高温大容量井下存储式电子压力计的设计

图 4 测试仪工作模式判断流程
213 电池电压检测 为了防止电池电量不足造成测试仪下井后不工
作或工作时间过短, 设计了电池电压检测电路。其 做法是: 将电池电压接入单片机的模拟量输入端口 RC1, 经 A /D转换后, 由 单片机根 据电压值 的大 小, 改变输出 RC0高低电平的时长, 控制发光二 极管 ( DS1) 的闪烁频率, 以给出电量提示。
在存储器阵列中, 主器件是单片机, 从器件是
图 5 单片机与 24LC1025芯片连接原理图
8片存储芯片, 主、从器件 通过 I2C 总线相连接, 管注入压裂。井下测试仪装入托筒随压裂管柱下入 连接在总线上的每一片存储芯片都通过硬件连接方 至井深 1 822 m 测 试。测试 结束后, 读 取所 存数 式确定 1个唯一的地址编码。其具体实现方法是, 据, 由地面回放系统绘制实测曲线, 如图 6所示。 芯片能使管脚 A2接至高电平 ( V cc) , 地址编码管 脚 A1、 A0 分别 接至 高电平 ( Vcc) 或 低高 电平 ( GND ), 如果用 1或 0分别代表高、低电平, 则 1 对总线上级联 的 4 片存储芯片的地 址编码分别是 00、 01、 10、 11[ 5] 。
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2010年 第 38卷 第 2期
徐建宁等: 压裂用自主存储式电子压力计的设计
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现场测试试验。该井基本数据为: 井深 1 88210 m, 补心海拔 1 224109 m, 套补距 2174 m, 套管内径 124126 mm, 套管下深 1 881109 m, 预测油层压力 1511 MP a, 汽油比 8910 m3 / t。
* 基金项目: 中国石油天然气集团公司创新基金项目 / 井下监控测试 系统研究 0 ( 07E1014 ); 陕 西省自然科学基金研究计划资助项目 ( SJ08E216) 。
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石油机械
2010年 第 38卷 第 2期
2 基于 PIC18FXXX 单片机的井下测 试仪设计
P4端口, 当 5次读取中有 4次以上为高, 则判定 其为采样模式, 反之为通讯模式。程序流程如图 4 所示。
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211 井下测试仪总体设计 井下测试仪以 P IC18FXXX单片机为核心, 由信
号采集 /放大电路、存储器阵列及 / 供电 /通信 0 复 用接口等部分组成。测试仪结构原理如图 1所示。
图 1 井下测试仪结构原理
测试仪软件用 P IC 单片机 C 语言开发, 由采 样子程序与通讯子程序 2部分构成。采样子程序实 现循环采样, 周期保存。通讯子程序接受上位机指 令, 按指定要求分别 读取所存数据 并发送给上位 机, 接收上位机的设定参数以及在线标定等功能。 软件流程如图 2所示。
图 3 复用接口内部电气连接图
图 2 井下测试仪软件流程
212 / 供电 /通信 0 复用接口设计 井下测试 仪工作在高压环 境下, 外 形设计成
< 24 mm 的金属圆筒, 一端安装与介质相接触的压 力、温度传感器, 另一端为 / 供电 /通信 0 复用接 口。接口的内部电气连接设计如图 3 所示, 图 3a 为井下工作单电池供电接口, 图 3b为地面工作计 算机 RS232 /USB 接口。图 3a、图 3b中接口左端设 计相同, 均与单片机相连。图 3a 中测试仪在井下 工作, 右端连接电池, 其中 P4管脚连接电池正极。 图 3b为地面工作, 右端连接计算机的 RS232 /USB 接口, P4管脚连接 RS232∕ USB接口的地。单片 机通过判断 P4管脚所接电平的高低, 以确定井下 测试仪所处的工作模 式。由于刚加 电时信号不稳 定, 故延时 10 s。为防止误判, 采用多次重复读取
[ 2] 周 静, 刘塞立, 强 琳 1 井下存储 式电子 压力计 的软件设 计 [ J] 1 测 井技 术, 1994, 18 ( 4): 281 - 2871
[ 3] 张立明 1 人 工神 经网 络的模 型及 其应用 [ M ] 1 上 海: 复旦大学出版社, 1992: 34- 411
[ 4] 梁常 保, 侯哲 国, 王映 辉 1 利 用 BP 神经 网络 建立 地 层 压 力 模 型 [ J] 1 国 外 测 井 技 术, 1996, 11 ( 3): 69- 741
( 3) 系统可方便地实现 与射孔、压裂、射流 泵速排等工艺 的多联作作业, 与其他管柱 连接方 便, 下井、起出管柱无挂、卡现象, 可实现起一趟 管柱完成多项任务。
参 考文献
[ 1] 王树生 1 存储式电子压力计的研制 [ J] 1 油气田地 面工程, 2001, 20 ( 4): 47- 521
第一作者简介: 徐建宁, 教授, 生于 1963年, 1995年 获西北工业大学硕士 学位, 主要 从事石 油机械 的科 研和教 学工 作。 地 址: ( 710065 ) 陕 西 省 西 安 市。 电 话: ( 029 ) 8 83 826 16。
国内外对存储式电子压力计进行了大量研究, 国外研发的产品规格型号众多, 部分产品具有精度 高, 测 试 温 度、压 力 范 围 广, 存 储 容 量 大 等 特 点 [ 2] 。国内也进行了 相关产品 的设计研 究, 但存 储容量较小 [ 3- 4 ] , 故需要研制满足井下高温、高压
工作环境的大容量存储式电子压力计。
1 高温大容量井下存储式电子压力计 设计要求
高温大容量井下存储式电子压力计由上位计算 机、井下测试仪 2个相对独立的部分组成。上位计 算机完成井下测试仪标定, 初始参数设置, 数据回 放、打印、绘图等功能。井下测试仪以单片机为核 心, 随压裂管柱一同下井工作, 对压裂过程中的井 下温度、压力等参数进行检测、存储, 然后随压裂 管柱起出, 由上位计算机读取所存数据。
2010年 第 38卷 第 2期 # 设计计算 !
石油 机械 CH INA PETROLEUM M ACH INERY
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高温大容量井下存储式电子压力计的设计*
张 琦 汪跃龙 汤 楠
(西安石油大学陕西省钻机控制重点实 验室 )
摘要 存储式压力计下井后工作方式不能改变, 压裂作业常常与作业计划不一致, 如果井下 测试仪器存储容量不足, 容易使希望记录和保存的压裂施工时间段的井下压力、温度等数据不完 整, 为此设计了高温大容量井下存储式电子压力计。该压力计由上位计算机、井下测试仪 2个相 对独立的部分组成, 上位计算机完成井下测试仪标定、初始参数设置等, 井下测试仪以单片机为 核心, 由信号采集 /放大电路、存储器阵列及 / 供电 /通信 0 复用接口等组成, 对压裂过程中的井 下温度、压力等参数进行检测、存储。实验室条件下耐高温测试表明, 该仪器最高耐温达到 120 e 。长庆油田庄 161- 47井的压裂测试记录表明该电子压力计井下工作正常。
关键词 压裂作业 井下测试 电子压力计 存储器阵列
0引 言
压裂作业 是开发低渗透油气藏重要的增产措 施。压裂作业过程中井下压力、温度参数的测试记 录是评定压裂作业效果、分析油井产能及改进压裂 作业工艺的重要依据, 一般采用存储式电子压力计 完成压裂作业过程井 下参数的测试及 记录 [ 1] 。现 有的存储式电子压力计采用地面预设采样和存储模 式工作, 即按压裂作业计划时间来设定压力计在指 定时间段以指定的存储周期采样并保存测量数据, 一旦仪器下井就不能更改其工作方式。在实际应用 中, 由于作业条件及环境等因素的制约, 压裂作业 常常与作业计划不一致, 如果井下测试仪器存储容 量不足, 则容易使希望记录和保存的压裂施工时间 段的井下压力、温度等数据, 要么落在长周期采样 时间段, 导致有效数据记录不全; 要么是存储器已 经写满, 没有保存到数据。
图 6 实测压力、温度曲线
由实测曲线可得最高压力 32 M Pa, 最高温度 为 57 e , 所得的井下压力测试记录与参考压力计 的记录一致。
5 结束语
笔者给出了新型高温大容量井下存储式电子压 力计的设计方案。该压力计以 P IC18FXXX 单片机 为核心, 采用支持串行 I2C 总线的 24LC1025存储 芯片 构成 存 储器 阵 列 , 使 其 存储 容 量 达到 8M b,
井下测试仪有 2种工作模式, 即井下工作模式 和地面工作模式。
处于井下工作模式时, 井下测试仪的压力、温 度传感器检测 到压力、温度 信号, 经过滤 波放大 后, 由单片机控制进行采样保存。处于地面工作模 式时, 井下测试仪将所存数据经过串口传送给上位 计算机, 由上位计算机对其进行回放, 或由上位计 算机对其进行初始设定和参数标定。综合考虑工作 环境及数据采集要求, 井下测试仪的主要设计参数 确定为最高耐压 125 M Pa, 最高工作温度 125 e , 存储容量 8 M b ( 可扩展至 16M b) 。
5结 论
( 1) 室内试验和 现场试验表明, 将人工神经
网络技术融入井下仪器, 使井下仪器自主识别压裂 作业过程, 能保证在实际压裂作业时间段实行加密 采样、存 储, 确 保采 集 和存 储的 数据 能 / 采 全、 录准 0。
( 2) 系统工 作 可靠, 使 用简 便, 重复 性 好, 精度高, 满足了压裂作业环境下的井下测试要求。
仪器提出地面后, 由回放系统得到压裂作业过 程实测数据与曲线, 如图 5所示。
图 5 庄 161- 47井 压裂作业曲线
图 5中红色曲线表示在下井及压裂过程中温度 随时间的变化过程; 蓝色曲线表示在下井及压裂过 程中压力随时间的变化过程及地层的破裂压力, 在 5 650 m in蓝色曲线突起, 表明地层最高破裂压力 为 29M Pa。现场试验表明, 该电子压力计采样精 度高, 工作可靠, 存储量满足要求, 满足压裂作业 环境下的井下测试要求。
表 1 温度测试数据
e
参考温度 60 70 80 90 100 110 120
实测温度 591 28 701 56 791 66 901 08 991 64 109182 120113 测量误差 - 0172 01 56 - 01 34 01 08 - 01 36 - 01 18 0113
随后, 在长庆油田庄 161- 47井上对电子压力 计进行了井下实测试验。该井完 钻井深 1 882 m, 射孔井段 1 818~ 1 832 m, 压裂方式采用双上封油
4 现场测试试验
软硬件调试结束后, 在实验室条件下, 利用真
空干燥箱对井下测试 仪进行升温、保温和记录测
试, 各测试点的保温时间均为 20 m in, 所得测试数
据如表 1所示。测试结果表明, 仪器在 120 e 高温 下能 长时 间 正常 工 作, 最大 测 量 误差 绝 对 值为
0172 e 。
范围宽、工作温度达 125 e 等特点, 可作为井下测 试仪的存储芯片。 312 存储器阵列设计
24LC1025芯片的单片存储容量为 1 024 kb, 1 对 I2C 总线上可级联 4片。为使井下测试仪的总存 储容量达到 8 M b (可扩展至 16 M b) , 需要将 8片 存储芯片通过 2对 I2C 总线级联起来, 构成存储器 阵列, 连接原理如图 5所示。如果需要进一步扩大 存储容量, 可通过增加 I2 C总线对来实现。
3 大容量存储器阵列设计
311 存储芯片的选择 由于井下测试仪数据存储量大, 需要选择合适
2010年 第 38卷 第 2期
张 琦等: 高温大容量井下存储式电子压力计的设计
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的存储介质。常用的永久性存储介质有磁盘、 EEPROM、 F lash芯片、 NVRAM 等。井下工作空间狭 小, 硬盘无法安装, 而满足耐温性能的 F lash 芯片 又难以 找到, 因此选 择 EEPROM 作为 存储 介质。 EEPROM 可分 为并行、串 行 2 类, 并行 芯片管脚 多, 占用空间大, 而串行 I2 C总线结构简单, 只用 2条总线 ( 1条串行数据线 SDA、 1 条串行时钟线 SCL ) 即可实现 EEPROM 与单片机的双 向数据传 输。M icroch ip 公司 的 24LC1025 串 行 EEPROM 具 有传输速率高、低功耗、可百万次擦写、工作电压