LWD儀器臨界電壓數(shù)據(jù)讀取分析與解決

黃 濤

（中海油服油田技術(shù)事業(yè)部湛江作業(yè)公司，廣東 湛江 524057）

0 引 言

中國海油目前擁有多套哈里伯頓生產(chǎn)的LWD系統(tǒng)，其包括地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)兩部分。井下系統(tǒng)指井下儀器串，地面系統(tǒng)的核心為INSITE系統(tǒng)。INSITE系統(tǒng)由微軟公司參與研發(fā)設計，功能非常強大，并且集成化程度非常高，使操作方式平民化，操作簡單、靈活。本文正是充分發(fā)掘其強大的功能來解決鋰電池臨界電壓問題。

1 鋰電池原理介紹

1.1 鋰電池基本結(jié)構(gòu)

整個的鋰電池是由18個Cell組成，為儀器提供20 V額定電壓，額定總電量為20 Ah。

鋰箔作為電池的陽極，發(fā)生反應時的化學式為：

碳作為電池的陰極充當催化劑，SOCl2做電解質(zhì)，在陰極處發(fā)生的反應為：

1.2 鋰電池工作過程

鋰電池的優(yōu)點是能量高，電壓穩(wěn)定時間長，當電池的電量消耗達到80%時仍然能夠為負載提供正常電壓及電流，一旦超過80%其電壓則會迅速下降。這是鋰電池額定電量設置為20 Ah的原因，而實際裝電總量為24 Ah。鋰電池為其負載提供電壓的過程可以通過單獨一個Cell的工作過程表現(xiàn)出來，如圖1所示。

根據(jù)公式Q=I×t，電池消耗電量Q等于電流I與時間t的乘積。LWD自身具備測量電流I和時間t的功能，可以自動將鋰電池電量計算出來并且生成報告，是鋰電池電量跟蹤的一個重要參數(shù)。

1.3 臨界電壓

當鋰電池因為消耗只能為其負載提供3.5～12 V電壓時，在此電壓下LWD儀器出現(xiàn)不能讀取數(shù)據(jù)的問題，將此電壓定義為臨界電壓。由于讀取數(shù)據(jù)操作都是通過HCIM進行的，本文所研究鋰電池僅為HCIM鋰電池。

2 臨界電壓狀態(tài)下的現(xiàn)象及影響

2.1 Session Log現(xiàn)象

在臨界電壓狀態(tài)下，觀察Session Log，通常會發(fā)現(xiàn)ALD連續(xù)出現(xiàn)Tool Failure現(xiàn)象。隨著鋰電池電量繼續(xù)消耗，CTN、EWR、DGR也會相繼出現(xiàn)Tool Failure現(xiàn)象，直至脈沖信號突然消失，表示鋰電池電壓已經(jīng)不足以使HCIM控制脈沖器繼續(xù)發(fā)射信號脈沖。

2.2 讀取數(shù)據(jù)失敗現(xiàn)象

儀器出井后，在井口進行讀取數(shù)據(jù)作業(yè)，結(jié)果讀取數(shù)據(jù)失敗。

2.3 影 響

首次遇到此問題時，現(xiàn)場人員進行了多次讀取數(shù)據(jù)嘗試，都未能成功，從而未能在現(xiàn)場將儀器內(nèi)存里的隨鉆測井資料取出來，最后只能將儀器從海上返回基地車間。此次臨界電壓問題不僅長時間占用井口，還影響了數(shù)據(jù)提交時間。

3 臨界電壓現(xiàn)象的原因分析

設備返回基地車間后，車間人員按照現(xiàn)場操作步驟重新進行嘗試，讀取數(shù)據(jù)成功，并取得完整數(shù)據(jù)，此現(xiàn)象給相關人員造成了很大的困惑。車間讀取數(shù)據(jù)時，出現(xiàn)的一個與現(xiàn)場讀取數(shù)據(jù)不同的現(xiàn)象引導了相關人員研究問題的方向。

3.1 INSITE系統(tǒng)的供電功能

在平時的儀器測試中，當儀器沒有安裝鋰電池時，進行Confidence Test、Download以及讀取數(shù)據(jù)操作時，會激發(fā)INSITE系統(tǒng)的自動供電功能，提出問詢是否由INSITE系統(tǒng)主機的Surface Card提供20 V電壓給儀器，選擇Yes后才能繼續(xù)完成Confidence Test、Download以及讀取數(shù)據(jù)。

實驗證明，不僅沒有安裝鋰電池會激發(fā)INSITE系統(tǒng)的供電功能，鋰電池電壓在0～3.5 V時也會激發(fā)此功能。

為進一步分析軍民基礎地理信息要素間的對應關系，本文將軍民雙方所有基礎地理信息要素（約1 600個要素）建立了映射關系并進行統(tǒng)計，將要素間的映射關系分為無對應（民有軍無，軍有民無）、一對多、一對一（相同，圖式中有，名稱不同，有差異）、多對一、多對多五大類8個小類，每類映射關系的含義見表1，最終得到基礎地理信息要素的映射關系見表2。

3.2 臨界電壓

使用直流電源代替鋰電池，直流電源為儀器提供0～20 V直流電壓，在此范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整供電電壓，反復進行讀取數(shù)據(jù)操作，得出實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)

表1數(shù)據(jù)反映，在成功進行讀取數(shù)據(jù)時，有兩種為儀器供電的方法。一個是鋰電池供電，鋰電池電壓為12～20 V時發(fā)揮作用；另一個是INSITE系統(tǒng)供電，鋰電池電壓為0～3.5 V時激發(fā)INSITE系統(tǒng)供電功。鋰電池電壓恰好在3.5～12 V時，鋰電池供電失效，又不能激發(fā)INSITE系統(tǒng)供電功能，從而導致讀取數(shù)據(jù)失敗，所以稱3.5～12 V電壓區(qū)域為讀取數(shù)據(jù)盲區(qū)，此區(qū)域內(nèi)的電壓值為臨界電壓。

3.3 讀取數(shù)據(jù)基本功能

讀取數(shù)據(jù)的功能有兩個：一個是將井下數(shù)據(jù)從儀器的Flash Memory里面讀取出來；另一個是在讀取數(shù)據(jù)結(jié)束后將儀器上下總線的電源關閉，使儀器停止對電池的消耗。

3.4 原因分析

現(xiàn)場進行讀取數(shù)據(jù)時，鋰電池的供電電壓正處在讀取數(shù)據(jù)盲區(qū)，從而導致現(xiàn)場多次讀取數(shù)據(jù)不能成功。由于現(xiàn)場讀取數(shù)據(jù)失敗，儀器未能關閉，在從現(xiàn)場返回基地的3天時間里，儀器仍然在工作直至將鋰電池電量完全耗盡。鋰電池電壓為零，也就相當于儀器沒有裝鋰電池，激發(fā)了INSITE系統(tǒng)的供電功能，然后讀取數(shù)據(jù)成功。

4 解決方案

通過前面的論述可以看出，鋰電池電壓在3.5～12 V時沒有一個成功的讀取數(shù)據(jù)方法，屬于哈里伯頓LWD儀器的一種缺陷。INSITE系統(tǒng)功能非常強大，因此可以通過充分利用INSITE系統(tǒng)提供的功能，繞過這個設計缺陷來解決臨界電壓問題。

4.1 關閉儀器電源

井口讀取數(shù)據(jù)失敗時，儀器電源未能關閉，所以將儀器從鉆臺拆甩下來之前，必須采取措施將儀器電源關閉。

4.1.1 使用Tool Powering功能關閉

在執(zhí)行Power Off后，Tool Powering應用程序會嘗試與儀器進行通信，如果沒有獲得儀器響應，則說明Power Off成功，界面給出儀器關閉成功的提示。

4.1.2 使用TOOL I/O命令關閉

表2 使用TOOL I/O命令關閉儀器的基本步驟

4.2 甲板讀取數(shù)據(jù)

將儀器成功斷電之后就可以安全地將儀器拆甩到甲板，不再占用井口。將RLL里臨界電壓下的鋰電池拆除，更換能夠提供正常電壓的鋰電池，然后進行讀取數(shù)據(jù)即可成功將內(nèi)存數(shù)據(jù)讀取出來。

4.2.1 對RLL進行讀取數(shù)據(jù)

儀器甩到甲板后，僅連接RLL，單獨對其進行讀取數(shù)據(jù)嘗試，根據(jù)多次現(xiàn)場經(jīng)驗，往往都能夠成功，只是由于電壓偏低，讀取速度與正常情況相比可能會慢一些。

如果讀取數(shù)據(jù)不能成功，說明鋰電池的電壓已經(jīng)到了臨界電壓的較低值，已經(jīng)徹底不能供應RLL工作，此時則必須更換鋰電池。

4.2.2 對NUKE進行讀取數(shù)據(jù)

對RLL進行讀取數(shù)據(jù)成功后，下一步就是再對NUKE進行讀取數(shù)據(jù)。只需要將出井的NUKE與另外一根備用的RLL相連接（備用RLL里的HCIM電池電量充足，供電電壓為額定電壓）。

至此，對下井儀器內(nèi)存數(shù)據(jù)的全部讀取工作就完成。

5 結(jié) 論

國內(nèi)很多科研機構(gòu)及高校都對INSITE系統(tǒng)進行了大量的研究，借鑒其先進技術(shù)，幫助相關人員的自主研發(fā)。鋰電池臨界電壓問題暴露了INSITE系統(tǒng)的設計缺陷，在解決該問題的時卻可以將它功能強大、操作靈活的優(yōu)點發(fā)揮得淋漓盡致。對于這些技術(shù)，哈里伯頓沒有給出任何系統(tǒng)的官方資料，是現(xiàn)場工程師及維修工程師憑借豐富的經(jīng)驗、翻閱大量資料，并且做了大量的實驗才得出的成果。正是通過這樣的學習研究，現(xiàn)場工程師及維修工程師的現(xiàn)場操作水平及維修水平才能得到不斷地提升。