石油井下测试仪掉电保护方法设计

刘帅 马铁华 崔春生 刘子健

【摘要】目前石油井下测试仪对井下射孔弹发射期间的强震荡引发的仪器掉电现象没有采取针对性的保护措施。针对此背景下射孔弹发射瞬间测试仪器掉电导致丢失关键数据的问题，提出了石油井下测试仪掉电保护的方法，为在仪器供电输入端使用掉电保护电容的掉电保护采样策略，在保证仪器数据记录完整性的同时延长了仪器掉电后的工作时间，极大的提高了仪器在恶劣环境中的稳定性。经大量模拟实验及井下实验验证了采用该掉电保护方法可以最大限度的保护关键数据，提高了仪器单次测试的可靠性。

【关键词】测试仪器;掉电保护;恶劣环境

1.引言

在井下裂缝长度无法直接测量的情况下，井下射孔/压裂过程的压力-时间曲线是射孔弹发射、地层开裂等过程的最直接并几乎是唯一的表征量[1]。因此石油井下的压力数据准确获取成为了测井技术的核心。没有采取掉电保护措施的测试仪器在井下工作时存在掉电丢失数据的隐患，因此需要对石油井下测试仪采取针对性的掉电保护措施。针对射孔弹发射瞬间测试仪器掉电导致关键数据丢失的问题，提出了适用于石油井下测试仪的掉电保护方法。

2.测试仪器结构及工作流程

2.1 测试仪器结构

石油井下测试仪由电池、数字电路稳压模块、模拟电路稳压模块、数字电路、模拟电路及传感器组成。仪器采用了分时分区供电的方式以控制其工作过程中的功耗[2]。其工作原理为，测试仪器由外置电池对其供电，电池输出经数字电路稳压模块与模拟电路稳压模块稳压后对分别对数字电路与模拟电路供电，其中模拟电路稳压模块的使能由数字电路控制。仪器工作时传感器将压力信号转换为电信号经模拟电路调理后传送至数字电路以完成测量与记录。石油井下测试仪结构图如图1所示。

图1 仪器结构

2.2 仪器工作流程

测试仪器的常规工作流程为上电编程后即进入唤醒休眠状态，此状态下仪器每分钟从休眠状态唤醒采集并记录一个点，采集记录完成后仪器重新进入休眠状态。随电缆下井至目标深度后由绝对压力触发进入待触发状态，仪器高速125kHz采集，并每秒钟将当前所采集的数据存储。射孔弹发射时，井内压力急速上升，由随动触发的方式使仪器进入高速采集存储状态[3]，该状态下以高速125kHz速率采集并存储数据，采集时间持续5s。随后为井下恢复压力测量阶段，以500Hz采集并存储数据，持续5min然后结束[4]。

图2 井下射孔压力曲线

3.掉电保护方法

3.1 射孔过程中井下环空压力数据分析

测试仪器对井下压力的测试可以分为三个阶段，分别为：下井阶段、射孔阶段、压力恢复阶段[5]。其中射孔阶段的压力数据变化迅速震荡强烈[2]，该阶段为评判射孔效果提供依据。压力恢复阶段时间很长，压力变化缓慢，该阶段是评价油气井产能的重要环节[6]。井下射孔效果可以通过三个方面来进行评判，分别为：峰值压力、压力上升时间、压力脉冲时间。由于射孔发射过程井下压力迅速上升带来对仪器的强机械震荡，使得仪器易发生掉电现象，一旦发生仪器掉电，将导致射孔阶段与压力恢复阶段的数据丢失，因此对油井测试仪器的掉电保护设计很有必要。井下常规射孔及射孔过程中发生掉电现象采集到的井下压力曲线如图2所示。

3.2 掉电保护硬件设计

对石油井下测试仪的掉电保护的硬件设计如下，在测试仪器供电输入端加入掉电保护电容以保证仪器掉电后的持续供电，在电池与保护电容之间串入开关二极管以防止仪器掉点后保护电容中存储的电能反流。测试仪器的掉电保护的硬件设计如图3所示：

图3 掉电保护硬件设计

其工作原理为，仪器主控芯片监测掉点检测端，仪器掉电时，电池正极悬空，由下拉电阻将掉点检测端电压下拉至0V，仪器由保护电容供电，同时主控芯片检测到掉电后执行掉电保护采样策略。仪器掉电保护硬件工作时序如图4所示：

图4 掉电保护硬件工作时序

t1时刻电池开始对仪器供电，t2时刻保护电容充电完成。t3时刻发生掉电，保护电容继续对仪器供电，仪器检测到掉电信号执行掉电保护采样策略。

3.3 掉电保护采样策略

为保证仪器在保护电容对其供电的情况下尽可能长时间的工作，应将测试仪器工作工程中的功耗进一步降低。根据功耗时间因子的概念[7]：

（1）

式（1）中Wi为系统仪器第i个状态的功耗，Ai与Ti为仪器第i个状态的工作电流与工作时间，分析（1）式可知，仪器某个阶段的功耗的降低可以通过减小仪器该状态工作电流或减少仪器该状态下的工作时间来实现。因射孔过程有效压力阶段为射孔弹爆炸至井下压力大于30MPa的阶段，此阶段大约持续10ms，所以通过绝对压力触发的方式使仪器在射孔弹爆炸后井下压力小于30MPa时结束高速采集状态，可以减小仪器在高速采集阶段的功耗。通过对图（2）b的压力曲线进行频谱分析得出在井下压力小于30MPa后约80ms的时间内井下压力频率集中在小于20Hz频率内[8]，80ms后的压力曲线变化缓慢，将此状态下的压力曲线以80ms为界分为两个频率进行采集，对于80ms以内压力采用200Hz频率进行采集，80ms后采用启动休眠的方式，每10s仪器唤醒采集一个数据点，采集完成后进入休眠状态。所以在仪器掉电后仪器采用的掉电保护策略为，射孔弹爆炸至井下压力大于30MPa使用125kHz频率采集，之后80ms以200Hz频率采集，然后每10s仪器启动休眠采集一个数据点，持续5min。采用这种采样策略可以在降低仪器功耗的同时保证数据采集的完整性。

测试仪器掉电保护的采样策略如图5所示：

图5 掉电保护软件设计

3.4 实验数据分析

采用本掉电保护方法的石油井下测试仪在井下采集射孔压力过程时仪器掉电后采集的井下压力波形如图6所示。

图6 模拟油井掉电保护压力波形

对比图6与图2b可以看出，采用了掉电保护方法的石油井下测试仪在掉电后依然可以完整的记录井下射孔过程的压力数据。所以本掉电保护方法在针对石油井下测试仪的射孔过程掉电丢失数据的现象的改良方面效果明显、可靠。

4.结束语

本文提出了石油井下测试仪的掉电保护方法，该方法采用在仪器供电输入端增加保护电容并以掉电保护采样策略进行辅助。经实验验证本方法可以提高石油井下测试仪在射孔作业测试过程中的稳定性，基本杜绝仪器掉电现象。本文提出的掉电保护方法不仅可以应用于石油井下测试仪的掉电保护，该方法也同样符合用于测试弹体高度侵彻硬目标过程的弹载电子测试仪等恶劣环境测试仪器的掉电保护设计思路，拟在此方向上进一步研究推广。

参考文献

[1]李东传，金成福，刘权民等.复合射孔检测技术现状及其发展趋势[J].测井技术，2011，35（2）：164-166.

[2]赵鼎，祖静，崔春生等.射孔器枪内压力测试系统研究及试验数据分析[J].电子器件，2014，37（1）：113-118.

[3]刘亮，马铁华，尤文斌.低功耗冲击波超压测试系统设计[J].电子器件，2013，36（2）：239-242.

[4]裴东兴，赵慧武，马铁华，崔春生.射孔压力存储测试系统的关键技术研究[J].测井技术，2010，34（6）：610-612.

[5]张士飞，马铁华等.新概念石油井下压力测试系统设计与研究[J].电子技术应用，2013，39（12）：93-102.

[6]崔春生，马铁华，裴东兴.油气井复合射孔/高能气体压裂信息获取与信号特征分析[J].测井技术，2013，37（5）：579-582.

[7]张文栋.存储测试系统的设计理论及其在导弹动态数据测试中的实现[D].北京：北京理工大学，1995.

[8]刘祖凡.井下动态压力测试技术研究[D].太原：中北大学，2012.

基金项目：山西省煤层气联合研究基金项目（编号：2013012010）;山西省归国留学人员重点科研资助项目“石油井下多参数测试仪”（编号：2008003）;2014年度山西省回国留学人员科研资助项目（编号：2014-052）。

作者简介：刘帅（1989—），男，河北邯郸人，中北大学硕士研究生在读，研究方向：动态测试与智能仪器。