一种井下管柱载荷测试方案

一种井下管柱载荷测试方案

提出了一种基于电桥应变片结构测量油井管柱拉压载荷的方案。通过电阻应变式传感器检测井下管柱封隔器的应变力来测试其载荷大小。井下数据采集模块采集的数据经控制芯片存储于SD卡中，测试完毕后测试短接随管柱一起出井，用地面PC机读取SD卡中数据，即可对历史数据进行分析。此方案具有存储式，便携式，测试数据量大的优点，对油井封隔器管柱失效问题的解决提供了实测载荷数据的可行方法。

标签：存储式；载荷测试；封隔器

引言

大庆油田经过多年的分层开采后，油田已进入中后期的发展，油井管柱在井下的工作情况越来越恶劣，油井分层开采，层间矛盾不断加剧，油层含水量不断上升，致使采油过程中油井封隔器分层难度越来越难，封隔器管柱失效问题日益突出[1]，基于以上情况，文章提出油井管柱封隔器载荷实测试方案，具有一定的研究价值。

1 测试方案总体设计

方案总体为地面部分与井下部分。地面部分就是对SD存储卡中数据进行解析处理，用MATLAB等软件通过编程进行辅助分析，将数据用表格、坐标图等形式进行可视化处理，直观地给现场施工进行有效指导。井下部分包括与管柱连接的测试短接，传感器应变片全桥电路，信号放大、滤波调理电路，数据存储模块电路，电源管理模块电路六部分。测量单元独立成套，可安置在油井管柱的不同位置。方案设计框图如图1。

2 技术参数

此方案中最关键的部分是载荷测试应变筒，由现场井下工作情况确定载荷测试的技术指标：应变筒轴向拉压承重范围-300kN～300kN，测试精度5%F.S，工作温度范围-20～120℃，工作最高耐压30Mpa，电源采用大容量、耐高温磷酸铁锂充电电池，设计采样率每秒2个点，连续工作时间为90天。

3 系统设计

3.1 应变片传感器

应变式传感器与其他类型传感器相比具有以下特点：测量范围广，精度高，传感器输出特性的线性度好，工作性能稳定，而且经济实用，能在恶劣环境下工作[2]，但是在实际应用时必须对应变片横向效应引起的精度误差与温度漂移进行补偿。在本设计方案中，载荷测试构件要随油井管柱一起下井，安装在管柱与

封隔器的连接处，原理上主要承受油井管柱的自身重力，管柱内外液压差，还有井下液体的浮力，井下高温以及摩擦阻力等带来的轴向拉压力[3]。油井管柱在轴向上的受力最大，产生的应变力也最大，所以要在测试构件的应变筒轴向特定部位布设测力应变片，横向特定部位布设温度补偿应变片组成全桥直流电路，测试信号输出送入信号放大调理电路。

3.2 信号调理电路设计

应变力信号由传感器转换为电信号，要经过信号调理、A/D转换电路后送入微处理器进行存储。由应变电桥输出信号的特征确定，需要一款低噪声、高精度、高共模抑制比、低漂移的仪表放大器。采用美国ADI公司的一款经典仪表放大器AD620，性能高于三运放分立仪表放大器，特别适合采用低电压供电的大电阻压力传感器，尤其对处理惠斯登电桥输出信号具有很理想的效果。外围电路简单，方便快捷地通过外接一个电阻即可设置增益，另外低成本，低功耗，高精度的性价比也非常适合野外便携式仪器的使用。信号放大电路图如图2。

图中电桥输出差分信号送入AD620的信号输入端，其中C1、C2为滤波电容，R7为设置增益电阻，为了AD620能发挥更好的性能，采用双电源供电模式，AD620的第四管脚接负电源，在此处采用一款负电源芯片ICL7600S为AD620提供负电源。

3.3 数据存储模块设计

为了实现数据的快速采集和存储，用USB118模块进行数据采集和存储，USB118系列嵌入式SD卡读写模块可以嵌入用户的数据采集系统中，从而实现数据的海量存储，USB2.0接口的高速数据传输是通过DMA方式体现的，USB2.0的接口最大速率为480Mbit/sec，理论字节速度为48Mbyte/Sec。通过用目前双核电脑测试，USB20D模块的DMA有效传输速度可以达到35Mbyte/Sec。

3.4 电源管理模块

便携式仪器使用内置电池组，没有外面的供电电源，故在设计系统电路时要尽可能地降低功耗，延长系统的工作时间，电源管理模块电路如图3所示。

采用上海如韵电子最新推出的一款高效率脉冲频率调制型（PFM）DC-DC 转换器CN5136，其最大输出电流能力可以达到500mA。CN5136内部集成有功率晶体管，大大减少了外部元器件的数目。它的输出电压可以通过外部电阻设置。片内高精度的电压基准源保证了输出电压的精度和低温度漂移。CN5136的工作电压范围在2.7V到6V，非常适合锂电池供电的应用。

4 结束语

文章对一种油井管柱封隔器载荷测试的方案做了介绍，存储式、便携式是本方案的特点，为油井封隔器管柱的失效问题的解决提供了一种现场实测数据的方

案。后期将继续推进本方案的研究工作，将进行样机制作，实验室测试以及下井测试，以此来验证管柱力学理论上分析的正确性，为现场工程提供数据分析支持，指导油田更安全、高效的生产。

参考文献

[1]葛亮，胡泽，付英军.一种存储式多参数测井系统的设计[J].传感器与微系统，2011（8）：150-152.

[2]樊尚春.传感器技术及应用（第2版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[3]赵晓伟，牛彩云，朱洪征，等.单封隔器抽油管柱受力变形分析[J].石油矿场机械，2011（12）：51-54.

作者简介：胡时（1993-），男，汉族，黑龙江大庆人，就读于东北石油大學电气工程及其自动化专业。