多分层试井仪基本原理以及井下电路中的DSP技术

中船重工第七一五研究所 胡德尧

中原石油勘探局地球物理测井公司 朱治理

多分层试井仪是一种新型的电缆式地层测试仪，通过它我们可以取得、地层产物、油层静压、渗透率等许多的井下及其附近地区的动态资料；为堵水、增产、分注、分采以及三次采油提供较为可靠的依据。

多分层试井仪是集合试井技术、地层测试、测井技术于一体，能够完成地层参数测试的仪器。在完井之后或钻井过程中，多分层测试仪通过对井下油气层进行测试，取得在动态环境下地层流体样本的地层压力、流速以及特性随着时间变化的数值。再经过对这些资料的处理得到地层平均有效渗透率、油气层大小、原始压力、平顶半径和油气所藏流体物的性质，从而及时对油气层进行准确的评估，得出其产能，并制定出合理的开发方案。地层测试仪经过不断的代换更新，其技术也越趋完善。

1.多分层试井仪的仪器组成及其试井原理

1.1 多分层试井仪井下部分的仪器组成

多分层试井仪的井下部分是由：电缆头、自然伽马仪、电子短节、上封隔器、磁定位器、液压装置、下封隔器、加重短节、进液器和测试短节等组成。井下电路部分的核心是TMS320F2812处理器，仪器坐封于射孔套管之上，分层式的对测试层进行试井。信号的采集、控制、传输和处理都是由DSP来完成的。

1.2 多分层试井仪的试井原理

测试时，试井仪到达预定深度的射孔后，液压装置会使得套管坐封和上下封隔离形成一个测试段。与测试段中的液体相连通的为测试射孔段的地层流体，而测试段以外的液体无法影响测试段中的液体。测试时，液压装置将促使测试室的容积从零逐渐增大，使得由测试套管孔眼进入的地层流体和测试段的液体进入测试室，形成一个很小的油层产生环境；测试出在其过程中压力的变化，并计算出地层渗透率和地层静态压力等动态参数。测试完之后，用液压装置推动活塞返回，使得测试室内的流体排空，然后用上面所述的方法，进行另外一层的测试。

2.TMS320F2812的特点

(1)支持JTAG边界扫描接口；

(2)高性能的32位CPU：高效的代码转换功能；哈佛总线结构；统一寻址模式；

(3)片上存储器：最多达128KB×16bit的ROM；最多达128KB×16bit的FLASH存储器；

(4)时钟和系统控制：看门狗定时模块；支持动态改变锁相环的倍频系数；片上振荡器；

(5)外设中断扩展模块(PIE)支持45个外设中断；

(6)三个外部中断；

(7)串口通信外设：多通道缓冲串口；两个UART接1：2模块(SCI)；同步串行外设接口(SPI)；

(8)12位模数转换模块：两个采样保持电路单／连续通道转换；可以使用两个事件管理器顺序触发8对模数转换；2×8通道复用输入接口；

(9)高达56个可配置通用目的I／O引脚。

3.多分层试井仪井下电路系统的结构

多分层试井仪井下电路系统主要是由：电源模块、模数转换和数据采集模块、通信模块和数据处理模块组成的。

3.1 电源模块

电源模块式为井下个运行模块提供电压的模块。其包括有：井下电磁阀的+50V电压，样品应变压力计的±15V直流电压，井下电机的+75V直流电压，自然伽马的+24V直流电压以及泵压传感器和石英压力传感器的±12V直流电压，电机控制板的±5V直流电压等。

3.2 模数转换和数据采集模块

这一模块是经过泵压传感器、石英压力传感器和样品应变压力计来完成的。主要是将传感器采集的电流信号经过转换，变成电压信号。然后用DSP将其转换结果在相应的单元中存储。

3.3 数据处理与控制模块

它主要是通过DSP来完成对模拟信号的数字化处理、电磁阀的控制以及井下各种信号的传输，井下电机的起、停和电机转速的控制以及串行信号的处理和存储等。

4.井下模拟信号处理和串行信号的仿真

4.1 模拟信号的DSP处理

弹性元件受到挤压的作用力之后，会在一定范围内产生形变。然后应变压力计经过测量弹性元件受力的作用后，变形的多少取得压力的数值。在测量弹性元件受力变形数值时，可以采用在弹性元件的表面贴附应变电阻金属丝，在弹性元件受到作用力变形的时候，应变电阻金属丝也将跟着一起变形。再通过应变电阻丝的形态的变化引起其电阻本身的变化，最后根据电阻的变化来计算出弹性元件所受压力的大小。应变压力计的特点是，拥有很高的固有频率，因此，能够非常快速的测量压力的变化。所以，只需要弹性元件在受力之后产生微笑的形变，应变压力计就能够测量出其压力的大小。

在多层试井仪的组件中，泵压传感器和样品压力传感器就是采用上面这种压力计。泵压传感器和样品压力传感器分别测量的是油气井中井中泵的压力以及所采集的样品的情况；所以，传感器所得到的数据的精确程度，直接影响着多分层试井仪是否能在井中的真实情况。应变压力变送器输出的电流信号一般在：20mA—40mA之间，由模数转换模块把这个电流信号转换成0V—3V的电压信号，而该电压信号为DSP的模数转换所需要的输入电压，DSP由程序对该压力信号进行采集处理。在温度相同的条件之下，不同的压力信号在DSP的模数转换后得到的相对误差和压力值。同时对上述的压力数据进行分析，如果经过DSP的A/D转换之后的电压数值的相对误差少于1%，那么它就满足了地层测试器的要求。

4.2 串口信号的仿真

石英压力传感器在多分层试井仪中最常采用的传感器，晶体压力计采用组装式石英谐振压力传感器，具灵敏度高、有体积小、使用方便、稳定性好等优点。在测量井下压力过程中，由于随着温度的变化温度也将跟着变化，由石英晶体制成敏感元件组装式石英谐振压力传感器在媒介压力的测量时，压力传感器的输出直接受到被测媒介温度变化的影响。这种变化是由石英自身固有的温度一频率特性所致，与石英晶体自身的切角和切型有关。

本次试验中选用了包括温度传感器和压力传感器的石英压力传感器，探测的过程中，它能够根据石英压力传感器在井中温度以及位置的不同，适时的调整石英压力传感器的输出，促使在同温的条件下压力的变化范围不会超过5‰。试验中石英压力传感器的输出信号格式为RS-232的串行信号。其中包括压力频率数据(P1、P2、P3)、数据头(96)、温度频率数据(T1、T2、T3)，还包括校验位(SS)和保留位(00)。根据所示的数据格式，分别可以得到温度频率值和压力频率，再根据石英压力传感器的标定数据查表可以得到实际的温度值和压力值。在同温的条件下用DSP对压力信号进行测量，所得到的压力的相对误差和得到的压力值，在室温条件下对压力计施以变压时所测的温度的相对误差和压力值。

5.小结

本文对多分层试井仪进行了介绍。多分层试井仪的井下电路采用DSP技术进行数据的采集和处理，对泵压传感器输出的模拟电压信号和样品压力传感器进行了A／D转换的仿真，结果表明，仿真结果满足实际要求，提高了多分层试井仪的系统精度。

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[5]张涛,秦彦斌,马建国,杨俊科.多分层试井仪零部件的室内及测试[J].石油化工设备,2011年01期.