1)支持JTAG邊界掃描接口；

(2)高性能的32位CPU：高效的代碼轉換功能；哈佛總線結構；統一尋址模式；

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

(4)時鐘和系統控制：看門狗定時模塊；支持動態改變鎖相環的倍頻系數；片上振蕩器；

(5)外設中斷擴展模塊(PIE)支持45個外設中斷；

(6)三個外部中斷；

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

(8)12位模數轉換模塊：兩個采樣保持電路單／連續通道轉換；可以使用兩個事件管理器順序觸發8對模數轉換；2×8通道復用輸入接口；

(9)高達56個可配置通用目的I／O引腳。

3.多分層試井儀井下電路系統的結構

多分層試井儀井下電路系統主要是由：電源模塊、模數轉換和數據采集模塊、通信模塊和數據處理模塊組成的。

3.1 電源模塊

電源模塊式為井下個運行模塊提供電壓的模塊。其包括有：井下電磁閥的+50V電壓，樣品應變壓力計的±15V直流電壓，井下電機的+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，電機控制板的±5V直流電壓等。

3.2 模數轉換和數據采集模塊

這一模塊是經過泵壓傳感器、石英壓力傳感器和樣品應變壓力計來完成的。主要是將傳感器采集的電流信號經過轉換，變成電壓信號。然后用DSP將其轉換結果在相應的單元中存儲。

3.3 數據處理與控制模塊

它主要是通過DSP來完成對模擬信號的數字化處理、電磁閥的控制以及井下各種信號的傳輸，井下電機的起、停和電機轉速的控制以及串行信號的處理和存儲等。

4.井下模擬信號處理和串行信號的仿真

4.1 模擬信號的DSP處理

彈性元件受到擠壓的作用力之后，會在一定范圍內產生形變。然后應變壓力計經過測量彈性元件受力的作用后，變形的多少取得壓力的數值。在測量彈性元件受力變形數值時，可以采用在彈性元件的表面貼附應變電阻金屬絲，在彈性元件受到作用力變形的時候，應變電阻金屬絲也將跟著一起變形。再通過應變電阻絲的形態的變化引起其電阻本身的變化，最后根據電阻的變化來計算出彈性元件所受壓力的大小。應變壓力計的特點是，擁有很高的固有頻率，因此，能夠非常快速的測量壓力的變化。所以，只需要彈性元件在受力之后產生微笑的形變，應變壓力計就能夠測量出其壓力的大小。

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。泵壓傳感器和樣品壓力傳感器分別測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，傳感器所得到的數據的精確程度，直接影響著多分層試井儀是否能在井中的真實情況。應變壓力變送器輸出的電流信號一般在：20mA—40mA之間，由模數轉換模塊把這個電流信號轉換成0V—3V的電壓信號，而該電壓信號為DSP的模數轉換所需要的輸入電壓，DSP由程序對該壓力信號進行采集處理。在溫度相同的條件之下，不同的壓力信號在DSP的模數轉換后得到的相對誤差和壓力值。同時對上述的壓力數據進行分析，如果經過DSP的A/D轉換之后的電壓數值的相對誤差少于1%，那么它就滿足了地層測試器的要求。

4.2 串口信號的仿真

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、穩定性好等優點。在測量井下壓力過程中，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量時，壓力傳感器的輸出直接受到被測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。

本次試驗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，探測的過程中，它能夠根據石英壓力傳感器在井中溫度以及位置的不同，適時的調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超過5‰。試驗中石英壓力傳感器的輸出信號格式為RS-232的串行信號。其中包括壓力頻率數據(P1、P2、P3)、數據頭(96)、溫度頻率數據(T1、T2、T3)，還包括校驗位(SS)和保留位(00)。根據所示的數據格式，分別可以得到溫度頻率值和壓力頻率，再根據石英壓力傳感器的標定數據查表可以得到實際的溫度值和壓力值。在同溫的條件下用DSP對壓力信號進行測量，所得到的壓力的相對誤差和得到的壓力值，在室溫條件下對壓力計施以變壓時所測的溫度的相對誤差和壓力值。

5.小結

本文對多分層試井儀進行了介紹。多分層試井儀的井下電路采用DSP技術進行數據的采集和處理，對泵壓傳感器輸出的模擬電壓信號和樣品壓力傳感器進行了A／D轉換的仿真，結果表明，仿真結果滿足實際要求，提高了多分層試井儀的系統精度。

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