深水表层钻井随钻压力与温度监测装置设计*

2014-09-25马天寿廖俊必

传感器与微系统 2014年11期

葛亮，胡泽，陈平，马天寿，杨青，廖俊必

(1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500；2.四川大学测控系,四川成都 610065； 3.西南石油大学电气信息学院，四川成都 610500；4.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500)

0 引言

随着世界各国对能源的需求的增加，进军海洋已经成为全球油气资源开发的战略制高点[1]。2012年以前，由于缺乏深水勘探开发的自主装备和技术，我国无法大规模开展南海深海油气资源开发。但伴随着中海油的深水半潜式钻井平台“海洋石油981”成功投入使用，标志着我国已经具备独立开发深海油气能力。然而，深水钻井工艺技术与浅水和陆地钻井有很大差别，集中体现在深水表层无隔水管段钻井过程中，深水表层钻井面临着窄压力窗口、海底低温和浅层地质灾害等技术难题[2]，必须实施监测钻井过程中井底当量循环密度(equivalent circulation density,ECD)和循环温度，准确判断井下复杂工况，并采取有效措施确保钻井安全。

要实现海洋深水钻井过程中井底ECD和循环温度的实时监测，需要使用深水钻井随钻环空压力与温度监测装置[3]，该装置可以完成对井下压力工况的监测、记录和分析的重要作用，为深水表层钻井作业和动态压井钻井技术提供指导[4]。通过利用现代科学技术实现深水表层钻井随钻压力与温度监测装置，在推动我国深水钻井技术和机械加工技术的快速发展，并提供可用装置方面具有十分重要的作用和意义。

1 系统的总体设计

1.1 装置机械结构设计

深水钻井随钻环空压力与温度监测装置在钻铤外壁安装环空压力传感器、内壁装钻柱内压力传感器、保护套内装电路板，钻铤内装电池以及与MWD快速连接头，测量仪结构如图1所示。深水钻井随钻环空压力与温度监测装置与MWD连接，MWD快速连接头与MWD连接，再通过中心快速接头与深水钻井随钻环空压力及温度监测装置快速连接。

图1 深水钻井随钻环空压力和温度监测装置机械结构

1.2 系统电路框架设计

深水表层钻井随钻压力与温度监测装置可以看作是一个井下压力和温度的参数采集、存储、传输和处理的智能化系统。在其电路结构上主要由下位机部分和上位机部分组成，下位机电路部分可以完成井下压力和温度的信号检测电路、信号调理电路、数据采集、数据存储和传输电路；上位机部分主要完成下位机传输数据的接收、分析和处理功能。深水表层钻井随钻压力与温度监测装置整体电路设计方案如图2所示。

图2 系统的整体设计图

该装置最高耐压为80 MPa，最高温度为125 ℃，最低耐温0 ℃，最大允许振动为20gn；应满足的技术指标为环空压力测量范围为0～60 MPa，钻柱内压测量范围为0～60 MPa，温度测量范围为0～125 ℃，存储容量为1 G，最长工作时间为300 h。

2 系统设计

2.1 传感器及其信号调理电路设计

由于传感器工作在深海的恶劣环境中，对于环空压力和钻柱内压的测量，设计选用CYB—15S高温压力传感器；而对温度的测量，考虑到目前已有的井下温度传感器测量误差较大，传感器输出不是线性电压信号的问题，设计了具有线性电压输出的井下低功耗温度传感器。该温度传感器包括耐腐蚀不锈钢外壳、新型低功耗温度检测芯片、高导热系数导热硅脂、热缩套管、银高温导线和耐高温密封胶。该传感器一端可以通过螺纹固定在井下仪器上，外壳上开有密封槽用于密封。

传感器将环空压力、钻柱内压和温度3路信号转换为电信号,由于传感器输出的信号微弱, 通常只有几个微伏到几百微伏,所以,必须加信号调理电路对传感器的输出信号进行放大。系统选用轨对轨运算放大器AD8554为核心器件, AD8554以其低噪声、零漂移、单电源和输入电阻大的优越性能为低频微伏信号检测提供了很好选择。

2.2 数据采集与存储电路

数据采集与存储模块的主要功能是对4路工程信号进行A/D转换，并将数据存储到数据存储器中。基于ARM Cortex M0 核心的LPC1114芯片，48 MHz主频，利用自带8路10位AD采样，采样电压范围0～3.3 V，SPI方式连接SD卡，然后通过采集将10位数据用2个字节存入SD卡中。如图3，设计采用的K9K8G08U0M 是三星公司生产的大容量闪存芯片，其单片容量可高达1 GB。

图3 SD卡与ARM接口电路

2.3 数据传输系统

为了实现通信，深水钻井随钻环空压力与温度监测装置通过系统串口通信电路将测得的工程参数传给MWD，本系统使用的串行通信芯片为MAX3222。一旦计算机对单片机寻址，单片机则根据计算机的要求传送相应的工程参数数据。MWD与工程短节采用单线连接,同时要求从机除非接收到主机命令，不得占用发送总线。当从机接收到主机申请数据的命令时，从机必须在规定时间内通过总线向主机返回数据。

2.4 电源电路

LPC1114微控制器的内核和I/O使用同一电源电压，需要单电源3.3 V供电。深水钻井随钻环空压力与温度监测装置使用电源情况有两种：1)井下与MWD配合使用，通过泥浆脉冲传回数据。此时使用的是高温锂电池供电，不同种类锂电池输出电压不同；2) 深水钻井随钻环空压力与温度监测装置在井下采集数据并将数据存储，待起钻后在地面读取存储器数据，此时由计算机USB接口供电。为了降低噪声和出错几率，模拟电源与数字电源应该隔离，需要在电路板上增加电源电路模块，实现电压转换、稳压，隔离数字和模拟电源，以及提高电源电压精度，从而提高电路的稳定性，如图4所示为以SPX1117M3—3.3为核心的电源电路。

图4 电源电路

2.5 软件设计

系统软件设计分为测试系统软件设计和计算机处理软件设计两个部分。测试系统软件主要实现单片机的数据采集、存储和传输控制，程序分为两部分，包括主系统单片机程序和备用系统单片机程序，主系统单片机程序流程如图所示。计算机处理软件主要利用LabVIEW实现数据的读取、分析和显示等功能。

3 试验测试

LW6—1—1 井位于我国南海深水水域，井位水深1 500.8 m，LW6—1—1PH是HYSY981半潜式钻井平台在南中国海域钻探的第二口深水预探井LW6—1—1的领眼井[5～8]，钻探主要目的是探明正式开钻的LW6—1—1 井浅层地质灾害情况。钻井进尺泥线以下200 m，领眼深度TD1731m，领眼作业全程采用该装置实时随钻监测和识别井眼工况，并实时通过MWD传输数据到计算机处理软件系统。

如图5，在1530～1630 m井段当采用海水钻进时，环空压力为15.4～16.6 MPa，此时环空压力与环空静压力差值0.1～0.2 MPa，且随着深度增加呈增加趋势，这说明随着钻进深度增加，环空长度增加导致环空循环压力损失增加，不过此时环空段较短，循环压力损失较小；钻柱内压力总体上较环空压力高6～7.5 MPa，这与实际情况吻合。如图6，环空温度在开始循环时只有4 ℃，随着钻进循环，温度快速升高至10℃左右，这是由于地面海水达到井眼环空使环空温度升高所致。实测数据表明：ECD在1.035～1.041 g/cm3之间波动，且总体上随井深增加呈增加趋势，与实际情况吻合。