存储式套损检测系统电池管理及主控短节开发*

蓝海峰,王开龙，杜卫强,林盛杰，刘慧亮，韩金良，邓钧耀

(1．中国石油集团工程技术研究院有限公司 北京 102206；2．北京华脉世纪石油科技有限公司 北京 100084；3.中石油煤层气有限责任公司 北京 100028)

0 引 言

在页岩气开采的水力压裂过程中，压裂作业会对套管造成不同程度的损伤，这些损伤有能导致后续压裂过程中不能顺利下入桥塞、连续油管不能顺利钻磨桥塞等情况，强行施工有可能导致工具卡死，影响后续作业的及时开展，甚至被迫放弃后续压裂作业，造成较大的经济损失[1-2]。针对该问题，需要在压裂作业前以及作业后，测量套管损伤情况，确定套损位置与套损程度，制定后续作业计划，提高后续作业的安全性与准确性。

在众多套损检测技术中，超声波成像技术为非接触测井方式，具有安全性高，方向性好，穿透力强，周向分辨率高，对环境无影响等优点，在电缆测井套损检测领域有较多应用[3-4]。

页岩气压裂作业期间井下与井口压力较高，测量段一般为水平井段[5]，电缆测井仪器无法直接到达测量端，需要采用连续油管输送等方式进行测井作业。由于没有连接电缆进行供电与数据传输，因此常规的电缆测井超声波成像仪器无法直接应用于页岩气套损检测。

本文设计了一种电池及主控短节，可以满足超声波成像仪器在井下的供电与数据存储需求，使其能够在页岩气压裂期间的套损检测工作中应用。

1 短节设计

电池及主控短节的系统结构如图1所示。高温电池组提供的72 V直流电源经过电源管理板的保护电路后，一部分转换为存储与控制板工作所需的低压电源，另一部分则在主控单元的控制下向超声波成像仪器供电。

存储与控制板实现与超声波成像仪器以及地面设备间的数据通信，存储井下测井数据，并判断井下电源的开启与关断。

图1 电池及主控短节系统结构

2 电路设计

2.1 过流与短路保护设计

系统设计有两路开关，采用了MOS管开关控制方案[6]，Q1用于电池保护，Q2用于输出电源控制，给其它仪器供电。

为提高锂电池工作的安全性[7]，根据电池组持续放电电流与最高放电电流指标，设计了硬件过流、短路保护电路。

过流保护电路将系统电流等比例转换为电压，通过与预设电压进行比较来判断输出是否过流，当过流时断开保护开关并延时重启，防止电池损坏。电路结构如图2所示。

图2 过流检测电路

当未过流时，U2B的7脚输出高，Q1持续导通；过流发生时，使U2B的7脚输出低电平，Q1断开；此后经过R2、R3、C1促成的延时电路延时，经过一段时间后，U2B的7脚输出高电平，Q1再次打开，实现延迟重启的功能。

检测电路通过检测输出电压的变化，判断是否发生短路，并在故障排除后自动恢复。电路结构如图3所示。

当负载RL正常时，比较器U4A输出低电平；当RL=0 Ω短路时，由于过流而断开Q1，Vout_Bat降低，2.5 V经过缓冲与R1、R3分压，使得U4A持续输出高电平，锁定Q1一直处于关断状态；当负载短路故障去除后，RL阻值变大，使得U4A输出低电平，从而控制Q1为导通状态，自动恢复供电。

图3 短路检测电路

2.2 开关控制

传统的电源开关采用延时控制[8-9]，当施工进度改变时，无法更改井下仪器工作状态，按照原定的时间工作可能造成电力浪费，或者错过测量段。系统集成了井斜测量模块，用于辅助判断仪器是否到达目的测量端。时间与井斜的判断关系可以选择“与”或者“或”的逻辑关系。开关判断选择逻辑“与”，当时间与井斜都满足条件才打开或关闭电源，避免由于施工延误而导致仪器未到达测量段就开启电源，或者未离开测量端就关闭电源。

2.3 数据存储

数据存储电路用于存储超声波成像仪器采集的测井数据，以及电池与主控短节自身的测井数据。数据存储模块采用了安全性较高的NOR型FLASH器件[10]，实现1 G Byte的数据存储容量。

3 系统工作流程

系统正常工作时，有3种工作模式：测前模式、测井模式与读取模式。

系统通电后处于测前模式，连续读取RTC，测量仪器井斜并与预设值比较，判断是否达到井下电源开启条件；同时判断数据上传总线的状态，根据下发命令切换模式，或根据测井段设置时间与井斜比较参数。

达到井下电源开启条件后进入测井模式，在判断是否到达电源关断条件的同时，等待接收超声成像仪器的测井数据并进行存储；达到电源关断条件后则关断井下电源，进入空闲模式。进入空闲模式后，会关闭井下仪器电源，并进入低功耗模式，减少电池消耗。

测前模式与测井模式工作流程如图4所示。

图4 测前模式与测井模式流程图

当进入到读取模式后，则会根据下发指令的内容，上传指定地址的测井数据，或进行其他命令处理。

4 实际测试

利用电子负载测试了电池管理模块的保护功能，测试结果见表1。

设定开启时间为10时55分10秒，开启井斜为80°，判断逻辑为与；关闭时间为10时55分30秒，关闭井斜70°，判断逻辑为或。

表1 电源保护测试结果

测试电源开启控制时，井斜数据晚于时间达到开启值，实测短节按照井斜值到达80°的时刻打开井下电源；测试电源关闭控制时，井斜数据先于时间达到关闭值，实测短节按照井斜数据低于70°的的时刻关闭了井下电源。读取了相关存储数据进行回放，回放曲线如图5 所示。

图5 电源开关控制测试

经过测试，确定电源的开关控制逻辑与设计的控制逻辑相同。连接电池及主控短节与超声成像仪器，将超声成像仪器声系放置于刻度桶中，使电池及主控短节的井下电源打开，存储一段测井数据，使用软件将测井数据读取到上位机中，按时间进行回放，对数据并进行分析。

经测试读取后的超声成像测井数据波列显示正常，到时成像图与幅度成像图正常显示，二维图中的幅度变化区域与刻度桶对应形状变化区域一致。测试结果如图6所示。

图6 存储数据成像图及刻度规图片

上述测试证明数据通信、数据存储以及其他电路模块功能正常。

对该短节进行了加温测试与压力测试，在125 ℃高温下，以及105 MPa高压下均正常工作。

5 结 论

1)研制的电池管理及主控短节通过电池过流与短路保护提高了电池应用的安全性。

2)供电输出控制方案降低了对电池的消耗。

3)可以正常存储并读出测井数据。

4)完成了与超声成像仪器的配接，满足了超声成像仪器在页岩气压裂工作中的套损检测应用的条件，初步达到了设计目的，后期会进行上井测试，确认该短节的实际应用价值。

5)对于电源开关控制，为了避免由于工时延误而导致提前开启或断开井下电源，应当选用与逻辑进行判断，确保测井段数据完整。