井下压力接收装置的电路设计应用*

张玺亮 马认琦 李汉兴 陈红新

1.中海油能源发展股份有限公司监督监理技术分公司（天津塘沽300452）

2.中海石油研究总院（北京100025）

井下压力接收装置的电路设计应用*

张玺亮1马认琦1李汉兴2陈红新2

1.中海油能源发展股份有限公司监督监理技术分公司（天津塘沽300452）

2.中海石油研究总院（北京100025）

井下压力接收装置是为研究钻井液负脉冲在下传过程中衰减和抗干扰能力的一种装置，分析了装置的电路设计，介绍了它的基本原理和元器件的选择，并针对脉冲信号干扰影响性较大的井深、信号传递方式、泵压、脉冲信号的振幅等主要因素，进行了钻井循环作业下的井下试验压力数据采集现场应用。

压力信号信号下传数据采集

旋转导向钻井技术作为自动化较高的钻井技术，正逐步在钻井现场推广，其核心技术是钻具在旋转过程中，可以自动实现井下闭环轨迹导向钻井，国内的学者进行了相关的调研及研究工作[1,2]，主要包括地面监控系统、地面指令下传系统、井下工具系统、井下测量系统、数据上传系统及井下闭环短程通讯系统等部分组成，作为及时调整井眼轨迹的地面指令下传系统是旋转导向钻井技术的关键技术之一[3]。应用于地面与井下通讯的信息传输方式，主要有4种：钻井液脉冲、绝缘导线、电磁波和声波[4]。其中电磁波和声波的传输速度最快，由于信号衰减严重[5]，受环境干扰较大，不易接收及检测，只能应用于浅层油气井，技术没有得到推广；绝缘导线传输方式安全可靠，需要特殊的钻具，不适于导向钻井系统推广。钻井液脉冲方式对钻井工艺无特殊要求和限制，在钻井液中产生正脉冲作为井下数据上传的方式，已经得到广泛使用。利用钻井液的负脉冲将地面指令下传，受井深、循环压力以及衰减速率的影响，在不改变钻井液循环携砂环境下，安全可靠的将指令下传，是旋转导向技术需要解决的关键技术。

1 井下压力接收装置

井下压力接收装置是为研究钻井液负脉冲在下传过程中衰减和抗干扰能力的一种装置，通过大量的实验数据分析，安装在井下钻头附近压力接收装置通过压力传感器接收、储存器记录并存储井底钻井液的压力变化，到地面读取数据后，经过信号过滤软件系统对压力信号进行分析过滤，直观地显示出下传指令波形，从而优选针对井深、循环压力等各种工况变化下，指令下传参数的最佳方案，提高指令下传的安全性和可靠性。

1.1 电路设计

井下压力接收装置的电路(如图1所示)包括压力传感器、信号放大电路、A/D转换单元、单片机控制和处理单元、存储单元、时钟和复位单元、串口通讯单元以及供电单元组成[5]。

其中压力传感器电路由压力传感器IC1构成，A/D转换芯片IC2和电压参考源IC3组成A/D转换电路。IC4是单片机控制和处理单元，IC5双端口存储芯片是存储单元。通讯单元由RS232芯片IC6构成。

压力传感器IC1接收来自钻井液中的压力信号并将压力信号转换成PV+和PV-两端的电压信号，PV+和PV-两端的电压信号经由信号放大电路放大后传送到A/D转换芯片IC2的模拟信号输入端AINP1和AINN1。5V稳定基准电压源IC3接IC2的REFP和REFN端，为A/D转换芯片IC2提供稳定参考电压。单片机IC4控制A/D转换芯片IC2采样。单片机IC4将从芯片A/D转换芯片IC2采样所得压力信号进行存储。芯片IC6为单片机提供通讯接口。

1.2 元器件的选取

针对钻井环境中井底温度高、钻柱振动频率高等特点。装置的电路设计和电子元器件的选取，遵循耐高温、抗振动、抗电磁干扰、高可靠性的原则。

1.2.1 电源芯片的选择

钻井时的工作温度为-40～125℃的范围，电源芯片选择TPS76750Q和TPS76633D，分别提供稳定的5V和3.3V电压，输入电压范围广，输出电压稳定纹波小，同时可以满足井下功耗低的特点。

1.2.2 压力传感器的选择

钻井循环是一种有杂质和固体颗粒的钻井液，而传感器的压力敏感面上一旦有杂质或沉积物，将检测不到井下的压力脉冲或压力变化。因此选择CYB-15ST型传感器，可在高温、高压环境下抗振动和抗冲正常工作。其具体技术参数如下：

量程：0～60MPa；

精度：±0.1%满量程；

零点温度：±0.01%，满量程/℃；

绝缘电阻:≥1 000MΩ(250V DC)。

1.2.3 A/D转换芯片的选择

井下压力检测要求分辨率为0.1MPa，满量程为40MPa，而8位的A/D不满足要求，有漂移，即低位数据是不可靠的，所以选择高分辨率的ADS1225 A/D，具有较高的转换精度，多达24位。同时满足低功耗，工作温度在-55～125℃的技术要求。

1.2.4 时钟芯片的选择

井下压力接收装置采取每记录1个数据的同时也记录时间，存数据回放时能提供日、时、分、秒等信息，与记录的压力值一一对应。因此时钟芯片选择了是一个带有时钟、日历、CPU监控和两路报警的实时时钟X1228。

2 压力接收装置的标定与校时

在压力接收装置入井使用之前，受电器元件性能和采集电路各项参数的影响，需要对压力传感器进行标定。

（1）将压力传感器与电路连接好后启动压力采集程序。

（2）给传感器等间隔逐步加压，每次压力增加后都稳定一段时间。比如0～30MPa，从0开始每增加1MPa后稳定一段时间，直到压力值增加到30 MPa。

（3）将压力采集程序得到的A/D转换值提取到excel文件中，并换算成十进制数。

（4）取每阶段压力稳定后的多个数值，求这多个数值的平均值作为这个阶段标准表压力值对应的A/D转换的结果。

（5）建立标准表压力值x和A/D转换结果y的数学关系，y=ax+b。用最小均方误差原则求出a，b的估计值。

（6）根据步骤5的结果求出反函数x=cy+d，将这个公式作为采样值换算成压力值的公式。

通过运行的上位机软件与单片机的串口通道连接，在极短的时间里（ms级）上位机软件读取计算机时钟芯片的时间并将读取的时间通过串口发给单片机，单片机将收到的时间发给电路板上的时钟芯片，时钟芯片最终会按照上位机的时间开始新的起始时间计时。

3 井下压力数据的采集

在钻井液负脉冲下传过程中，对脉冲信号干扰影响性较大的主要因素有井深、信号传递方式、泵压、脉冲信号的振幅等等。针对上述因素，通过改变泵压，调节节流阀开度，改变数据采集实验装置下井深度，改变信号下传指令周期、间隔的方式进行实验验证。试验中，分别在500m、1 000m、1 500m和2 000m的不同井深情况下，地面下传装置的旁通阀阀门的4种不同开度分别为10、18、22、26，（最大开度为44），泵压分别采用6MPa、8MPa、10MPa、12 MPa，以及指令周期分别为5s、8s、10s、12s。由此进行钻井正常循环过程，实现控制地面指令信息的下传周期及间隔，并在地面通过改变井下钻井液流量的变化量而变化的井底压力，这时压力传感器会检测到这个压力脉冲信号并存储。

井深500m、泵压6MPa、地面下传信息装置旁通阀的开度分别采用14，18，22（最大开度为44）和地面发送指令周期为5s、8s、10s、12s等不同旁通开度、指令宽度情况下的井下压力数据采集试验，以此举例说明。图2中3个压力台阶对应的是地面泥浆泵的不同的压力情况，每一组压力曲线分别为4种不同的指令宽度。下传压力接收装置中的电路采集到的压力，其准确地接收了地面压力信号。从中可以得出以下实验结论：

（1）在指令周期为5s时，压力曲线不够明显，12s时曲线清晰、明显，但指令时间较长，应考虑钻井现场的具体情况。

（2）当开度为18时，得出的曲线较为准确，基本与实验时现场记录数据吻合。

（3）随着井深的增加，信号的衰减速度尤其增强。

4 结论

本文所描述的井下压力接收装置能够准确及时的记录并储存井下压力变化情况，电路的设计简单实用，可以满足钻井作业的井下施工工况。由此装置采集的钻井液压力脉冲变化趋势，为旋转导向钻井技术的地面指令下传方式的研究，以及如何提高下传指令的安全可靠性和抗干扰能力，提供了有效分析数据和依据。

[1]姜伟.旋转导向钻井偏心稳定器横向震动研究[J].中国海上油气，2006，18(5):330-333.

[2]蒋世全，姜伟，傅鑫生，等.旋转导向钻井技术研究进展[C]//第六届全国石油钻井院所长会议论文集.北京：石油工业出版社，2006：176-182.

[3]阎文辉，彭勇，张邵槐.旋转导向钻井工具的研制原理[J].石油学报，2005，26(5)：94-97.

[4]刘修缮,苏义脑.井眼轨迹闭环控制系统的信号下传技术[J].钻井工艺2000,23(1):1.

[5]肖仕红，梁政.旋转导向钻井技术发展现状及展望[J].石油机械.2006，34(4)：67.

Downhole pressure receiver is one device to study the attenuation and the anti-jamming capability of negative pulse about drilling fluid in the process of passingdownward.Based on the analysis of circuit design about the device,the paper introduces the basic principle and the selection of components.Meanwhile,according to some main factors affecting pulse signals greatly,such as the well depth,the way of signal transfer,the pump pressure,and the pulse amplitude,the circuit design of this device has been applied to the data collection of downhole pressure test on the spot under the condition of drilling recycling operation

pressure signal,transferring signals downward;data collection

2010-10-22▎

*国家高技术研究发展专项经费资助,2007AA090801

张玺亮（1984-），男，助理工程师，现在主要从事旋转导向研究工作。