基于单片机的油井封隔器管柱载荷测试仪

刘 伟 姚国斌 周志全 陈世池 王佳琪

(1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100022)

基于单片机的油井封隔器管柱载荷测试仪

刘 伟1，2姚国斌1周志全1陈世池1王佳琪1

(1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100022)

为证明油井封隔器管柱力学理论的正确性并测试油井管柱封隔器的轴向载荷、径向载荷及扭矩等参数，设计了基于应变检测技术的存储式油井封隔器管柱载荷测试仪。介绍了系统中各模块的基本原理和整体工作流程。测试仪由井下数据采集系统和地面上位机软件两大部分组成。机械测试短接测井后起出，通过地面数据回放分析系统即可得到油井管柱封隔器承受载荷的数据。完成方案设计后，在实验室加工了测试样机并进行了室内测试，系统整体达到了预期指标，验证了方案的可行性。

油井封隔器管柱载荷测试仪 应变检测技术 载荷数据检测

在大庆油田，随着多年大规模的分层开采后，油井井下工况更加复杂，采油难度越来越大，精细化分层的矛盾越来越显著，而且产层的含水率逐渐增大，致使开采过程中井下的工作环境进一步恶化，封隔器失封问题越来越多，因此了解井下封隔器管柱的承载工作状况是很有必要的。1962年美国鲁宾斯基发表了著名的“封隔器管柱螺旋弯曲”理论[1]，奠定了管柱力学研究的理论基础，之后国内外很多石油工程技术人员在封隔器管柱力学理论研究和仿真计算上做出了贡献。但在工程上，井下封隔器管柱承载数据实测几乎处于技术空白，塔里木油田分公司的张明友和西安石油大学的窦益华[2]做了很多工作，但开发的测试器存在精度低、井下工作时间短等问题，系统还有待完善。

笔者从工程实际需求出发，在前人研究的基础上，提出了一种测试油井封隔器管柱载荷的测试方案，致力于为测井工程技术人员了解井下封隔器管柱的工作状况提供第一手的实测数据，为管柱实际受力状况分析提供可靠依据，在开展洗井短路规律和防短路工艺研究，进一步提高多级细分测调效率方法研究，完善投捞、验封等工艺上具有指导意义。

1 系统总体设计

1.1 方案原理

封隔器是用来控制产(注)液，防止层间流体和压力的相互干扰，从而保护套管的井下工具[3]。为了测试封隔器的工作性能，将井下机械测试短接(此方案的关键部件)随封隔器管柱一起下井，在坐封与解封过程中，封隔器管柱受力后会发生形变[4]。为了测试其工作性能，在机械测试短接应变筒的轴向、环向、45°角方向粘贴应变片，组成全桥电路，封隔器管柱的形变大小通过应变片全桥电路转换为差分电压信号，电压信号再经过放大、滤波和A/D转换的信号调理电路，经总控制单片机(MCU)存储在数据存储子系统内，信号传递框图如图1所示。可见，封隔器管柱承受载荷大小的信号在通过载荷采集子系统、信号调理和数据存储子系统后，即可将测试得到的载荷数据存储下来。测试短接起出后，将存储在SD卡中的数据通过地面PC端数据回放系统实现数据的读取、解析、视图多样化与输出打印，将测试数据直观地呈现给工程技术人员。

图1 信号传递框图

1.2技术指标

方案总体分为两部分，分别是井下部分和地面数据回放解析上位机软件子系统。其中井下部分包括载荷采集子系统、信号调理和数据存储子系统。载荷测试短接的主要技术参数如下：

载荷测试区间 ±300kN

测量相对误差 ±2%F·S

工作温度 -20～85℃

工作耐压 不小于40MPa

持续工作时间 不小于90d

1.3系统总体框架

笔者设计了基于电桥应变片结构的测试短接，来检测油井坐封、解封过程中封隔器管柱承受应变力的大小，系统整体框图如图2所示。机械短接可以单独使用，用于检测油井管柱不同部位的承重状态，电路系统由高性能可充电电池供电，采用STC12系列8位高性能单片机作为核心处理器，并用高精度的AD转换芯片，匹配基于STC单片机读写的大容量SD卡储存模块，通过存储读取方式实现历史数据分析。将检测的数据通过上位机软件解释绘制成曲线显示于PC端。

图2 系统整体框图

2 系统设计

2.1载荷测试短接

电阻式应变片或应变薄膜是利用应变式变换原理制成的，用来测量物体受力或力矩时产生应变量大小的传感元件，将应力形变转换为电阻变化，通过电桥进一步转换为电压或者电流的变化，其结构简单、经济实用，在应力检测工程上被广泛使用[5]。

笔者在设计测试短接时设计了外筒和承重应变筒(内筒)，在内筒上布设应变片来采集应力信号，整体短接设计如图3所示。应变筒呈空心管状，用于保证油水通道畅通，保证测试时不影响生产。在应变筒两端设有内螺纹，应变筒的中段外径缩径变细，在其中段外侧粘贴多组应变片(图3中的应变片4)。在应变筒的外面套入保护套筒，在应变筒和保护套筒间形成环空电路系统仓室，在电路系统仓室内安装有电路系统和电池。应变筒两端外径不等径，上端与下端相差保护套筒的一个壁厚，安上保护套筒后，环形台与保护套筒外环面处在同一环形面上。在保护套筒两端与应变筒之间分别设有双层“O形”密封橡胶圈和三层“O形”密封橡胶圈。“O形”密封橡胶圈安装于应变筒外对应的环形槽中，用于阻挡油水进入电路系统仓室。

图3 载荷测试短接结构1——螺纹接头； 2，7——O形密封圈；3——应变筒(内筒)； 4、8——应变片；5——电路系统； 6——保护套筒(外筒)；9——电池； 10——电路系统仓室

在现场应用时，测试短接与油井封隔器管柱相接一起下井，在短接处管柱的应力情况与内筒的应力情况是相同的，此处的变化信号经放大、滤波后送入微处理器存储下来，等井下工作完成后，测试仪同管柱一同出井，通过数据回放解析上位机软件即可得到测试数据。

2.2信号调理电路

在本方案设计中，笔者在对油井封隔器管柱载荷信号采集过程中使用了电阻应变片全桥电路结构，由此输出的差分微弱小信号中混杂有较大的共模信号[6]，为此，必须选用一款具有高共模抑制比的仪表放大器来对此小信号进行放大处理，笔者选用了亚德诺公司最新推出的一款具有三运放拓扑结构的高性能仪表放大器AD8422对桥路输出信号进行前置放大。它是一款高精度、低功耗、低噪声、高增益、高共模抑制比(CMRR)和低漂移特点的轨到轨仪表放大器，可以通过一个电阻很方便地将增益设置为1～1 000，处理信号过程中具有超低的失真性能[7]。

笔者设计的信号调理电路如图4所示。差分信号由应变片电桥结构输出后，送入AD8422，它只需要简单的外围配置元件即可搭建出所需要的前置放大电路，之后再送入第2级放大滤波电路，经电压跟随器输出后进行A/D转换，最后送入控制器MCU操作存储于大容量存储芯片中。

图4 信号调理电路

图4所示的调理电路中还使用了高精度运算放大器OP07，其温漂小、噪声低、精度高，在使用的3个OP07中U2是一个电压跟随电路，通过调节电位器给AD8422提供合适的参考电压。

图4中的U3配合使用合适的电阻与电容得到第2级有源放大滤波电路，对前置放大级输出信号进行级联滤波放大。惠斯通电桥电路输出的差分信号比较微弱(毫伏级)，为提高增益，应当采用多个放大器级联。但采用多级结构会使误差累加，引入不必要的噪声，会使整个系统更加不稳定。为此，一般使用两级级联方式。两级放大电路的总噪声主要取决于第1级放大电路(也即前置放大级)[8]。笔者方案设计中使用的AD8422具有超低的失真性能处理信号的特性，是理想的选择。

图4中的U4也是一个电压跟随电路，与U2不同的是，它在电路中起到缓冲与隔离作用，前一级放大器的输出阻抗通常比较大，而后面A/D转换部分的输入阻抗比较小，信号在传输过程中损耗比较大。为此，笔者设计了此电压跟随电路进行缓冲，减少了信号的衰减。U4输出的信号送A/D转换进行处理。

2.3数据存储模块

在工程测试中经常会用到数据采集存储技术，将测得的宝贵数据存储下来便于技术人员后来的分析处理。笔者曾经设计的智能电控存储式分层测压仪在数据存储模块中使用了AT24CXX系列的存储芯片[9]，存储容量小，不便于海量数据的采集。

本技术方案中，笔者设计了基于STC12系列单片机和USB接口芯片CH376组成的海量数据存储系统。CH376内置了USB通信协议的基本固件和SD卡通信接口固件，并且内置了FAT16/FAT32文件系统的管理固件，支持8位并口、SPI接口和异步串口3种通信接口，通过编程，对SD卡使用传输速率更快的多块写操作[10]，优化了程序结构。此方案操作简单可靠，存储数据的能力强大，当在SD卡中创建文件、读写数据时只要简单发送命令和数据即可。

2.4电源管理模块

便携式仪器一般使用独立的电池组供电，故在设计电路系统时要考虑使用低功耗元器件，尽可能使系统在有限的电量下长时间工作[11]。笔者在本方案中用A123磷酸铁锂动力电池给系统供电。在实验室对A123磷酸铁锂电池做放电测试时发现，随着电池电量的衰减，电池输出电压减小。A123磷酸铁锂电池的额定电压为3.6V，在电池输出电压衰减至2.5V以下时，主控制单片机就不能正常工作。为此，选择“直流-直流”电源变换器MAX856，电路如图5所示。

图5 基于MAX856的系统电源模块

MAX856电源变换芯片的特性是：简单的外围电路，较小的静态电流，较小的尺寸便于在电路板上安装，较小的输入电压(最低0.8V的输入电压仍然能保证3.3V电压的稳定输出)，而且转换效率也比较高(在100mA的负载下能达到85%的高效率[12])。经测试，在使用了高精度“直流-直流”升压型电源变换器MAX856后，保证了系统的工作电压不会随着电池输出电压的衰减而过早失效，延长了电池的使用寿命。而且，相对于采用MAX883和MAX884分别作为系统的5V和3.3V电源[13]电路设计，MAX856可以通过第二管脚高低电平的选择来切换，精简了电路系统。

采用基于MAX856的电源模块后，仍有可能出现电池工作时间过长后深度放电致使电池电量不足的情况，不仅影响系统的测试精度，还有可能损坏充电电池。为此，设计了电源电压检测保护电路(图5)，在电源的正负极之间分别串联600kΩ的R1和100kΩ的R2大电阻，分压后将R2的分压值接入单片机的P2.5管脚，编程进行模数转换处理后将数值存储于存储器中，当判断到电源电压低于设定电压值时，总控制单片机进入休眠模式，防止电池组过度放电。

2.5系统软件

用Keil平台开发基于C语言的软件主程序，结合系统硬件电路，实现对数据采集和存储整体过程的控制，其中数据采集存储主程序流程如图6所示。在下井作业之前预先上电，系统开始初始化之后有180min延时，此段时间是为测试短接下井操作过程预留的时间。当延时计时结束后，自行启动温度、载荷信号采集存储，并对电压信号进行检测，当检测到的电压信号低于预设定值时，系统自动进入休眠模式，停止工作，避免电池组过度放电。

图6 数据采集存储主程序流程

用C#语言编写地面上位机软件，实现对存储于SD卡中的各测量独立单元数据的读取、解释与分析，包括对读取数据的预处理和原理性分析、歧义点去除、数值计算和视图样化、曲线图打印输出等功能模块程序。

3 实验室测试结果

仪表的标定是在设计、制造和使用过程中的一个重要环节，必须进行标定试验才能保证量值传递的准确性。笔者在实验室对测试样机的电桥电路进行初步测试后进行一次仪表标定。之后与整体电路系统联合调试，进行了二次仪表标定，确保样机能正常工作。测试样机轴向抗拉压载荷测试结果见表1、2。

表1 轴向拉伸载荷测试结果

表2 轴向加压载荷测试结果

由测试结果可以看出，测试误差在2%范围内，取得了良好的效果，验证了本技术方案的合理性和可行性。

4 结束语

研究设计了基于USB接口芯片CH376和STC12系列高性能单片机的大容量存储式油井管柱封隔器载荷测试技术方案，并在实验室条件下制作了样机原型，进行了抗拉压载荷测试，结果表明测试误差均小于2%，达到了预期的技术指标。预期在现场应用时，将实测结果与理论计算结果进行比较，可以验证、完善理论研究成果和计算公式，对开展洗井短路规律和防短路工艺研究，进一步提高多级细分测调效率方法研究，完善投捞、验封等工艺具有指导作用。另外，有助于提高采收率，降低生产成本并延长管柱的工作寿命。同时，使工程技术人员可以了解封隔器管柱在井下的工作状态，为工程安全生产保驾护航。

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PipeStringLoadTesterofOilWellPackerBasedonSCM

LIU Wei1,2, YAO Guo-bin1, ZHOU Zhi-quan1, CHEN Shi-chi1, WANG Jia-qi1

(1.CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;2.CollegeofMechanicalEngineering&AppliedElectronicsTechnology,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China)

For purpose of proving the pipe string mechanics’ correctness of the oil well packer and testing the packer’s axial load, radial load and moment of torque, the strain-testing technique-based memory-type load tester was designed for the oil-well tubing packer; and each module’s principle and working process in the

TH89

A

1000-3932(2016)11-1133-06

2016-07-27(修改稿)