一種井下管柱載荷測(cè)試方案

胡時(shí)等

摘 要：提出了一種基于電橋應(yīng)變片結(jié)構(gòu)測(cè)量油井管柱拉壓載荷的方案。通過(guò)電阻應(yīng)變式傳感器檢測(cè)井下管柱封隔器的應(yīng)變力來(lái)測(cè)試其載荷大小。井下數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)經(jīng)控制芯片存儲(chǔ)于SD卡中，測(cè)試完畢后測(cè)試短接隨管柱一起出井，用地面PC機(jī)讀取SD卡中數(shù)據(jù)，即可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。此方案具有存儲(chǔ)式，便攜式，測(cè)試數(shù)據(jù)量大的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)油井封隔器管柱失效問題的解決提供了實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)的可行方法。

關(guān)鍵詞：存儲(chǔ)式；載荷測(cè)試；封隔器

引言

大慶油田經(jīng)過(guò)多年的分層開采后，油田已進(jìn)入中后期的發(fā)展，油井管柱在井下的工作情況越來(lái)越惡劣，油井分層開采，層間矛盾不斷加劇，油層含水量不斷上升，致使采油過(guò)程中油井封隔器分層難度越來(lái)越難，封隔器管柱失效問題日益突出[1]，基于以上情況，文章提出油井管柱封隔器載荷實(shí)測(cè)試方案，具有一定的研究?jī)r(jià)值。

1 測(cè)試方案總體設(shè)計(jì)

方案總體為地面部分與井下部分。地面部分就是對(duì)SD存儲(chǔ)卡中數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，用MATLAB等軟件通過(guò)編程進(jìn)行輔助分析，將數(shù)據(jù)用表格、坐標(biāo)圖等形式進(jìn)行可視化處理，直觀地給現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行有效指導(dǎo)。井下部分包括與管柱連接的測(cè)試短接，傳感器應(yīng)變片全橋電路，信號(hào)放大、濾波調(diào)理電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路，電源管理模塊電路六部分。測(cè)量單元獨(dú)立成套，可安置在油井管柱的不同位置。方案設(shè)計(jì)框圖如圖1。

2 技術(shù)參數(shù)

此方案中最關(guān)鍵的部分是載荷測(cè)試應(yīng)變筒，由現(xiàn)場(chǎng)井下工作情況確定載荷測(cè)試的技術(shù)指標(biāo)：應(yīng)變筒軸向拉壓承重范圍-300kN～300kN，測(cè)試精度5%F.S，工作溫度范圍-20～120℃，工作最高耐壓30Mpa，電源采用大容量、耐高溫磷酸鐵鋰充電電池，設(shè)計(jì)采樣率每秒2個(gè)點(diǎn)，連續(xù)工作時(shí)間為90天。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)變片傳感器

應(yīng)變式傳感器與其他類型傳感器相比具有以下特點(diǎn)：測(cè)量范圍廣，精度高，傳感器輸出特性的線性度好，工作性能穩(wěn)定，而且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，能在惡劣環(huán)境下工作[2]，但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須對(duì)應(yīng)變片橫向效應(yīng)引起的精度誤差與溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償。在本設(shè)計(jì)方案中，載荷測(cè)試構(gòu)件要隨油井管柱一起下井，安裝在管柱與封隔器的連接處，原理上主要承受油井管柱的自身重力，管柱內(nèi)外液壓差，還有井下液體的浮力，井下高溫以及摩擦阻力等帶來(lái)的軸向拉壓力[3]。油井管柱在軸向上的受力最大，產(chǎn)生的應(yīng)變力也最大，所以要在測(cè)試構(gòu)件的應(yīng)變筒軸向特定部位布設(shè)測(cè)力應(yīng)變片，橫向特定部位布設(shè)溫度補(bǔ)償應(yīng)變片組成全橋直流電路，測(cè)試信號(hào)輸出送入信號(hào)放大調(diào)理電路。

3.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

應(yīng)變力信號(hào)由傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換電路后送入微處理器進(jìn)行存儲(chǔ)。由應(yīng)變電橋輸出信號(hào)的特征確定，需要一款低噪聲、高精度、高共模抑制比、低漂移的儀表放大器。采用美國(guó)ADI公司的一款經(jīng)典儀表放大器AD620，性能高于三運(yùn)放分立儀表放大器，特別適合采用低電壓供電的大電阻壓力傳感器，尤其對(duì)處理惠斯登電橋輸出信號(hào)具有很理想的效果。外圍電路簡(jiǎn)單，方便快捷地通過(guò)外接一個(gè)電阻即可設(shè)置增益，另外低成本，低功耗，高精度的性價(jià)比也非常適合野外便攜式儀器的使用。信號(hào)放大電路圖如圖2。

圖中電橋輸出差分信號(hào)送入AD620的信號(hào)輸入端，其中C1、C2為濾波電容，R7為設(shè)置增益電阻，為了AD620能發(fā)揮更好的性能，采用雙電源供電模式，AD620的第四管腳接負(fù)電源，在此處采用一款負(fù)電源芯片ICL7600S為AD620提供負(fù)電源。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集和存儲(chǔ)，用USB118模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，USB118系列嵌入式SD卡讀寫模塊可以嵌入用戶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)，USB2.0接口的高速數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)DMA方式體現(xiàn)的，USB2.0的接口最大速率為480Mbit/sec，理論字節(jié)速度為48Mbyte/Sec。通過(guò)用目前雙核電腦測(cè)試，USB20D模塊的DMA有效傳輸速度可以達(dá)到35Mbyte/Sec。

3.4 電源管理模塊

便攜式儀器使用內(nèi)置電池組，沒有外面的供電電源，故在設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路時(shí)要盡可能地降低功耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)的工作時(shí)間，電源管理模塊電路如圖3所示。

采用上海如韻電子最新推出的一款高效率脈沖頻率調(diào)制型（PFM）DC-DC轉(zhuǎn)換器CN5136，其最大輸出電流能力可以達(dá)到500mA。CN5136內(nèi)部集成有功率晶體管，大大減少了外部元器件的數(shù)目。它的輸出電壓可以通過(guò)外部電阻設(shè)置。片內(nèi)高精度的電壓基準(zhǔn)源保證了輸出電壓的精度和低溫度漂移。CN5136的工作電壓范圍在2.7V到6V，非常適合鋰電池供電的應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)一種油井管柱封隔器載荷測(cè)試的方案做了介紹，存儲(chǔ)式、便攜式是本方案的特點(diǎn)，為油井封隔器管柱的失效問題的解決提供了一種現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的方案。后期將繼續(xù)推進(jìn)本方案的研究工作，將進(jìn)行樣機(jī)制作，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試以及下井測(cè)試，以此來(lái)驗(yàn)證管柱力學(xué)理論上分析的正確性，為現(xiàn)場(chǎng)工程提供數(shù)據(jù)分析支持，指導(dǎo)油田更安全、高效的生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]葛亮，胡澤，付英軍.一種存儲(chǔ)式多參數(shù)測(cè)井系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011（8）：150-152.

[2]樊尚春.傳感器技術(shù)及應(yīng)用（第2版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[3]趙曉偉，牛彩云，朱洪征，等.單封隔器抽油管柱受力變形分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011（12）：51-54.

作者簡(jiǎn)介：胡時(shí)（1993-），男，漢族，黑龍江大慶人，就讀于東北石油大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。