随钻地层压力测量电液控制系统设计

2017-05-08宗艳波郑俊华钱德儒王磊

测井技术 2017年1期

宗艳波,郑俊华,钱德儒,王磊

(中国石化石油工程技术研究院,北京 100101)

0 引言

地层孔隙压力是钻井工程领域所需的重要参数,随钻测量地层压力能够更加真实地反映真实地层压力,测量准确性好,测量数据可实时上传,随钻测量形成地层压力剖面,对优化钻井工艺、提高钻井效率具有重要意义[1]。随钻地层压力测量系统也称为随钻地层压力测试器或随钻地层测试器,是在钻杆地层测试器和电缆地层测试器的基础上发展的一种随钻测井技术[2-3]。该技术利用接单根等短暂停完成地层压力的随钻测量,能够反映真实的地层压力变化情况,是当前钻井领域的前沿技术之一[4]。2003年,哈里伯顿公司的GeoTap、贝克休斯公司的TesTrak和斯伦贝谢公司的Stethoscope等随钻地层测试工具陆续进行了现场试验[5-8],近几年也在中国海上油气井中得到应用[9-10]。2014年,威德福公司也推出了PressureWave随钻地层测试器。随着电缆地层测试技术的成熟,未来随钻地层测试器将陆续集成聚焦探针、流体取样和流体实时分析功能。

由于随钻地层测量工具的研制难度很大,中国只有少数单位开展了相关研究。其中中石化工程院开展了相关技术研究[11],并研制出随钻地层压力室内模拟实验装置[12]和原理样机,并经过多次地面试验和室内模拟井试验;大庆钻井院[13-14]参考RFT系统研制了SDC-I型随钻地层压力测试器,数据解释采用流量分析方法;中海油研究总院[15-16]研制的钻井中途地层测试器,类似于MDT模块式电缆地层测试器,近期也开展了随钻方面的研究工作;陈平等[17]开展了随钻地层压力测量的模拟试验研究,进行了室内模拟试验,并对影响测量结果的各种因素进行了数值模拟分析和室内模拟试验[18];陶果等在探头式地层测试器的数值模拟[19]、影响因素分析[20]和数据解释方面开展了相关研究;此外,张向维等[21]进行了随钻地层测试器的预测试技术研究,与MDT地层测试器预测试技术一致;胡泽等[22]基于双处理器架构设计了随钻地层压力测控系统,其测控系统只有信号测量和电磁阀控制功能,没有电机控制功能。相对于测试理论和解释方法的研究深入程度,中国在仪器装备研制方面的投入和研究力量都亟待加强。本文采用双DSP处理器构建主从式测控系统,其中主处理器完成信号采集处理、指令接收、液压系统动作时序控制,从处理器完成电机和电磁阀控制,测控系统与液压系统一起构成随钻地层压力测量仪的电液控制系统,经过试验测试,各项指标达到设计要求。

1 液压系统原理设计

随钻地层压力测量系统由电源模块、测量探头、液压模块、预测试活塞、电控模块及蓄能器等构成。通过测量探头建立与地层流体的联系通道,在电控模块和液压系统的配合下实现探头的推靠、抽汲、测量和探头回收等动作。通过挂接电磁波传输平台或泥浆传输系统构成完整的随钻地层压力测量系统,电控模块与液压模块一起构成电液控制系统。

其中液压系统设计主要围绕测量探头推靠、回收和预测试活塞抽汲3个动作开展,结构上由动力源泵站、电磁阀、溢流阀、液压双向锁、探头装置、抽吸装置等组成。图1(a)所示为液压系统原理图,图1(b)为泵阀控制时序图和理论地层压力测试曲线的对应关系图。工作时,马达带动泵回转,通过过滤器抽汲油箱内的液压油。液压系统工作流程包括系统启动初始化、探头推靠坐封、探头密封隔离、预测试抽汲、探头解封及收回及测试结束系统复位等6个主要步骤。

(1) 系统启动初始化:得到地面指令,启动电机,泵开始向液压系统提供液压油,电磁阀3打开,可使探头、抽吸装置、复位到初始状态。

(2) 探头推靠坐封:打开电磁阀1和电磁阀2,探头活塞与探针推靠到井壁上。探头密封垫推靠到井壁的泥饼上,测试通道与被测地层沟通。控制器持续检测系统压力,当作用在密封垫上的力达到预设值时,密封垫产生挤压变形,实现探头密封。

(3) 探头密封隔离:密封垫推靠至井壁,系统压力升至额定值时,关闭平衡阀10,实现地层测试通道与井底环空隔离。

图1 电液控制系统原理

(4) 预测试抽汲:系统压力达到额定值后,关闭电磁阀2,开始抽汲地层流体。抽汲活塞移动,使流体通道的体积增大,直至体积达到预定值时。在这个过程中,控制器持续监测腔通道内的压力变化,直到压力稳定,或达到规定时间,压力传感器2用于测量地层流体压力。

(5) 探头解封及收回:关闭电磁阀1,打开平衡阀10,同时探头活塞和抽吸活塞充分收回,并排除测试腔通道内杂质。

(6) 测试结束系统复位:系统压力达到额定值时,关闭电磁阀3,关闭电机和油泵。所有电磁阀回到初始关闭状态。液压系统完成复位回到初始状态。

2 电控系统设计

电控系统的功能主要包括控制、测量、存储、数据解释分析和数据传输5个方面。其中控制信号主要体现在对电机和电磁阀的控制,测量信号种类和数量较多,主要包括地层压力、液压系统压力、环空压力、管柱压力和温度等测量参数以及旋转状态、电机转速、系统电流、电压等状态监测参数。同时电控系统还要完成多种信号处理和存储,并完成压力恢复分析算法等多种任务,将电缆地层测试器在地面上实现的解释工作由井下处理器实时实现,导致电控系统较为复杂。为了降低系统设计的复杂性,提高系统灵活度和可靠性,采用主从式双处理器架构进行电控系统设计,包括系统硬件设计和系统软件设计2大部分。

2.1 系统硬件设计

电控系统硬件结构框图见图2。以TI公司的TMS320F2812处理器为核心分别设计中控电路和电机电磁阀控制电路。其中主处理器所在的中控电路完成多路信号采集、处理和存储,进行压力恢复算法分析,完成地层压力计算等关键算法的实现,执行液压系统中控任务调度、逻辑控制,对从处理器发出控制指令。从处理器根据指令控制电机运行状态和电磁阀开关状态。

图2 电控系统硬件结构框图

F2812是用于电机控制和运动控制的32位定点CPU处理器,运算速度最高150 MIPS,具有2个独立电机控制接口和多种协议通信接口,如SPI端口、SCI端口,eCAN端口和McBSP端口,此外还有多达56个通用IO口。以F2812为核心设计电控系统,可以简化系统结构,为随钻地层压力测控系统搭建良好平台。

中控电路主要包括测量模块、串口通信模块和存储模块以及系统工作所需的时钟和电源等构成。其中测量模块由传感器及其调理电路和ADC模数转换器组成,由于测量电路要完成环空压力、地层压力、管柱内压力、系统压力4组压力信号、4个压力传感器自带的4路温度信号、1路预测试活塞位移信号及2路用于计算钻铤转速的磁信号,总计11路信号进行同步采集。压力传感器采用带温度输出的应变式压力计,量程0～20 000 psi*非法定计量单位,1 psi=6 894.757 Pa,下同,耐温175 ℃。传感器全量程精度为0.75%,输出2.5 mV/V电压信号。调理电路见图3。由仪表放大器INA218和集成运放OP211组成,改变RG的阻值,可以调整调理电路的增益,采用该电路,将0～20 000 psi压力对应的输出电压调整到0～10 V,送入AD7656芯片采集。尽管F2812芯片具有16通道12位片内ADC模块,但是其精度低,量化间隔为4 095,对于0～100 MPa的目标测量区间,最小测量间隔为0.024 4 MPa,合3.5 psi,精度不足1 psi。因此测量电路采用2片AD7656芯片并联使用。AD7656是具有6通道数据同步采集功能的16位AD7656芯片,量化间隔为65 535,对于0～100 MPa的测量区间,最小间隔为0.001 5 MPa,约为0.22 psi,能够满足1 psi的测量精度。

图3 信号调理电路

串口通信由SN65HVD11芯片配合DSP的SCI串口模块构成RS-485通信模块,不仅能够与电磁波MWD或泥浆脉冲传输平台挂接,也能满足主从处理器之间的内部通信,需要注意的是,与MWD传输平台进行通信时,485串口工作在地址线模式还是空闲线模式由MWD传输平台的通信协议确定。存储模块采用美光公司的N25Q256存储器,容量为256 MB,SPI接口,3.3 V供电,可以与F2812的SPI端口直接连接。

电机控制系统主要由从处理器模块、电机驱动模块、电机反馈模块、电流检测采集模块、电磁阀驱动电路、通信接口模块及电源转换模块等组成,结构见图4。各模块之间均使用数字隔离器以防止信号之间的相互串扰。电机驱动模块作为驱动电机的执行机构,包括功率驱动单元和功率放大单元;电机反馈模块包括母线电压检测、母线电流检测和反电势信号采集电路。

图4 电机控制系统工作原理图

2.2 系统软件设计

当仪器接收到地面启动指令后液压系统开始工作,没有接收到地面指令时,电控系统只进行数据采集、存储和上传工作。系统上电启动后,首先进行系统初始化,对系统参数进行配置和检查,确定系统安全后,进行主程序等待响应各个中断子程序。

数据采集和处理任务由CPU定时器0中断启动,周期为100 ms,每秒存储1组环空压力信号。下传指令接收解码算法由中断CPU定时器2的中断启动,周期为10 s,当解码出地面启动指令后,置地层压力测试中断启动标志位为1,启动地层压力测试中断子程序。地层压力测试中断子程序是电控系统的核心,其流程图见图5。

图5 地层压力测试中断子程序流程图

3 试验与结果

在完成系统软硬件设计、机械装配和调试的基础上,进行了致密和中渗透率2种岩心的抽汲试验。首先采用渗透率为0.1 mD*非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同的致密岩心进行抽汲试验,测试腔内压力随探头“座封—抽汲—解封”过程的变化曲线见图6(a)。当活塞开始抽汲时,可以很快形成4 MPa的抽汲压差,当收回推靠探头时,测试腔内压力很快恢复到环空压力。

图6 不同渗透性岩心的抽汲试验结果

更换中渗透率岩心后,试验中环空压力设定为11 MPa,实测值是10.88 MPa,地层压力设定为10 MPa,实测值9.7 MPa。测试腔内压力随探头“座封—抽汲—解封”变化曲线见图6(b)。由图6(b)可见,探头实现座封前,测试腔内压力等于地层压力,座封后,预测试抽汲活塞动作,形成大约4 MPa的抽汲压降,随后,测试腔内压力开始恢复,当压力恢复完成时,测试腔内压力维持在9.6 MPa,接近实际地层压力9.7 MPa,误差0.1 MPa。随后探头解封并收回,测试腔内压力恢复到地层压力。

随后在某井下试验室室内模拟井进行了套管内干抽试验,以验证下传启动指令是否成功,将仪器串放入模拟井筒后,一旦收到地面发送的钻井液压力脉冲信号后,井下仪器自动启动。仪器出井后,通过数据回放检查下传指令接收是否成功。图7为压力脉冲序列,脉冲宽度60 s,压力脉冲三开三关为1个有效的启动指令。下传指令下发后将模拟井环空压力升至5 MPa,并维持稳定,等待井下仪器自动启动。图8为模拟井试验中的地层压力测量结果,测试过程中,环空压力5 MPa时,形成4.5 MPa的抽汲压降。抽汲曲线完整,符合干抽的特点。

图7 压力变化形成的下传启动指令脉冲

图8 模拟井试验地层压力测量结果

4 结论

(1) 设计的电液控制系统初步实现了随钻地层压力测量原理样机功能。

(2) 模拟井试验表明仪器样机能够在接收到指令后启动测量短节,探头推靠—坐封—抽汲—解封—复位动作正常,得到与理论曲线一致的地层压力测试曲线。地层压力测量、数据存储、上传、解码分析处理无误,验证了电液控制系统和原理样机整体方案的正确性。

(3) 原理样机液压系统的抽汲压降稍显不足,为提高原理样机的实用性,需增大探头的抽汲能力,用微型柱塞泵代替目前的齿轮泵,进一步提高泵及电机效率。

(4) 还可优化液压控制系统控制时序,增加故障监测功能,进一步提供系统的可靠性和实用性。

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