随钻地层压力测量装置测量控制系统的设计

叶万聪 胡 泽 张 淳

(西南石油大学电气信息学院1，四川 成都 610500;中国石油集团工程设计有限责任公司新疆石油勘察设计研究院2，新疆 克拉玛依 834000)

0 引言

地层压力测量的常用测试方法有电缆地层测试(FMT/RFT/WFT)或钻杆地层测试(DST)，此类测试方法存在耗时久、工具下入困难、作业费用较高等缺点［1－2］。随着钻地层压力测试工具的不断出现，使得钻井工艺和钻、完井作业得到优化［3］。目前，国内有关这方面的研究还处于探索阶段。因此，研发随钻地层压力测试工具具有深远的意义［4－5］。

本文详细地阐述了基于双AVR的随钻地层压力测量装置测量控制系统。该系统能在井下高温和强干扰的环境下实现环空压力和地层压力数据的采集、分析、传输和存储，同时精确控制井下电磁阀，确保随钻地层压力测量装置的顺利工作。同时，设计制作了相应的测量控制系统，并成功运用在地层压力测试模拟试验中。

1 系统设计

1.1 设计技术指标

系统设计技术指标为:最大耐压70 MPa、最高工作温度125℃、短节上安装有1个温度传感器和2个地层压力传感器用于测量环空压力和管柱压力、压力传感器分辨率为±0.1 MPa、温度传感器测量分辨率为±0.05 K、地层压力测试时间≤5 min、连续无故障工作时间不小于240 h，期间测量次数不少于30次。

1.2 系统总体设计

系统需要采集两路压力信号、温度数据和控制6个电磁阀。其中，两路压力信号为内压和抽吸缸内压力，6路电磁阀分为两路分流器阀、两路换向阀、两路抽吸阀。本文基于这些功能设计了系统的整体方案。系统有两个独立的CPU，分别用于数据的采集、处理和电磁阀的精确控制。系统模块主要包括电源模块、信号调理、传输存储、光电隔离、整流稳压、随钻测量(measure while drilling，MWD)接口、看门狗电源监视、时钟电路、驱动电路等部分。

使用时，测量控制系统安装在井下钻柱的一个短节内用于随钻测量。短节内部需要留有钻井液的循环空间，系统只能安装在钻柱内径与外径之间，同时又要满足短节的抗压能力，剩下的安装空间非常有限。采用单CPU方式，单位外围密度大，增加了单位体积和CPU的处理负担;采用双CPU方式，将采集和控制分开，能很好地将系统分散安装，增加了系统的抗干扰性能，同时也提高了控制精确度与装置的整体性能，简化了软件设计。

系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图Fig.1 Systematic diagram of the system

2 系统核心硬件电路设计

2.1 主从CPU电路

主从CPU均采用高性能、低功耗的ATmega8芯片。该芯片自带8路10位ADC、SPI总线、双线串行接口(two-wire serial interface，TWI)总线等，丰富的内部资源减小了系统的体积，方便了系统设计。主从机之间依靠TWI总线连接，在钻柱之内只需双线就能实现连接，从而能方便地将主从机分开安装。主机负责压力数据的采集、存储、传输，并分析采集到的内压数据，判断是否接收到井口下传指令。从机主要负责电磁阀的精确工作，保证探头能在测量时顺利伸出与收回。

2.2 电源模块

随钻地层压力测量装置有井下涡轮发电机与电池两种供电方式。光电隔离技术隔离了两个电源系统电气方面的联系以及控制板大电流、大电压的突变对采集板微弱信号的干扰，保持了控制信号的联系，使系统更加稳定可靠［6］。

传统的随钻测量工具采用锂电池供电，不能实现大功率长时间供电。井下涡轮发电机依靠泥浆的循环来驱动涡轮，带动发电机发电［7］，是随钻地层压力测试装置的理想电源。备用锂电池用于控制核心电路，冗余设计保证了在井下涡轮发电机失效时探头能正常收回，以免对仪器造成破坏［8］。

2.3 电源监视电路

为了使装置能够可靠稳定地工作，系统使用了外部硬件看门狗监控芯片MAX706。当系统在井下受到强烈的外部干扰、出现程序“跑飞”或者死机时，外部看门狗电路能使系统自动复位并重新开始运行［9］。

2.4 信号调理电路

井下压力的测量采用离子溅射式薄膜压力传感器CYB-15S。该传感器膜片上制作有惠更斯电桥的合金薄膜变电阻。其工作原理如下:井下压力经过油腔作用于耐腐蚀的不锈钢膜片上，膜片产生形变，电桥输出相应的毫伏级差分电压信号［10］。

仪表放大方式是差分信号放大的理想选择，能在噪声以及含有大共模信号的条件下保持极高的直流准确度和增益精度。井下环境温度变化大，很容易引起严重的温度漂移。因此，应选用高性能的低失调电压、低漂移、低噪声的精密放大器，本文选用斩波稳零型运放AD8554。AD8554斩波稳零运放具有轨到轨输入和输出能力，采用单电源供电，失调电压和输入电压温漂很小，内部集成了四路运算放大器。采用AD8554组合成的三仪表放大电路既能很好地抑制共模信号，又能满足低失调电压和温漂性能［11］。信号调理电路如图2所示。

图2 信号调理电路Fig.2 Signal conditioning circuit

2.5 数据存储电路

存储芯片选用ATMEL公司的AT45DB321D大容量串行Flash数据存储器。其具有速度快、功耗低、密度高等优点，支持单电源供电和高速SPI串行接口，硬件连接少。单片芯片的容量为32 MB，极大地提高了整个系统的密度。将两块存储芯片经过线译码并联，可扩展存储容量。数据存储电路如图3所示。

图3 数据存储电路Fig.3 Data storage circuit

2.6 MWD 接口电路

随钻测量过程中的数据依靠泥浆脉冲器将数据转换为压力脉冲信号，通过钻杆内的钻进液(泥浆)传到地面。系统与泥浆脉冲器的接口为RS-232接口，因此采用MAX3232串口通信芯片，并采用3.3V低电压供电，使系统具有更低的功耗。MWD接口电路如图4所示。

图4MWD接口电路Fig.4 MWD interface circuit

3 系统软件设计

系统软件包括下位机两CPU的测试控制程序与PC机的上位机软件，下位机软件的主要功能包括数据的采集、处理与分析，数据存储、通信等功能。上位机软件采用的是C#编写，能实时接收井底传送的数据，分析井底仪器工作状态，使工作人员能准确地监测和了解地层压力。

4 随钻地层压力测量装置试验

4.1 井口下传指令数据

随钻地层压力测量装置接收到地面发送的下传指令后开始工作，此指令依靠对泵的开闭来实现。

在钻井过程中，关闭泥浆泵能使井底环空压力产生三个负脉冲，这三个脉冲的宽度和频率决定于对泵的关闭时间和关闭间隔。试验表明，井口排量的变化量达到5 L/s，环空压力的变化可达1 MPa。在随钻过程中测量模块监测环空压力的变化，如果监测数据连续出现三个负脉冲，则确认为井口下传的开始工作指令每个负脉冲的宽度为5～10 s，周期为20～30 s，压差大于2 MPa。指令具体格式可以根据现场情况改变。采集到的数据经过软件滤波后再做严格判断，避免干扰而引起的误动作。

井口下传指令数据如图5所示。

图5 井口下传指令数据Fig.5 The command data downloaded from wellhead

4.2 地层压力记录数据

系统接收到经严格判断的井口下传指令后开始测量工作，控制仪器侧面伸出一个密封探头紧贴井壁，内部抽吸缸开始抽吸，抽吸时间决定了抽吸量。抽取一定体积的地层流体，从而引起地层压力下降，这一压降以近似于球面的形式向外传播。压降结束后，地层流体中未被扰动的部分又向低压区流动，直至压力恢复到原始地层压力。在这一过程中，系统将全程记录地层压力和时间的函数曲线。系统记录的压力曲线如图6所示。由测试记录的压降大小和不同时间记录的恢复压力形成地层渗透率的函数，因此根据压力降和压力恢复数据均可估算地层渗透率。

图6 地层压力记录曲线Fig.6 The logging curve of formation pressure

5 结束语

本文设计了一种基于双CPU的地层压力测量装置的测量控制系统。该系统可以控制地层压力测试装置在钻井过程中利用短暂的暂停测得地层压力数据。双CPU方式保证了系统顺利安装在井下测量短节的狭小空间内，同时也使测量和控制更加精确。试验数据表明，该系统能够准确判断井口下传指令和精确控制电磁阀工作，从而满足测量装置的工作流程。系统的设计完全能满足井下安装的体积要求。采用两种供电方式，解决了井下大功率供电的问题，保证了系统的可靠性。

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