新概念石油井下压力测试系统设计与研究

摘   要： 射孔是石油开采过程中一个非常重要的环节，准确地获取井下射孔压力-时间数据，能够从根本上完善完井技术，促进射孔器改进，达到提高油气井产能的目的。以新概念动态测试为指导设计了新概念石油井下压力测试系统。系统主要解决的关键技术有：选用差分输入放大器INA128降低温度对传感器的影响；采样策略和负延迟的设计；低功耗和微体积的设计。系统已在长庆、大庆等油田中取得了应用。
关键词： 射孔; 完井技术; 动态测试; 采样策略; 低功耗

    新概念动态测试是祖静教授在他多年工作基础上提出来的，其定义为：在被测体实际运动的过程中，实时实况地测取其动态参数。新概念动态测试要求测试用的传感器和测试仪器放置到被测体中或被测环境中，承受与被测体相同的恶劣环境的作用。一般意义上的测试与新概念动态测试的区别可以用下面的公式来表述。
    一般意义的动态测试:
    y(t)=Kx(t)+e  (1)
式中：y(t)为测试系统输出, x(t)为被测量的动态参数,K为灵敏度系数,e为误差。
    新概念动态测试：
    y(t)=Kenx(t)+Cens(t)+e   (2)
式中：Ken为受到环境力影响的灵敏度系数, s(t)为环境力产生的所需要测量的动态参数以外的其他动态参数, Cen为测试系统对s(t)的响应系数。
　比较上面两式可以看出，新概念动态测试充分考虑了测试环境对测试系统灵敏度的影响以及测试系统对非需要测量因素的动态参数的响应系数。
1 井下压力测试系统总体设计
　新概念石油井下压力测试系统由传感器及信号处理电路、数据采集电路、电源管理电路、数据存储电路及上位机构成。信号处理电路负责对传感器输出模拟信号进行放大滤波处理,处理后的信号经过MSP430内部ADC12转换成数字信号，转换后的数字信号经过单片机的处理以后，存入外部大容量的数据存储器。电源管理模块是为系统提供电压，保证系统的正常工作，上位机是把系统电路采集完的井下压力信号通过串口接收到计算机并通过软件拟合成曲线显示，图1是系统工作原理图。     

  2  压力测试系统的关键技术设计
    新概念动态测试要求测试系统必需放置在被测环境中。因此，对测试系统提出了非常严格的要求：微体积，不能影响到被测信号的运动规律；低功耗，系统电路采用电池供电，同时受到仪器体积的限制，电池电量有限，系统电路须尽可能地降低功耗；高精度，精度越高系统电路准确性就越高，目前都采用12位的测试开发平台[1]。
2.1 信号处理电路设计
    从射孔弹内炸药燃烧的过程分析，射孔信号峰值压力大，脉宽窄，上升沿陡[2]。因此，要求传感器有较高的自振频率和很宽的频响特性。而且，其抗压能力以及灵敏度要符合测试条件。本文设计选用Kuliter公司的压阻传感器HKM-198-375M。压阻传感器是以硅片作为弹性敏感元件组成惠斯通电桥，如图2所示。一般，压阻式传感器输出的电压信号相对较小，需经过放大成为符合A/D转换器模拟信号的输入电压量。同时，由于材料特性和工艺上的差异，使得电桥的各个桥臂的测量电阻的温度系数不一致，从而影响传感器的灵敏度[3]。INA128是差动输入仪表放大器，它由3个运算放大器组成，可以有效地抑制温漂并且提高电路的精度。INA128的放大倍数为：
     
2.2 系统采样策略设计
    参考文献[4]中提出了采样策略。采样策略就是对测试系统采样过程的控制，使之适合被测对象的运动规律，完整准确地记录和复现被测对象的动态过程[4]。香农采样定理要求，采样频率fc≥2 fs，其中fs是信号的最高频率分量。工程应用中常常采用fc≥10fs。石油井下压力测试仪采样过程分为几个阶段：下井阶段、射孔阶段、压力恢复阶段。系统采用两片MSP4301611单片机芯片来实现采样策略功能，两片单片机分为主、从单片机，主单片机作为控制芯片，控制各个采样状态之间的变换，并负责数据的存储， 从单片机主要负责压力信号的采集。图3是系统采样策略状态图。

2.3 负延迟设计
    为了真实有效地记录下触发前信号在极短时间内的数据，就要使用负延迟技术。负延迟也称为提前传输，即将触发信号的触发采集时刻提前一段时间作为传输数据的起始点。根据采样策略的设计，射孔前系统采样率为1 S/s，射孔采样率为125 000 S/s，两者的差别比较大，为了完整地保存射孔前一瞬间的数据，系统设计采用FIFO存储器实现负延迟。
    IDT72V241是一种可编程的先进先出FIFO芯片，其存储容量为4 KB。存储前先将其设置到编程状态，根据编程状态时序图将FIFO编程容量设置为2 KB。当存入FIFO的数据达到2 KB时，FIFO的半满标志位就会由高电平变为低电平产生一个下降沿，下降沿将触发主单片机的中断，此时主单片机可处理FIFO里面的数据。负延迟设计的流程图如图4所示。

    射孔前以125 000点/s的速度从单片机采集数据并存入FIFO，但是主单片机只是每一秒钟才会从FIFO中取出一个点存入外部Flash。那么，中间绝大部分的数据是不需要的，这就需要单片机在FIFO半满中断时将FIFO里面的数据清除。每次半满时，FIFO中都存有2 KB的数据，主单片机清除1 KB的数据，另外1 KB保留在FIFO中,不断更新的数据在射孔后做为高速数据存入Flash。这样就实现了负延时的功能。
2.4 系统微功耗、微体积设计
　新概念动态测试要求测试仪器不能影响到被测体的运动规律，因此，测试仪器的体积要尽可能小[5]。但是，考虑测试系统要在高温、高压、高冲击的恶劣环境下工作，同时射孔和压裂过程中温度和压力会发生突变，所以壳体设计只能在保证指标的前提下尽可能地减少冗余件设计，降低外壁厚度。机械壳体的材料选择高强度合金材料钛合金。图5为新旧仪器的对比。

    井下压力测试系统一般都是自带电源，测试系统受到体积的限制，电池体积也必须尽可能小，故容量也较小。因而在测试系统满足测试要求的前提下，尽可能地降低功耗。为了减小功耗，需要考虑系统各状态的功耗时间因子，即系统设计需要给每种状态分配功耗限额。
     Pd=CTV2f   (4)
式中，Pd为CMOS芯片的动态功耗，CT为CMOS芯片的负载电容，V为CMOS芯片的工作电压，f为CMOS芯片的工作频率。
    可以看出，电路的功耗与芯片的工作频率成正比，与供电电压的平方成正比。采样策略的设计就是要系统根据外界压力信号的变化来选择不同的采样速率。下井过程时间很长，但是信号的变化很缓慢，采用低速采样就可以满足要求。射孔时压力信号的变化很快，射孔时间很短,高速采样定时5 s就可全部记录射孔压力信号。因此,采样速率的设计很有效地节省一次下井采样的功耗。
    系统设计采用分区／分时供电，分区／分时电源管理技术能够有效地控制功率消耗。电路在需要工作时给其供电，在不需工作时断电，减小电路无效操作时功耗的比例。例如，仪器不在采集状态时，与采集相关的器件都可以关闭。这样可以节省至少一半的功耗。分区／分时供电需要多种电压，系统采用单电池电源，通过可控制的电压转换芯片来实现多分支电源网络管理，使得系统各功能模块的电源相对独立供电，在不工作时可以分别断电，以节省功耗。电压变换器件选择DC-DC变换器，DC-DC变换器件具有效率高、升降压灵活等优点，可以提高能量利用率，降低电路功耗。
3 井下实测数据
    图6所示，实测数据取自大庆某工地田区低渗透油层开发试验区块，采用动态负压射孔。该地区地层类型为混合砂岩，油层平均孔隙度为16.5%，空气渗透率为74.2×10-3 μm，射孔采用油管传输方式,射孔器长度4 m，外径102 mm,孔密16孔/m。射孔前液柱压力为19.84 MPa。射孔弹引爆以后压力会急剧上升，产生一个峰值压力为42.36 MPa的压力脉冲。射孔后液体迅速回流进入动态负压阶段,射孔后25.9 ms达到最大动态负压值14.36 MPa，动态负压持续时间为1 559 ms。

    新概念压力测试系统是基于参考文献[1]中提出的新概念动态测试设计的新一代石油井下压力测试系统。充分考虑到石油井下射孔时复杂环境,对系统的采样系统、微体积、低功耗重新进行设计。图5中原仪器长726 mm,质量33 kg,直径81 mm,新仪器长426 mm,质量2.4 kg， 直径39 mm,直径和质量上的优势更增加了测试仪器的可靠性。
参考文献
[1] 祖静，张志杰，裴东兴，等．新概念动态测试[J]．测试技术学报,2004，18(26):1-4.
[2] 牛超群,张玉金. 油气井完井射孔技术[ M] . 北京:石油工业出版社,1994.
[3] 孟立凡,郑宾.传感器原理及技术[M].北京:国防工业出版社,2005:120-121.
[4] 张文栋. 存储测试系统的设计理论及其应用[D]. 北京:北京理工大学, 1995.
[5] 裴东兴．新概念动态测试若干问题的研究[D]．北京：北京理工大学，2004．