存儲(chǔ)式測(cè)井儀電源中控短節(jié)

鄒岳元 蔡志明 鐘 林 陳召軍

(川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司 重慶)

0 引 言

目前，過鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井儀器［1］在井口連接儀器串后儀器即開始供電工作，進(jìn)行測(cè)井信號(hào)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在通常情況下，整套儀器工作時(shí)間通常超過24 h，其中大部分時(shí)間是在保護(hù)套內(nèi)，測(cè)井儀器采集和存儲(chǔ)的屬于無(wú)用信息，極大浪費(fèi)電池資源和存儲(chǔ)空間;且在保護(hù)套內(nèi)，雙側(cè)向測(cè)井儀工作處于此環(huán)境下，對(duì)儀器傷害較大。為解決上述問題，研發(fā)了過鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井儀電源中控短節(jié)，使測(cè)井儀器僅在測(cè)量井段內(nèi)工作，其余時(shí)間斷電停止工作。國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)電纜測(cè)井儀器電源控制進(jìn)行了探索和研究［2］。在電池容量有限的情況下，為了降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)電池供電時(shí)間，一種方法是運(yùn)用單片機(jī)的待機(jī)運(yùn)行模式和掉電運(yùn)行模式，使井下儀器系統(tǒng)在非測(cè)井時(shí)處于低功耗狀態(tài)［3］，但這種方法節(jié)電效果非常有限。另一種方法是采用泥漿脈沖控制方式控制儀器的測(cè)井起動(dòng)工作，儀器在下鉆過程中，整串測(cè)井儀器懸掛在保護(hù)套里，當(dāng)用鉆桿傳輸至井底時(shí)，通過泥漿壓力變化發(fā)射信號(hào)，整串測(cè)井儀器在泵壓的推動(dòng)下釋放出水眼，再打開儀器串的供電電源，開始上提鉆具測(cè)井。這種方法在超深井不但成功率較低，而且測(cè)井儀器在測(cè)井結(jié)束后也無(wú)法自動(dòng)斷電停止工作。

1 電源中控短節(jié)的技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)過鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井施工工藝流程，存儲(chǔ)式測(cè)井儀電源中控短節(jié)的主要技術(shù)指標(biāo)如下:

耐溫: 175℃

耐壓: 140 MPa

外徑: 70 mm

時(shí)間控制范圍: 1 min ～256 h

壓力控制范圍: 1 μPa ～140 MPa

2 電源中控短節(jié)設(shè)計(jì)

電源中控短節(jié)采用的方法是對(duì)供電電池通斷進(jìn)行控制，符合設(shè)定條件時(shí)，電池輸出接通到儀器串，停止測(cè)井時(shí)電池輸出關(guān)斷。電源中控短節(jié)以時(shí)間和泥漿壓力兩個(gè)參數(shù)作為準(zhǔn)確控制測(cè)井儀器開始測(cè)井、結(jié)束測(cè)井的控制條件。

電源中控短節(jié)原理框圖如圖1 所示，包括壓力傳感器、信號(hào)放大、核心處理器、參數(shù)存儲(chǔ)器、繼電器控制開關(guān)、通訊接口和電源模塊。其中壓力傳感器將外部壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)為模擬量，經(jīng)過運(yùn)算信號(hào)處理后，送到DSP 核心處理器進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波等處理，作為控制電源控制開關(guān)的邏輯參數(shù)之一。DSP采用內(nèi)部定時(shí)器提供的時(shí)間信息，將該時(shí)間信息作為控制電源控制開關(guān)的另一邏輯參數(shù);通訊接口用于DSP 與上位機(jī)(電腦)通訊，上位機(jī)通過RS485 串口通訊接口，將預(yù)設(shè)時(shí)間及壓力門檻參數(shù)傳遞給DSP;參數(shù)存儲(chǔ)器為非易失存儲(chǔ)器，用于DSP 接收到的預(yù)設(shè)時(shí)間和壓力門檻參數(shù)存儲(chǔ)，以便儀器再上電后DSP 能從存儲(chǔ)器讀取這些參數(shù);控制繼電器開關(guān)用于根據(jù)DSP 的命令控制井下儀器串的供電和斷電;電源模塊將21V電源轉(zhuǎn)換為±12 V 和5 V 電壓，給壓力傳感器、運(yùn)算放大器、DSP 和控制繼電器(電源控制開關(guān))供電。參考電源給DSP 提供基準(zhǔn)電壓，作為DSP 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電壓，使采集的壓力值準(zhǔn)確可靠。

當(dāng)井下儀器到達(dá)測(cè)井段和測(cè)井結(jié)束離開測(cè)井段時(shí)，DSP 根據(jù)存儲(chǔ)在大容量非易失存儲(chǔ)器中預(yù)設(shè)時(shí)間和壓力參數(shù)，結(jié)合采集到的外部壓力值和實(shí)時(shí)時(shí)間信息，經(jīng)過邏輯判斷，通過控制繼電器控制開關(guān)的閉合和斷開，自動(dòng)控制井下儀器電池組給井下儀器串供電和斷電，從而達(dá)到控制井下儀器測(cè)井。

圖1 電源中控原理框圖

3 電源中控短節(jié)的工作控制流程

電源中控短節(jié)對(duì)電源進(jìn)行控制的流程如圖2 所示，控制流程為以下幾步:

圖2 電源中控短節(jié)控制流程

1)根據(jù)測(cè)井作業(yè)深度和鉆桿下井速度預(yù)估儀器串的到達(dá)測(cè)井段時(shí)間，預(yù)置電源開啟的時(shí)間，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)。

2)當(dāng)定時(shí)時(shí)間到后，啟動(dòng)壓力傳感器檢測(cè)泥漿壓力。

3)將壓力值與預(yù)設(shè)控制供電的閾值進(jìn)行比較，達(dá)到閾值則接通電池電源，給儀器串供電。

4)當(dāng)壓力值小于斷電閾值時(shí)，通過繼電器關(guān)閉電池電源。

供電時(shí)，定時(shí)作為第一條件，只有定時(shí)條件滿足時(shí)才能打開壓力檢測(cè)電路，兩個(gè)條件同時(shí)滿足開始供電，有效避免測(cè)井儀器誤供電斷電。

4 試驗(yàn)情況

4.1 試驗(yàn)井試驗(yàn)情況

為檢驗(yàn)過鉆具存儲(chǔ)式電源中控短節(jié)能否按照要求工作，是否能達(dá)到預(yù)期效果，在教學(xué)試驗(yàn)井與陜北某井開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，教學(xué)試驗(yàn)井的試驗(yàn)情況如下。

1)教學(xué)水井井深1 200 m(直井)，泥漿為清水，密度約1.0 g/cm3。

2)預(yù)設(shè)儀器串到達(dá)井底預(yù)計(jì)時(shí)間20 min，即時(shí)間到后測(cè)井儀器自動(dòng)供電，開始上提儀器測(cè)井。預(yù)設(shè)測(cè)井時(shí)間0 min(即到達(dá)井底后開始檢測(cè)壓力)。斷電壓力值為3 MPa(根據(jù)水井清水密度計(jì)算得出在300m 位置壓力約為3 MPa，中控短節(jié)檢測(cè)壓力小于3 MPa 后自動(dòng)斷電)。

3)在地面給電源中控短節(jié)設(shè)置好參數(shù)后，按照儀器下井順序在井口連接儀器。儀器連接完畢時(shí)間10∶43，開始正常下井，人工記錄下到1 116.5 m 位置時(shí)間為11∶03，開始上起測(cè)井，人工記錄到達(dá)300 m 位置時(shí)時(shí)間為11∶21，儀器起出井口，中控短節(jié)斷電時(shí)間為11∶30。儀器到達(dá)井口，取出后在11∶40 時(shí)地面系統(tǒng)讀取電源中控短節(jié)的信息，如圖3 所示。

4)從圖3 讀取信息可以看出，電源中控短節(jié)已經(jīng)自動(dòng)控制電池給自然伽馬+ 井斜方位組合儀供電18 min。

圖3 讀取的電池供電時(shí)間

5)讀取自然伽馬+ 井斜方位組合儀數(shù)據(jù)，如圖4所示。從數(shù)據(jù)可以看出儀器從11∶01 開始供電工作并采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在11∶18 斷電停止工作，與提取的讀取電源中控短節(jié)內(nèi)儀器上電工作時(shí)間信息一致，說明電源中控短節(jié)按照預(yù)設(shè)條件，自動(dòng)控制了井下儀器的供電斷電，與試驗(yàn)預(yù)期符合。

圖4 存儲(chǔ)器中讀取的自然伽馬+井斜方位數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)時(shí)間

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

2013 年10 月11 日至10 月12 日，在陜北某XYnn-48H 井進(jìn)行了電源中控短節(jié)下井控制存儲(chǔ)式儀器測(cè)井試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如下。該井垂深3 549 m，測(cè)量井段3 190 m ～4 460 m，測(cè)井施工耗時(shí)25 h 10 min，電池通電時(shí)間9 h 50 min，故節(jié)約電池時(shí)間15 h 20 min，節(jié)約電池工作時(shí)間60.9%。而2013 年6 月29 日，在陜北某X - mm - 13H 存儲(chǔ)式儀器測(cè)井作業(yè)，井垂深3 362 m，測(cè)量井段3 210 m ～4 600 m，測(cè)井施工耗時(shí)24 h20 min，由于無(wú)電源中控短節(jié)，電池通電與測(cè)井作業(yè)時(shí)間相同。兩次測(cè)井相關(guān)情況對(duì)比如表1 所示。

表1 帶電源中控與無(wú)電源中控的存儲(chǔ)式兩口井電池通電時(shí)間對(duì)比

5 結(jié) 論

通過在野外進(jìn)行具體的試驗(yàn)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)電源中控短節(jié)按照預(yù)設(shè)參數(shù)，在儀器串下井到達(dá)預(yù)定時(shí)間和井深后自動(dòng)供電，測(cè)井儀器開始工作，在設(shè)定井深位置處斷電，使測(cè)井儀器停止工作，達(dá)到了自動(dòng)控制測(cè)井儀器供斷電的目的。

2)減少了雙側(cè)向電極處于套管內(nèi)近乎短路的工作時(shí)間，從而保護(hù)了儀器，增長(zhǎng)儀器使用壽命，對(duì)于聲波等存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大的儀器來說，還可節(jié)省有限的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

3)電源中控短節(jié)通過控制測(cè)井儀器起止工作，提高了電池有效利用率，節(jié)約了電池，能有效節(jié)約測(cè)井成本。

［1］趙 平. 正在興起的過鉆頭測(cè)井技術(shù)及其應(yīng)用［J］. 測(cè)井與射孔，2006，24(2)

［2］李明華. 鉆桿輸送存儲(chǔ)式測(cè)井儀電池控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2012，62(7)

［3］龐巨豐. 測(cè)井原理及儀器［M］. 北京:科學(xué)出版社，2008