射孔器腔内压力测试仪的高频动态补偿方法*

刘 超,裴东兴*,崔春生,靳 鸿

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)



射孔器腔内压力测试仪的高频动态补偿方法*

刘 超1,2,裴东兴1,2*,崔春生1,2,靳 鸿1,2

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

针对腔内压力测试仪无法测得一次压力脉冲的问题,提出了一种按希望指标高频动态数字补偿的方法,通过射孔器腔内压力测试仪的设计实例并在爆炸洞模拟膛压发生环境下进行试验验证,说明了本方法的有效性。分析了石油井下射孔器腔内压力信号的特性,通过高频动态补偿数字滤波系统的设计,从而达到在高温、高压、高冲击等恶劣环境下测得一次压力脉冲,为测试仪的优化设计提供可靠依据的目的。

模拟膛压;高频响应展宽;腔内压力

在射孔过程中射孔器腔内会产生两次压力脉冲,一次压力脉冲是一种对于腔内压力测试仪的抗冲击设计、频响设计以及传感器的选择的重要参数,二次脉冲是石油企业工程分析的重要参数。为了在高温、高压、高冲击等恶劣境中测得一次脉冲,为射孔器腔内压力测试仪的设计提供重要依据,延长射孔器枪内压力测试仪的使用寿命和降低高昂的成本实现信号的完整采集,保证动态测试精度,从实际应用需求出发,给出了系统频响展宽的总体设计方案和测试信号的技术指标。

在石油开采过程中普遍采用测试腔外环空压力,但是枪外环空压力不能直观反映射孔过程,为了更好评估射孔器,中北大学电子与动态测试国防重点实验室研究了一种能够直接测试枪内压力的测试系统——射孔器枪内压力测试仪。传感器的选择需要同时考虑到抗高压、抗冲击、抗高温[1],所以可选传感器的固有频率就受到限制,因此现有可选压电式压力传感器的高频响应余量不够,过高的一次脉冲导致测压系统使用一至两次之后即被射孔枪内高压打坏、动态测试精度[2-3]受到限制。

射孔器内爆炸和燃烧过程是一个极其复杂的过程,射孔弹爆炸后的能量一部分用于射流的动能,一部分用于外壳的膨胀变形和碎片的动能,另一部分用于爆轰产物的内能和空气冲击波的能量。射孔弹引爆后形成爆轰波,在强大的爆轰压力下,壳体膨胀变形,当壳体刚发生破裂时,爆轰气体产物瞬间绕到壳体外面以强冲击波的形式向周围传播。同时破片和高温高压气体等产物引燃了后续的压裂火药[4]。因此这个过程对于建立后续的爆炸燃烧环境具有非常重要的影响。

根据所查资料射孔器内试验的峰值压力测量结果,我们可以知道射孔时射孔器内压力在200 MPa到1 000 MPa之间[5],而一次脉冲压力能够达到1 000 MPa左右,频响是二次脉冲的2倍～2.5倍左右。

1 测试信号的技术指标

腔内一体式复合射孔器是通过导爆索将射孔弹按螺旋状连接起来,目前射孔器装弹密度一般为16 弹/m,普遍使用的102射孔器弹架直径d为62 mm,射孔弹相位相差90°,聚能弹和导爆索使用的炸药,一般为黑索金(RDX)、奥克托金(HMX)或太安(PETN),通过查资料可得:国内生产的炸药传爆速度为7 308 m/s～8 012 m/s[6]。

导爆索将射孔弹按螺旋状连接起来,目前常用的射孔弹相位相差90°,两个射孔弹间导爆索的长度L根据螺旋线式(1)算出,螺旋线连接示意图为图1所示。

(1)

图1 螺旋线连接示意图

图2 射孔弹剖面示意图(单位mm)

目前射孔器装弹密度一般为16弹/m,普遍使用的102射孔器弹架直径为62 mm,由图1两个射孔弹间导爆索长度约79.2 mm,可计算出相邻两发射孔弹引爆时间间隔为:

图2中A点为起爆点,B点为炸药燃烧完点,炸药爆轰A到B点的距离可以近似为40 mm,以爆轰波的传播速度为7 500 m/s,结合图中尺寸可以计算得出:单发射孔弹由导爆索点燃到爆轰完毕需要时间约为5.3 μs。工程上采样频率取实验数据频率的7倍～10倍[7],即要测试并分辨射孔弹爆炸时射孔器内压力快速变化过程,射孔器内部测试系统的采样频率应达到2 MHz。以上设计仅考虑二次脉冲压力的测量,为了能够测得一次脉冲,孔器内部测试系统的采样频率应达到5 MHz。

2 频响展宽的总体设计方案

将压电传感器膜片和压电元件构成的物理结构作为传感器高频动态补偿系统的前级压力捕获系统,动态补偿数字滤波器作为后级补偿输出系统。应用经典系统控制理论可得出结论:传感器高频动态补偿系统的频率响应函数由前级压力捕获系统和后级高频补偿系统的乘积得到。

2.1 传感器高频数字动态补偿系统建模

图3 高频动态补偿系统

我们可将高频动态补偿系统的设计问题描述为求解离散传递函数,使得[8-10]

(2)

综合上述,按希望的动态性能指标设计补偿滤波器的一般步骤如下:

(1)根据需要确定希望的性能指标；

图4 射孔器压力测试仪结构实物图

(2)由希望的性能指标求出希望的模型;选择传感器是要同时考虑到抗高压、抗高温、抗冲击,所以可选传感器的固有频率频率就受到限制,为保证动态测试精度,传感器固有频率应不低于被测压力信号谐波中最高频率,所以高频动态补偿系统的复数极点,按照阻尼比N=0.707(最佳阻尼比),固有频率ω0=600 kHz来确定。

传感器高频动态补偿系统理想动态模型为:G0(z-1)

(3)给定输入激励信号u(t),求希望的测量瞬态响应x(n)。

x(n)=G0(z-1)u(n)

(3)

(4)求解式(2)所示的参数优化问题。

经计算得到后级动态补偿系统模型为:

(4)

3 实验验证

爆炸洞模拟膛压发生器实验,如图5所示。

爆炸洞模拟膛压发生实验中采用高频展宽前的腔内压力测试系统,以及高频展宽后的腔内压力测试系统分别进行模拟膛压爆炸试验。压力测试系统安装于模拟膛压发生器底部,压裂弹(与射孔器腔内压力测试系统壳体相同)安装于模拟膛压发生器顶部,通过控制装药量使得待测压力有效爆炸脉冲(二次脉冲)保持在368 MPa左右。

图5 爆炸洞模拟膛压发生器实验

模拟膛压发生器实验通过模拟油井现场环境对高频展宽前后的动态压力测试系统进行对比试验。

从图6、图8中可以看到未高频展宽的压力测试仪已经能够测得二次压力脉冲,能够满足石油企业对射孔完井参数的工程分析,但是由于一次压力脉冲超过1 000 MPa对系统壳体以及系统内部电路的高冲击会影响系统整体的动态测试精度以及系统使用寿命。而由于一次脉冲的与二次脉冲相比频响极高系统无法对一次脉冲有效响应。

图6 未高频展宽压力测试仪试验测试数据曲线

图7 未高频展宽压力测试仪频率特性曲线

从模拟膛压发生试验获得的数据和波形图8可以看出,补偿后的高频压力动态测试仪能够同时测得一次脉冲和二次脉冲,达到了为提高系统动态测试精度、抗冲击,提高系统高频响应以及仪器使用寿命的预期效果。

图7和图9为高频展宽前后测试仪频率特性曲线,经计算一次脉冲频响为190 kHz、二次脉冲频响为2 700 kHz,图7中截止频率大190 kHz远小于2 700 kHz,而在图9中截止频率大于2 700 kHz,由此可以看出试验结果已达到预期效果。

图8 高频展宽压力测试仪试验测试数据曲线

图9 高频展宽压力测试仪频率特性曲线

同时从试验数据可以看到,补偿后的高频压力动态系统能够满足对二次脉冲的上升时间、调节时间和峰值时间[11-12]的动态测试精度,工作频带和通频带都达到了预想要求。

4 结论

本文在已有腔内压力测试仪的基础上,利用高频数字动态补偿原理,提出了腔内压力测试系统的改进方法。该方法可以同时获得一次和二次脉冲能够同时为工程应用以及仪器的设计提供全面完整的数据信息。通过试验验证了该方法的可靠性和正确性,在此基础上结合理论,对石油井下射孔压裂的研究可达到事半功倍的效果。这在射孔压裂弹爆炸时分析复杂物理化学过程等方面具有明显的优势,对于射孔压裂器的新原理探索、设计、定型、验收、性能改进具有十分重要的意义。

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刘超(1987-),男,满族,吉林通化人,中北大学国防科技重点实验室测试计量技术及仪器专业在读硕士研究生,主要从事动态测试与智能仪器的研究工作,liuchao1931@126.com;

裴东兴(1973-),男,汉族,中北大学教授,山西省学术技术带头人,2005年3月获北京理工大学机械电子工程专业博士学位,硕士生导师,中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室、电子测试技术重点实验室“动态测试与信息获取”方向骨干成员、山西省科技创新团队——动态测控与智能仪器“瞬态压力测控技术”方向带头人,研究方向为智能仪器、动态测试与校准、数据压缩及信息处理、自动控制,peidongxing@nuc.edu.cn。

HighFrequencyDynamicCompensationMethodBasedonPerforatingCavityPressureTester*

LIUChao1,2,PEIDongxing1,2*,CUIChunsheng1,2,JINGHong1,2

(1.National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.Education Ministry Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Against the cavity pressure tester pressure pulse can’t be measured. A kind of high frequency dynamic digital compensation method is proposed according to the index. The perforating gun chamber pressure tester was designed,and we had a test under simulated conditions of bore pressure generator. The experimental results show the effectiveness of this method. The analysis of oil well perforating gun chamber pressure signal feature was made. Through the design of high frequency dynamic compensation digital filter system,a pressure pulse test was performed in harsh environments such as high temperature,high pressure and high impact. The purpose was reached in this method to provide reliable basis for the optimal design of tester.

Key wards:chamber pressure simulation;pressure in gun;high frequency broadening;the digital filter

项目来源:山西省基础研究项目(2013012010)

2014-04-11修改日期:2014-08-19

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.10.013

TD470

:A

:1004-1699(2014)10-1373-04