井筒微芯片示踪器电源技术及现场试验

朱祖扬， 吴海燕， 张　林， 李丰波， 赵金海，3， 张　卫

(1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.中石化胜利石油工程有限公司黄河钻井总公司，山东东营 257064；3.中石化休斯顿研究开发中心，休斯顿 77056)

钻井过程中为了掌握钻具工况、钻井液的流变性、井壁稳定性、井涌、井漏和井眼轨迹等信息，需要实时测量井筒工程参数(温度、压力、井斜角和工具面角等)，并根据这些参数调整钻井液密度、选择套管最佳下入深度及调整钻井施工作业等，从而为高效钻井和安全钻井提供保障。国内外已经研制了测量井筒工程参数的随钻测量短节(PWD)[1]，并已经广泛应用于钻井施工中。但随钻测量短节离钻头较远(大部分超过了10.00 m)，造成测量参数滞后，导致井眼轨迹调整不及时，且随钻测量短节只能测量井筒底部的工程参数，随着钻井深度增加，不能再测量井筒上部的工程参数，当井筒上部发生异常情况时不能及时采取措施，从而导致发生井下故障。因此，要寻找一种能够快速测量全井筒工程参数的技术，而井下智能技术和半导体技术的发展满足了这一需求。微芯片技术由于具有微型化和智能化的优点，已在钻井领域得到了应用。2010年左右，美国Tulsa大学和Houston大学进行了井下微球测量技术[2-4]和井下微球传输技术[5-7]研究，突破了传统随钻测量技术的理念，把几米长、几十公斤质量的随钻测量短节的功能浓缩于1个只有几毫米大小的微球上。自2011年起中国石化与Tulsa大学进行了井下微球测量技术攻关研究，经过多年努力形成了具有自主知识产权的产品——井筒微芯片示踪器(以下简称为“示踪器”)[8]。示踪器主要测量整个井筒中的温度和压力，其外形是一个直径7.5 mm的球体。示踪器虽然体积不大，但里面却包含了微控制器、传感器和电池等部件。研究发现，示踪器的性能受电源的影响较大，使用过程中如果电池充电不足或高温环境下电池放电速度过快，井筒工程参数就采集得不完整，对于这个问题[3],国外提出了定制耐高温大容量微型电池的方案，但是制作成本很高。笔者以可充电锂电池为示踪器的电源，并采用无线充电技术，通过试验分析了影响示踪器电源充放电性能的因素，并采取了相应的控制策略，使示踪器的电源获得了最佳工作效能，确保了示踪器能够测全整个井筒的工程参数。

1　示踪器无线充电设计方案

示踪器通过钻柱水眼连续投放到循环的钻井液中，从钻头水眼进入井筒，随钻井液循环从环空上行返至地面，采集井筒中的温度和压力，从而建立井筒温度和压力分布剖面[8]。由于钻头水眼的直径非常小，为确保示踪器顺利通过钻头水眼进入环空段进行测量，示踪器样机为直径7.5 mm的小球，其密度约1.5 g/cm3，耐温可达100 ℃，耐压可达70 MPa。示踪器内部包含微控制芯片、微型传感器、微型电池和电阻电容等元器件，内部电路如图1所示。由于示踪器内部的空间非常有限，要求示踪器内每一个元器件(模块)的尺寸尽可能小、功耗尽可能低，同时能够承受井下的高温高压，并且相对较容易组装。

图1　示踪器微型化采集电路Fig.1　Micro-acquisition circuit of the tracer

考虑到示踪器的尺寸和特定的工作环境，同时为了不破坏示踪器的完整性和降低制作工艺难度，采用无线充电技术[9]给电池充电，这样能够省去外部接插件，从而降低示踪器内部电路与钻井液接触的概率。示踪器电源设计成由一个可充电锂电池和一个受电线圈组成，受电线圈感知外部的磁场能量并将其转换为受电电压，实时给锂电池充电，锂电池给示踪器提供电能。该电源设计方案还需要有无线充电装置。无线充电装置由高频振荡电路和送电线圈组成，高频振荡电路驱动送电线圈工作，使送电线圈产生高频磁场，通过高频磁场实时给示踪器内的锂电池充电。无线充电示意图如图2所示。

图2　示踪器无线充电示意Fig.2　Diagram of wireless charging of the tracer

通常情况下送电线圈和受电线圈都绕制成平面空心线圈，线圈的绕制方向一致，以便产生磁场叠加。受电线圈感应电压与受电线圈的匝数、面积和耦合电磁场强度有关，当受电线圈与送电线圈轴线方向重合，且距离越小时，受电线圈获得的感应电压越高，锂电池的充电效果就越好。

图3　无线充电电路原理图Fig.3　Schematic diagram of wireless charging circuit

2　示踪器电源的充放电特性

示踪器电源设计主要考察以下性能：一个是示踪器内部的锂电池能够快速充满电；另一个是示踪器内部锂电池的放电速度要慢，以保持较长的续航时间。因此，有必要掌握示踪器内部锂电池的充电和放电特性，从而控制影响无线充电的因素，评估外界环境对示踪器工作性能的影响。

为了准确评价无线充电效能，依据图3构建了无线充电测试电路，受电线圈和送电线圈采用线径0.1 mm的漆包线绕制而成，振荡器工作频率0～2 MHz，工作电压4.00～18.00 V。在试验过程中，用游标卡尺测量受电线圈和送电线圈的对心距d，用万用表测量锂电池两端的电压。为了准确评价锂电池的放电特性，设计了锂电池放电电路，其原理如图4所示。使用高温烘箱对锂电池放电电路进行加温，以模拟井下高温环境。

2.1　送电电压对充电电压的影响

考虑充电电压会同时受到送电电压和线圈对心距的影响，需要设定送电线圈和受电线圈对心距，再考察充电电压和送电电压的关系。由于受电线圈不能直接裸露在外面，其被环氧树脂包裹，包裹厚度约为1.0 mm，因此设定送电线圈和受电线圈对心距为1.0 mm。改变振荡器工作电压，即改变送电电压，测定充电电压，结果见图5。

图4　电池放电电路原理图Fig.4　Schematic diagram of discharge circuit

图5　充电电压和送电电压之间的关系Fig.5　Relationship between charging voltage and transmission voltage

由图5可可以看出，送电电压越大，充电电压也越大，二者之间呈斜率为0.5的线性关系，当送电电压为7.00 V时，充电电压为3.39 V，此时已经达到锂电池最大充电电压，送电电压再升高，有可能充爆锂电池。考虑实际充电过程中送电线圈和受电线圈不一定处于对心位置，即二者之间有较小的平面夹角，能量交换不充分，要达到较好的充电效果，需要增大送电电压，送电电压为8～10 V最佳。

2.2　线圈对心距对充电电压的影响

为了分析送电线圈和受电线圈对心距对充电电压的影响规律，将送电电压设定为10.00 V，测定不同线圈对心距下的充电电压，结果见图6。

图6　充电电压和线圈对心距之间的关系Fig.6　Relationship between charging voltage and coil distance

由图6可以看出，线圈对心距越大，充电电压越低，二者之间呈斜率为-0.7的线性关系，即线圈对心距增加1.0 mm，充电电压就会降低0.70 V。当线圈对心距增大到2.0 mm时，充电电压降至2.47 V，此时线圈对心距不能再增大，否则就不能给锂电池充电了。这说明，当送电电压为10.00 V时，线圈对心距不宜超过2.0 mm。如果线圈对心距超过2.0 mm时，则要升高送电电压。

2.3　电池电压和充电时间的关系

考虑到充电时间太短会导致锂电池充电不充分，而充电时间过长又不利于现场使用，因此有必要了解锂电池的最佳充电时间。设定充电过程中线圈对心距为1.0 mm，送电电压为7.00 V，此时充电电压为3.39 V，用该电压给锂电池充电10 min，每隔2 min取下锂电池测一次电池电压，结果见图7。锂电池充电之前的电压为0.10 V。

图7　电池电压和充电时间之间的关系Fig.7　Relationship between battery voltage and charging time

由图7可以看出，充电2 min后，锂电池的电压迅速升至2.66 V，此后缓慢上升，充电时间达到10 min锂电池电压升至3.02 V，达到了锂电池额定电压。这说明锂电池充电过程经历了预充电和恒压充电2个阶段，在预充电阶段，锂电池电压直线上升，当进入恒压充电阶段，锂电池电压逐步达到饱和。这表明，充电10～20 min就可以达到较好的充电效果，有利于缩短现场作业时间。

2.4　温度对锂电池放电特性的影响

考虑示踪器在高温环境下工作，高温环境会对电池的使用产生影响，这种影响包括电池的使用寿命和单次续航时间，因此有必要了解锂电池在高温下的放电特性。将锂电池接入到放电电路中,分别在25和80 ℃温度下测定锂电池的放电速度，即每放电2 min取下电池测一次锂电池的电压，结果见图8。

图8　不同温度下电池电压与放电时间的关系Fig.8　Relationship between battery voltage and discharge time under different temperatures

由图8可以看出，锂电池的电压随着放电时间增长而降低，25和80 ℃温度下锂电池电压下降的速度分别为0.18和0.23 V/min，这说明，高温下锂电池的放电速度比常温下快。

将没有封装外壳的示踪器电源接入放电电路，测试其在温度为80 ℃、不同放电时间下的电压，结果见图9。由图9可以看出，放电10 min后示踪器电源的电压快速降至2.44 V，此后缓慢降低，放电60 min降至2.23 V，这说明示踪器电源放电过程经历了起始阶段和稳定阶段：起始阶段电源电压降低得很快，稳定阶段电源放电速度平缓。这表明，在80 ℃温度下，示踪器电源供电时间超过1 h，考虑到实际井筒中只是井筒下部温度较高，而井筒上部温度较低，因此在井底温度为80 ℃的井筒内，示踪器电源的供电时间还会更长。

图9　示踪器电源电压与放电时间的关系Fig.9　Relationship between power supply voltage and discharge time

3　示踪器入井试验

根据上述研究结果，对示踪器电源进行了优化，调整了线圈的设计方案，工作模式由以前通过指示灯的亮度来判断充电是否充分，变为根据充电距离和充电时间来评估电池是否充满。为了检验示踪器在井下的工作情况，进行了示踪器入井试验。示踪器入井对井下工况有一定的要求，首先，钻头水眼的直径要大于示踪器的外径，以避免示踪器堵住钻头水眼；其次，钻具组合中不能有螺杆钻具、随钻测井测量仪器，因为螺杆钻具、随钻测井测量仪器会堵住示踪器的下行通道。因此在示踪器入井之前，需要掌握试验井的井身结构、钻具组合和钻井液性能等。试验井钻至井深2 440.00 m时，井斜角67°，钻井液密度1.20 kg/L，钻井液排量26 L/s，钻头水眼直径28.0 mm，裸眼井段直径215.9 mm，钻杆内径108.6 mm，钻杆外径127.0 mm。由于该井钻具组合中有螺杆钻具，因此选择通井时卸掉螺杆钻具再进行试验。

试验井通井后，在接单根的间隙向钻杆内投入10个示踪器(只能测量温度)，并将钻头提至离井底3.00 m远的位置，以便示踪器从钻头喷嘴出来后有一个缓冲距离，以降低其对井底地层的冲击力。示踪器入井大约10 min后，将钻头下放至井底，这段时间内示踪器已经安全到达井底。示踪器入井约30 min后(钻井液迟到时间约为40 min)，开始在振动筛钻井液出口处打捞示踪器，打捞示踪器的时间持续了2 h，比2个钻井液迟到时间略长。最终打捞到1个示踪器，其外观完好无损。示踪器记录了时长6 000 s的温度数据(见图10)，说明示踪器记录的温度数据是完整的，获得了整个井筒的温度分布曲线。

图10　示踪器在试验井中记录到的温度数据Fig.10　Temperature points collected from trial wells by the tracer

由图10可知，温度曲线有a(0 s，38 ℃)、b(500 s，30 ℃)、c(1 200 s，60 ℃)、d(4 200 s，53 ℃)、e(4 500 s，26 ℃)和f(5 800 s，28 ℃)几个关键点。a点对应的温度是示踪器充电时测量到的无线充电装置的温度，表明充电时送电线圈发热了。a点至b点间的曲线表明示踪器充好电后，被从无线充电装置上取下，拿到钻台上准备入井，钻台上的温度为30 ℃。b点和c点间的曲线表明示踪器入井在钻杆内随钻井液快速下入到井底，用时700 s，温度升高幅度先大后小，说明示踪器下入速度先快后慢，这是因为试验井是一口定向井，在直井段下入速度快，在斜井段下入速度慢。c点对应的温度为井底温度。c点至d点间的曲线表明示踪器从钻头水眼出来后进入环空，并上返至地面，用时3 000 s，这个过程时间相对较长，这是因为示踪器本身有重量，上返过程中有一个下沉速度，而且在经过有扩径和狗腿的井段时，示踪器会原地旋转。d点对应的温度为钻井液出口温度。d点至e点间的曲线表明示踪器从振动筛上捞出来，温度快速下降。e点对应的温度为地面温度。e点至f点间的曲线表明示踪器被打捞出来以后仍然工作了1 300 s后电池的电才耗完。f点对应的温度也是地面温度，比e点对应的温度要高，这是因为试验结束时气温在回升。

4　结　论

1) 示踪器电池采用了无线充电技术，没有外部接插件，从而不但能够在钻井液中使用，而且可以重复充电和重复使用，提高了示踪器的使用率。

2) 示踪器采用可充电的锂电池作为电源。锂电池的充电效率和充电电压、线圈对心距及充电时间密切相关，当充电电压为8.00～10.00 V、线圈对心距小于2.0 mm、充电时间为10～20 min时，锂电池能够充电到额定电压。锂电池的放电速度与外界环境温度有关，温度越高，锂电池的放电速度越快，供电时间越短。

3) 入井试验表明，示踪器以可充电锂电池为电源，采用无线充电技术给锂电池充电的供电方案达到了预期目标。

4) 为了进一步测试和优化示踪器的性能，实现示踪器在石油工程中的应用，需要继续开展不同油区、高低温度环境下的示踪器入井试验。

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