高速射孔壓力計(jì)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

程雙元，袁紅芳，劉宇光，楊 琨

(西安思坦儀器股份有限公司 陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著射孔技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)射孔產(chǎn)生的壓力進(jìn)行檢測(cè)和分析也變得越來(lái)越重要。最初，人們使用普通的高速壓力計(jì)檢測(cè)射孔壓力后的壓力，最小的采樣間隔只能到1 s，且只能測(cè)峰值壓力，無(wú)法反映整個(gè)射孔的全過(guò)程。高速射孔壓力計(jì)的出現(xiàn)有效地解決了這一問(wèn)題，能夠自動(dòng)記錄射孔作業(yè)過(guò)程中井下爆炸燃燒瞬間的各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)射孔的施工設(shè)計(jì)、過(guò)程分析和效果評(píng)價(jià)起到非常重要的作用。國(guó)外的大石油公司，在20世紀(jì)80年代初就研制出了高速射孔壓力計(jì)。國(guó)內(nèi)的開(kāi)發(fā)研制起步較晚，開(kāi)始于90年代，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，高速射孔壓力計(jì)已成為測(cè)試射孔井下動(dòng)態(tài)信號(hào)的專用儀器[1]。高速壓力計(jì)的出現(xiàn)解決了射孔瞬間參數(shù)的測(cè)試和恢復(fù)壓的測(cè)試難題，一次下井不需要起管柱的情況下完成2項(xiàng)測(cè)試任務(wù)。而普通的射孔壓力計(jì)只能測(cè)試射孔后的恢復(fù)壓，無(wú)法檢測(cè)射孔瞬間的壓力。本文跟蹤國(guó)外新技術(shù)，研制開(kāi)發(fā)高速射孔壓力計(jì)，對(duì)射孔壓力檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行范圍擴(kuò)展和完善。

本設(shè)計(jì)基于DMA技術(shù)、FIFO負(fù)延時(shí)技術(shù)以及電池低功耗管理技術(shù)[2]，能夠滿足常規(guī)測(cè)試儀器難于實(shí)施的油井中長(zhǎng)期測(cè)試工作，為油井的動(dòng)態(tài)分析及制定合理的開(kāi)采制度提供重要依據(jù)，簡(jiǎn)化了射孔的施工工藝，促進(jìn)了射孔工藝整體水平的提高[3]。本文將詳細(xì)介紹高速壓力計(jì)的電路設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)以及一些關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)。對(duì)高速壓力計(jì)的試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行了詳細(xì)描述，最后得出設(shè)計(jì)的最終結(jié)果，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)射孔過(guò)程的各種參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

1 高速壓力計(jì)的電路設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

該儀器采用高主頻低功耗單片機(jī)C8051F060，集成度較高，方便電路設(shè)計(jì)。有低功耗模式，滿足電池供電的存儲(chǔ)式儀器使用需求。存儲(chǔ)器選用并口Flash，通過(guò)數(shù)據(jù)地址線ADn和控制線Ctrol進(jìn)行高速數(shù)據(jù)的存取，保證高速采樣的數(shù)據(jù)能進(jìn)行快速保存。

壓力信號(hào)采用外部14位AD7484芯片，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)內(nèi)部采用DMA控制與CPU之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；溫度和加速度為單片機(jī)內(nèi)部12位AD采集，采用DMA控制與CPU之間的數(shù)據(jù)交換。壓力、溫度、加速度最高均為100 K的采樣速率。

壓力傳感器應(yīng)具有高靈敏度、頻率響應(yīng)快、體積小、抗沖擊強(qiáng)等特點(diǎn)。選擇keller PA-7LHP抗震動(dòng)壓力傳感器，采用2.5 V恒壓供電。由于井下工作環(huán)境噪聲干擾大，壓力傳感器輸出差分信號(hào)到儀表放大器INA128，抑制噪聲和溫漂，提高測(cè)試精度。

加速度傳感器選用國(guó)產(chǎn)YD-10D電荷傳感器，量程±2.94×105m/s2(±3×104g)。其工作原理是壓電式加速度傳感器將沖擊信號(hào)轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào)，利用電荷信號(hào)調(diào)理電路[4]，將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)增益控制、濾波電路調(diào)理后，輸出到AD轉(zhuǎn)換器。儀器的原理框圖如圖1所示。

圖1 儀器硬件原理圖

1.2 DMA關(guān)鍵技術(shù)

DMA是指CPU不干涉數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N計(jì)算機(jī)技術(shù)，是數(shù)據(jù)高速轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)。DMA采取乒乓模式，既一個(gè)通道DMA分配2塊內(nèi)存A和B，外部數(shù)據(jù)在A和B之間交替存儲(chǔ)切換。在數(shù)據(jù)向A傳輸?shù)耐瑫r(shí)，DMA釋放內(nèi)存B的控制權(quán)，CPU可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在數(shù)據(jù)向B傳輸?shù)耐瑫r(shí)，DMA釋放內(nèi)存A的控制權(quán)，CPU可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過(guò)DMA硬件技術(shù)，可保證外部數(shù)據(jù)不間斷的被采集和以Flash可以接受的速度進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.3 低功耗管理技術(shù)

壓力計(jì)使用低功耗管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)采樣-休眠-喚醒-采樣模式的系統(tǒng)功耗控制。儀器通電后，首先進(jìn)入低速采樣模式，時(shí)間的長(zhǎng)短需通過(guò)編程設(shè)定。低速模式過(guò)后，將進(jìn)入高速100 K采集緩沖模式(不保存數(shù)據(jù))，當(dāng)檢測(cè)到加速度值超過(guò)設(shè)定閾值后，將觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)前后8 ms緩沖的數(shù)據(jù)寫入Flash；然后進(jìn)入中速1 K采集模式，采集121 s的數(shù)據(jù)；然后又返回到低速模式，按設(shè)定的采樣間隔進(jìn)行低速采樣。

1.4 負(fù)延時(shí)技術(shù)

動(dòng)態(tài)信息的存儲(chǔ)要求真實(shí)有效地記錄有用信號(hào)，根據(jù)射孔爆炸壓力信號(hào)的特點(diǎn)，需要將觸發(fā)前壓力在一段極短時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，這就需要使用負(fù)延時(shí)技術(shù)。本系統(tǒng)采用FIFO式的負(fù)延時(shí)技術(shù)[5]，原理如圖2所示，在單片機(jī)內(nèi)部RAM中開(kāi)辟一段存儲(chǔ)空間C，高速采集數(shù)據(jù)由A端進(jìn)入B端流出到存儲(chǔ)器，觸發(fā)判斷在A端進(jìn)行，通過(guò)控制B端流出數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器的時(shí)機(jī)，完成對(duì)靜壓及動(dòng)壓數(shù)據(jù)的記錄。

圖2 負(fù)延時(shí)原理圖

2 高速壓力計(jì)的機(jī)械設(shè)計(jì)

由于射孔瞬間的振動(dòng)較為強(qiáng)烈，所以設(shè)計(jì)了緩沖短節(jié)以消除或削弱強(qiáng)振動(dòng)對(duì)儀器電路部分的影響，如圖3所示。

圖3 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

高速壓力計(jì)電路板與電池組件也設(shè)置了硅橡膠減震。在電路板與電池兩端設(shè)計(jì)了專用減震墊，以吸收電路板與電池的軸向振動(dòng)，防止電路板上元器件損壞以及電池組件上的插頭震斷。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，使用減震后，射孔過(guò)程中未出現(xiàn)電路板元器件損壞及插頭震斷的現(xiàn)象。試驗(yàn)證明了減震效果的可靠性。

緩沖短節(jié)設(shè)置了兩道減震。高速壓力計(jì)與緩沖器連接。射孔瞬間產(chǎn)生的振動(dòng)波，首先由緩沖短節(jié)上的第一道減震吸收，第一道緩沖使用彈簧減震，經(jīng)過(guò)測(cè)試，可吸收約60%～70%的振動(dòng)波，第二道使用硅橡膠進(jìn)行減震，硅橡膠硬度在邵氏A65～75之間，硬度較小，可快速吸收震動(dòng)。經(jīng)過(guò)緩沖短節(jié)兩道減震后，可吸收掉95%以上的振動(dòng)波，有效防止射孔瞬間產(chǎn)生的劇烈震動(dòng)直接傳至管柱，減少管柱震斷的風(fēng)險(xiǎn)。

3 高速壓力計(jì)的使用

連接儀器和自主研發(fā)的直讀儀，主要完成高速壓力計(jì)與電腦之間的通訊連接。打開(kāi)軟件PT_100.exe，點(diǎn)擊“時(shí)間表”，會(huì)彈出采樣間隔設(shè)置界面，如圖4所示。

在表單中輸入觸發(fā)加速度值(G)，然后點(diǎn)“設(shè)置”，數(shù)據(jù)將會(huì)寫入儀器。儀器按設(shè)定的加速度值進(jìn)行觸發(fā)，如無(wú)設(shè)定，默認(rèn)的值為1 960 m/s2(200 g)。

圖4 采樣間隔設(shè)置界面

4 高速壓力計(jì)的試驗(yàn)

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行過(guò)多次高速壓力計(jì)測(cè)試，以下對(duì)2次射孔進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。第一次試驗(yàn)，127 mm射孔槍共54支，內(nèi)裝超深穿透射孔彈2 075發(fā)；第二次試驗(yàn)，127 mm射孔槍共37支，內(nèi)裝超深穿透射孔彈1 599發(fā)；裝槍孔密都為16孔/m，相位角60°螺旋布控，彈間填裝復(fù)合藥餅，采用油管輸送射孔。

射孔過(guò)程采用低傷害無(wú)固相射壓井孔液，添加粘土穩(wěn)定劑，防止射孔壓井液濾液侵入儲(chǔ)層引起水敏損害，添加防水鎖劑，防止水鎖造成的損害。

4.1 第一次試驗(yàn)整體下井過(guò)程數(shù)據(jù)分析

利用高速壓力計(jì)完成射孔瞬間的加速度、壓力及溫度的檢測(cè)。記錄數(shù)據(jù)完整，如圖5所示。

第1階段：射孔器入井，射孔器未下入液面，井溫開(kāi)始升高。

第2階段：射孔器進(jìn)入液面，壓力隨管柱下深增加，井溫繼續(xù)升高。

第3階段：射孔器起爆過(guò)程，由于起爆過(guò)程時(shí)間短暫，從全過(guò)程曲線上不能看到具體起爆數(shù)值，下面將有具體射孔瞬間部分的曲線分析。

第4階段：起爆后，隨著時(shí)間增加，壓井液進(jìn)入地層。進(jìn)入壓力恢復(fù)階段，該階段管柱未動(dòng)，井溫?zé)o變化。

第5階段：射孔管柱上提階段，溫度下降、壓力下降，時(shí)間軸末端，射孔器出液面。

第6階段：繼續(xù)上提管柱階段，壓力不變，溫度減小。

圖5 第一次試驗(yàn)完整射孔過(guò)程

4.2 第一次試驗(yàn)射孔瞬間曲線分析

將時(shí)間軸拉伸，放大射孔瞬間曲線，通過(guò)曲線可觀察射孔瞬間壓力、溫度及加速度的變化。詳細(xì)曲線如圖6所示。

圖6 第一次試驗(yàn)射孔瞬間數(shù)據(jù)記錄

時(shí)間軸顯示為秒級(jí)，第1部分時(shí)間軸為157 100 s，第2部分時(shí)間軸為157 108 s，前后相差時(shí)間為8 s。其中第1部分為射孔彈引爆瞬間產(chǎn)生的壓力波動(dòng)及震動(dòng)，第二部分為復(fù)合火藥緩燃后對(duì)孔道進(jìn)行二次改造。

射孔瞬間加速度變化值從-5 852.46 m/s2(-597.19 g)到6 077.374 m/s2(620.13 g)；峰值壓力達(dá)到56.88 MPa，120 ms后復(fù)合火藥中高燃速火藥進(jìn)行作用，將井筒壓力提升至36.41 MPa。11 s后復(fù)合火藥中低燃速火藥起作用，燃燒過(guò)程加速度值-2 256.94 m/s2(-230.3 g)到3 433.724 m/s2(350.38 g)；峰值壓力達(dá)到26.9 MPa。

射孔前的壓力為8.58 MPa，此時(shí)壓力值為靜液柱壓力。射孔后的壓力為7.12 MPa，此時(shí)壓力值同樣為靜液柱壓力。前后壓力差為1.46 MPa。說(shuō)明射孔后通道已打開(kāi)且溝通良好，地層壓力恢復(fù)良好，井筒內(nèi)壓井液少量進(jìn)入地層。

4.3 第二次試驗(yàn)整體下井過(guò)程數(shù)據(jù)分析

利用高速壓力計(jì)完成射孔瞬間的加速度、壓力及溫度的檢測(cè)。記錄數(shù)據(jù)完整，如圖7所示。過(guò)程如第一次試驗(yàn)整體下井過(guò)程數(shù)據(jù)分析中的6個(gè)階段。

圖7 第二次試驗(yàn)完整射孔過(guò)程數(shù)據(jù)圖

4.4 第二次試驗(yàn)射孔瞬間曲線分析

將時(shí)間軸拉伸，放大射孔瞬間曲線，通過(guò)曲線可觀察射孔瞬間壓力、溫度及加速度的變化，詳細(xì)曲線如圖8所示。

圖8 第二次試驗(yàn)射孔瞬間數(shù)據(jù)記錄

時(shí)間軸顯示為秒級(jí)，第1部分時(shí)間軸為106 010 s，第2部分時(shí)間軸為106 023 s，前后相差時(shí)間為13 s。其中第1部分為射孔彈引爆瞬間產(chǎn)生的壓力波動(dòng)及震動(dòng)，第2部分為復(fù)合火藥緩燃后對(duì)孔道進(jìn)行二次改造。

射孔瞬間加速度變化值-5 368.538 m/s2(-547.81 g)到4 795.924 m/s2(489.38 g)；峰值壓力達(dá)到58.73 MPa，120 ms后復(fù)合火藥中高燃速火藥進(jìn)行作用，將井筒壓力提升至49.96 MPa。12 s后復(fù)合火藥中低燃速火藥起作用，燃燒過(guò)程加速度變化值-2 321.424 m/s2(-236.88 g)到1 515.962 m/s2(154.69 g)；峰值壓力達(dá)到15.73 MPa。

射孔前的壓力為7.89 MPa，此時(shí)壓力值為靜液柱壓力。射孔后的壓力為7.04 MPa，此時(shí)壓力值同樣為靜液柱壓力。前后壓力差為0.85 MPa。說(shuō)明射孔后通道已打開(kāi)且溝通良好，地層壓力恢復(fù)良好，井筒內(nèi)壓井液少量進(jìn)入地層。

4.5 數(shù)據(jù)分析結(jié)論

1)兩次射孔施工整體過(guò)程較為順利，射孔瞬間對(duì)管柱的瞬間沖擊加速度峰值分別為6 077.374 m/s2(620.13 g)和-5 368.538 m/s2(-547.81 g)，對(duì)油管沒(méi)有損傷。

2)射孔瞬間峰值壓力分別達(dá)到56.88 MPa和58.73 MPa，壓力控制合理，對(duì)套管未造成損傷。

3)對(duì)比射孔峰值壓力與復(fù)合火藥曲線，下口同地層壓力的井，可以適量增加復(fù)合火藥裝配量，增加射孔后復(fù)合火藥燃燒過(guò)程中的峰值壓力。以提升射孔后孔道的改善作用。

4)復(fù)合火藥的高低燃速火藥藥量，可以進(jìn)行微調(diào)，射孔后通道已打開(kāi)并溝通良好，井筒內(nèi)壓井液少量進(jìn)入地層，地層壓力恢復(fù)良好，滿足后續(xù)開(kāi)采的需求。

5)使用高速壓力計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)射孔工藝進(jìn)行了多次試驗(yàn)，試驗(yàn)表明測(cè)試數(shù)據(jù)完整，對(duì)射孔過(guò)程分析具有積極指導(dǎo)意義。

5 結(jié) 論

1)本文利用DMA邊采邊存技術(shù)、FIFO負(fù)延時(shí)技術(shù)以及電池低功耗管理等技術(shù)，將理論分析轉(zhuǎn)化為實(shí)際測(cè)試儀器，設(shè)計(jì)制造出適用于射孔工藝過(guò)程中數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的高速壓力計(jì)。

2)本設(shè)計(jì)具有變頻采樣、高速采集、高速存儲(chǔ)、高可靠性、高抗震性及操作簡(jiǎn)單的技術(shù)特點(diǎn)。能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)射孔過(guò)程壓力溫度加速度的測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)完整。能夠?qū)ι淇仔ЧM(jìn)行有效評(píng)價(jià)。

3)本高速壓力計(jì)通過(guò)多次下井試驗(yàn)，驗(yàn)證了本儀器能夠滿足高速壓力計(jì)的設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)射孔全過(guò)程的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)射孔工藝。

4)通過(guò)此高速壓力計(jì)的測(cè)試數(shù)據(jù)可以判定射孔過(guò)程是否有效完成；可以判定射孔的效果，完善射孔工藝；可以根據(jù)射孔后恢復(fù)壓的測(cè)試，制定合理的開(kāi)采制度。