石油井下測試儀掉電保護(hù)方法設(shè)計(jì)

劉帥 馬鐵華 崔春生 劉子健

【摘要】目前石油井下測試儀對井下射孔彈發(fā)射期間的強(qiáng)震蕩引發(fā)的儀器掉電現(xiàn)象沒有采取針對性的保護(hù)措施。針對此背景下射孔彈發(fā)射瞬間測試儀器掉電導(dǎo)致丟失關(guān)鍵數(shù)據(jù)的問題，提出了石油井下測試儀掉電保護(hù)的方法，為在儀器供電輸入端使用掉電保護(hù)電容的掉電保護(hù)采樣策略，在保證儀器數(shù)據(jù)記錄完整性的同時(shí)延長了儀器掉電后的工作時(shí)間，極大的提高了儀器在惡劣環(huán)境中的穩(wěn)定性。經(jīng)大量模擬實(shí)驗(yàn)及井下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用該掉電保護(hù)方法可以最大限度的保護(hù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，提高了儀器單次測試的可靠性。

【關(guān)鍵詞】測試儀器;掉電保護(hù);惡劣環(huán)境

1.引言

在井下裂縫長度無法直接測量的情況下，井下射孔/壓裂過程的壓力-時(shí)間曲線是射孔彈發(fā)射、地層開裂等過程的最直接并幾乎是唯一的表征量[1]。因此石油井下的壓力數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲取成為了測井技術(shù)的核心。沒有采取掉電保護(hù)措施的測試儀器在井下工作時(shí)存在掉電丟失數(shù)據(jù)的隱患，因此需要對石油井下測試儀采取針對性的掉電保護(hù)措施。針對射孔彈發(fā)射瞬間測試儀器掉電導(dǎo)致關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失的問題，提出了適用于石油井下測試儀的掉電保護(hù)方法。

2.測試儀器結(jié)構(gòu)及工作流程

2.1 測試儀器結(jié)構(gòu)

石油井下測試儀由電池、數(shù)字電路穩(wěn)壓模塊、模擬電路穩(wěn)壓模塊、數(shù)字電路、模擬電路及傳感器組成。儀器采用了分時(shí)分區(qū)供電的方式以控制其工作過程中的功耗[2]。其工作原理為，測試儀器由外置電池對其供電，電池輸出經(jīng)數(shù)字電路穩(wěn)壓模塊與模擬電路穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓后對分別對數(shù)字電路與模擬電路供電，其中模擬電路穩(wěn)壓模塊的使能由數(shù)字電路控制。儀器工作時(shí)傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)模擬電路調(diào)理后傳送至數(shù)字電路以完成測量與記錄。石油井下測試儀結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)

2.2 儀器工作流程

測試儀器的常規(guī)工作流程為上電編程后即進(jìn)入喚醒休眠狀態(tài)，此狀態(tài)下儀器每分鐘從休眠狀態(tài)喚醒采集并記錄一個(gè)點(diǎn)，采集記錄完成后儀器重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。隨電纜下井至目標(biāo)深度后由絕對壓力觸發(fā)進(jìn)入待觸發(fā)狀態(tài)，儀器高速125kHz采集，并每秒鐘將當(dāng)前所采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。射孔彈發(fā)射時(shí)，井內(nèi)壓力急速上升，由隨動(dòng)觸發(fā)的方式使儀器進(jìn)入高速采集存儲(chǔ)狀態(tài)[3]，該狀態(tài)下以高速125kHz速率采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，采集時(shí)間持續(xù)5s。隨后為井下恢復(fù)壓力測量階段，以500Hz采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，持續(xù)5min然后結(jié)束[4]。

圖2 井下射孔壓力曲線

3.掉電保護(hù)方法

3.1 射孔過程中井下環(huán)空壓力數(shù)據(jù)分析

測試儀器對井下壓力的測試可以分為三個(gè)階段，分別為：下井階段、射孔階段、壓力恢復(fù)階段[5]。其中射孔階段的壓力數(shù)據(jù)變化迅速震蕩強(qiáng)烈[2]，該階段為評判射孔效果提供依據(jù)。壓力恢復(fù)階段時(shí)間很長，壓力變化緩慢，該階段是評價(jià)油氣井產(chǎn)能的重要環(huán)節(jié)[6]。井下射孔效果可以通過三個(gè)方面來進(jìn)行評判，分別為：峰值壓力、壓力上升時(shí)間、壓力脈沖時(shí)間。由于射孔發(fā)射過程井下壓力迅速上升帶來對儀器的強(qiáng)機(jī)械震蕩，使得儀器易發(fā)生掉電現(xiàn)象，一旦發(fā)生儀器掉電，將導(dǎo)致射孔階段與壓力恢復(fù)階段的數(shù)據(jù)丟失，因此對油井測試儀器的掉電保護(hù)設(shè)計(jì)很有必要。井下常規(guī)射孔及射孔過程中發(fā)生掉電現(xiàn)象采集到的井下壓力曲線如圖2所示。

3.2 掉電保護(hù)硬件設(shè)計(jì)

對石油井下測試儀的掉電保護(hù)的硬件設(shè)計(jì)如下，在測試儀器供電輸入端加入掉電保護(hù)電容以保證儀器掉電后的持續(xù)供電，在電池與保護(hù)電容之間串入開關(guān)二極管以防止儀器掉點(diǎn)后保護(hù)電容中存儲(chǔ)的電能反流。測試儀器的掉電保護(hù)的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示：

圖3 掉電保護(hù)硬件設(shè)計(jì)

其工作原理為，儀器主控芯片監(jiān)測掉點(diǎn)檢測端，儀器掉電時(shí)，電池正極懸空，由下拉電阻將掉點(diǎn)檢測端電壓下拉至0V，儀器由保護(hù)電容供電，同時(shí)主控芯片檢測到掉電后執(zhí)行掉電保護(hù)采樣策略。儀器掉電保護(hù)硬件工作時(shí)序如圖4所示：

圖4 掉電保護(hù)硬件工作時(shí)序

t1時(shí)刻電池開始對儀器供電，t2時(shí)刻保護(hù)電容充電完成。t3時(shí)刻發(fā)生掉電，保護(hù)電容繼續(xù)對儀器供電，儀器檢測到掉電信號執(zhí)行掉電保護(hù)采樣策略。

3.3 掉電保護(hù)采樣策略

為保證儀器在保護(hù)電容對其供電的情況下盡可能長時(shí)間的工作，應(yīng)將測試儀器工作工程中的功耗進(jìn)一步降低。根據(jù)功耗時(shí)間因子的概念[7]：

（1）

式（1）中Wi為系統(tǒng)儀器第i個(gè)狀態(tài)的功耗，Ai與Ti為儀器第i個(gè)狀態(tài)的工作電流與工作時(shí)間，分析（1）式可知，儀器某個(gè)階段的功耗的降低可以通過減小儀器該狀態(tài)工作電流或減少儀器該狀態(tài)下的工作時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。因射孔過程有效壓力階段為射孔彈爆炸至井下壓力大于30MPa的階段，此階段大約持續(xù)10ms，所以通過絕對壓力觸發(fā)的方式使儀器在射孔彈爆炸后井下壓力小于30MPa時(shí)結(jié)束高速采集狀態(tài)，可以減小儀器在高速采集階段的功耗。通過對圖（2）b的壓力曲線進(jìn)行頻譜分析得出在井下壓力小于30MPa后約80ms的時(shí)間內(nèi)井下壓力頻率集中在小于20Hz頻率內(nèi)[8]，80ms后的壓力曲線變化緩慢，將此狀態(tài)下的壓力曲線以80ms為界分為兩個(gè)頻率進(jìn)行采集，對于80ms以內(nèi)壓力采用200Hz頻率進(jìn)行采集，80ms后采用啟動(dòng)休眠的方式，每10s儀器喚醒采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采集完成后進(jìn)入休眠狀態(tài)。所以在儀器掉電后儀器采用的掉電保護(hù)策略為，射孔彈爆炸至井下壓力大于30MPa使用125kHz頻率采集，之后80ms以200Hz頻率采集，然后每10s儀器啟動(dòng)休眠采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，持續(xù)5min。采用這種采樣策略可以在降低儀器功耗的同時(shí)保證數(shù)據(jù)采集的完整性。

測試儀器掉電保護(hù)的采樣策略如圖5所示：

圖5 掉電保護(hù)軟件設(shè)計(jì)

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

采用本掉電保護(hù)方法的石油井下測試儀在井下采集射孔壓力過程時(shí)儀器掉電后采集的井下壓力波形如圖6所示。

圖6 模擬油井掉電保護(hù)壓力波形

對比圖6與圖2b可以看出，采用了掉電保護(hù)方法的石油井下測試儀在掉電后依然可以完整的記錄井下射孔過程的壓力數(shù)據(jù)。所以本掉電保護(hù)方法在針對石油井下測試儀的射孔過程掉電丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象的改良方面效果明顯、可靠。

4.結(jié)束語

本文提出了石油井下測試儀的掉電保護(hù)方法，該方法采用在儀器供電輸入端增加保護(hù)電容并以掉電保護(hù)采樣策略進(jìn)行輔助。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本方法可以提高石油井下測試儀在射孔作業(yè)測試過程中的穩(wěn)定性，基本杜絕儀器掉電現(xiàn)象。本文提出的掉電保護(hù)方法不僅可以應(yīng)用于石油井下測試儀的掉電保護(hù)，該方法也同樣符合用于測試彈體高度侵徹硬目標(biāo)過程的彈載電子測試儀等惡劣環(huán)境測試儀器的掉電保護(hù)設(shè)計(jì)思路，擬在此方向上進(jìn)一步研究推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]李東傳，金成福，劉權(quán)民等.復(fù)合射孔檢測技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].測井技術(shù)，2011，35（2）：164-166.

[2]趙鼎，祖靜，崔春生等.射孔器槍內(nèi)壓力測試系統(tǒng)研究及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析[J].電子器件，2014，37（1）：113-118.

[3]劉亮，馬鐵華，尤文斌.低功耗沖擊波超壓測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件，2013，36（2）：239-242.

[4]裴東興，趙慧武，馬鐵華，崔春生.射孔壓力存儲(chǔ)測試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測井技術(shù)，2010，34（6）：610-612.

[5]張士飛，馬鐵華等.新概念石油井下壓力測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（12）：93-102.

[6]崔春生，馬鐵華，裴東興.油氣井復(fù)合射孔/高能氣體壓裂信息獲取與信號特征分析[J].測井技術(shù)，2013，37（5）：579-582.

[7]張文棟.存儲(chǔ)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論及其在導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)測試中的實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京理工大學(xué)，1995.

[8]劉祖凡.井下動(dòng)態(tài)壓力測試技術(shù)研究[D].太原：中北大學(xué)，2012.

基金項(xiàng)目：山西省煤層氣聯(lián)合研究基金項(xiàng)目（編號：2013012010）;山西省歸國留學(xué)人員重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目“石油井下多參數(shù)測試儀”（編號：2008003）;2014年度山西省回國留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目（編號：2014-052）。

作者簡介：劉帥（1989—），男，河北邯鄲人，中北大學(xué)碩士研究生在讀，研究方向：動(dòng)態(tài)測試與智能儀器。