隨鉆測量雙電池供電控制短節的研制

張寶磊

(中國石油集團長城鉆探工程有限公司測井公司 遼寧 盤錦 124010)

·開發設計·

隨鉆測量雙電池供電控制短節的研制

張寶磊

(中國石油集團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定的尺寸限制，無線隨鉆測量系統的電池組在井下工作時經常出現電量浪費或不足的情況，針對該問題研制出一種電池供電管理及控制短節，實現了兩節電池的自動供電切換，并通過應用驗證其效果。結果表明該控制短節延長了單趟鉆次的系統工作時間，節省了每口井的電池使用量，降低了作業成本。

隨鉆測量;雙電池短節;供電切換;降低成本

0 引 言

無線隨鉆測量(MWD)技術在水平井、定向井和垂直井鉆井過程中已得到廣泛應用并日益成熟，其能夠實時測量井斜、方位、工具面角等工程參數和自然伽馬等地質參數[1,2]。目前，國內普遍使用的海藍MWD系統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)，以及由于其它原因導致中途起鉆[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，則必須更換一節新電池繼續下井，造成電池的資源浪費。此外，在高溫深井作業中使用的鉆具(螺桿、鉆頭等)采用可靠性較高的產品，其使用壽命可達200～300 h[3,4]，經常出現鉆具壽命未到時，而MWD電池組電量已耗盡的情況，導致鉆井隊起鉆更換電池，造成人力物力的浪費并影響了鉆井作業施工的效率。

基于以上原因，在兼容原有的MWD儀器組成基礎上，研制出一種電池供電管理及控制儀器，掛接在MWD系統中，實現兩節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；此外，對于電量尚未耗盡的電池，可以與另一節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的研制

設計一個專門用于MWD雙電池供電的控制儀器，該儀器在結構、電氣接口上與原MWD系統兼容，且保證原系統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狀態的更改，掛接雙電池供電儀器前后的MWD井下系統組成如圖1所示。

圖1 MWD井下系統組成框圖

1.1 電路組成

雙電池控制短節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1號電池組的電壓低于設置的閥值時，雙電池控制儀器自動會切換到2號電池組供電，并關斷1號電池組對系統的供電，切換閥值可由用戶設置，雙電池控制儀器的電路組成見圖2。

圖2 雙電池短節電路組成

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換電路進行二次電源變換以給儀器的其他芯片供電，其中A/D轉換電路負責采樣儀器串上連接器第3點的電壓。當打撈頭安裝完畢后，雙電池控制儀器處于井下工作模式，此時第3點有電，處理器根據采集得到的1號電池電壓值判斷該值是否低于預先設定的閥值并控制1號開關的開通與關斷。當1號電池組電壓值低于閥值時，處理器關斷1號開關，并打開2號開關，由2號電池組給井下系統供電，否則1號開關打開，2號開關關斷，由1號電池組給井下系統供電。當打撈頭未安裝，通過模擬測試線纜連接井下儀器串和地面系統時，則由地面系統給井下儀器串供電，此時雙電池控制儀器處于地面工作模式，可進行電池電壓切換閥值的設置以及下井起鉆后2節電池工作時間的讀取。雙電池控制儀器與地面系統之間的串行通信協議為RS485通信，雙電池控制儀器的軟件工作流程如圖3所示。

圖3 雙電池短節控制流程圖

1.2 結構設計

雙電池控制短節除在電氣上實現對儀器供電的管理外，在結構上還起到了扶正器的作用，控制短節與扶正器加工整合為一體，相當于把控制短節電路鑲嵌在扶正器內部，減少了儀器的長度，提高了使用方便性。雙電池控制短節的結構圖如圖4所示，實物圖如圖5所示，包括短節的基體、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 雙電池短節結構圖

1.3 地面軟件開發

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

圖5 雙電池短節實物圖

圖6 雙電池控制儀器地面軟件

2 雙電池供電控制短節的應用

2.1 應用實例

雙電池供電控制短節已成功應用于多口定向井及水平井，沒有出現供電故障，在井下實現了兩節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，兩口井地質條件及井況相似，設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，永和18-29H井使用雙電池短節；安9平1井與安13平1井位于陜西延安甘谷驛鎮，兩口井的鉆井及地質條件基本一致，其中安9平1井未使用雙電池短節，安13平1井使用雙電池短節，這幾口井的基本概況見表1所示。

2.2 應用效果

表2是相鄰井和相似井況條件下，使用雙電池短節和未使用雙電池短節電池使用量的對比情況，可以看出使用雙電池短節后電池使用量明顯減少，平均每使用3～4根電池可以節省一根，一根電池單節數千元到上萬元，通常一口水平井可節約電池成本數萬元。

表1 應用井概況

表2 電池組使用情況

3 結 論

MWD雙電池供電控制短節的研制實現了兩節電池的自動供電切換，從而延長了單趟鉆次的系統工作時間，大大提高了鉆井作業的工作效率；此外，它能夠提高電池利用效率，單根電池利用率可以達到90%以上，節省每口井的電池使用量，降低作業成本。

然而，使用雙電池供電時會導致MWD井下儀器串長度加長，如果連接伽馬測量探管，長度則達到10 m以上，比正常無磁鉆鋌要長，導致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.無線隨鉆測量技術的應用現狀及發展趨勢[J].石油鉆探技術，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.螺桿鉆具研究及應用[M].石油工業出版社,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年畢業于中國石油大學(北京)地球探測與信息技術專業，獲碩士學位，現從事隨鉆測井工作。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)