高速射孔压力计的设计与试验

程双元，袁红芳，刘宇光，杨 琨

(西安思坦仪器股份有限公司 陕西 西安 710065)

0 引 言

随着射孔技术的不断发展，对射孔产生的压力进行检测和分析也变得越来越重要。最初，人们使用普通的高速压力计检测射孔压力后的压力，最小的采样间隔只能到1 s，且只能测峰值压力，无法反映整个射孔的全过程。高速射孔压力计的出现有效地解决了这一问题，能够自动记录射孔作业过程中井下爆炸燃烧瞬间的各项参数，对射孔的施工设计、过程分析和效果评价起到非常重要的作用。国外的大石油公司，在20世纪80年代初就研制出了高速射孔压力计。国内的开发研制起步较晚，开始于90年代，经过几十年的发展，高速射孔压力计已成为测试射孔井下动态信号的专用仪器[1]。高速压力计的出现解决了射孔瞬间参数的测试和恢复压的测试难题，一次下井不需要起管柱的情况下完成2项测试任务。而普通的射孔压力计只能测试射孔后的恢复压，无法检测射孔瞬间的压力。本文跟踪国外新技术，研制开发高速射孔压力计，对射孔压力检测数据进行范围扩展和完善。

本设计基于DMA技术、FIFO负延时技术以及电池低功耗管理技术[2]，能够满足常规测试仪器难于实施的油井中长期测试工作，为油井的动态分析及制定合理的开采制度提供重要依据，简化了射孔的施工工艺，促进了射孔工艺整体水平的提高[3]。本文将详细介绍高速压力计的电路设计、机械设计以及一些关键技术设计。对高速压力计的试验及现场测试进行了详细描述，最后得出设计的最终结果，能够满足现场射孔过程的各种参数的监测。

1 高速压力计的电路设计

1.1 工作原理

该仪器采用高主频低功耗单片机C8051F060，集成度较高，方便电路设计。有低功耗模式，满足电池供电的存储式仪器使用需求。存储器选用并口Flash，通过数据地址线ADn和控制线Ctrol进行高速数据的存取，保证高速采样的数据能进行快速保存。

压力信号采用外部14位AD7484芯片，转换的数据通过SPI传输到单片机，单片机内部采用DMA控制与CPU之间进行数据交换；温度和加速度为单片机内部12位AD采集，采用DMA控制与CPU之间的数据交换。压力、温度、加速度最高均为100 K的采样速率。

压力传感器应具有高灵敏度、频率响应快、体积小、抗冲击强等特点。选择keller PA-7LHP抗震动压力传感器，采用2.5 V恒压供电。由于井下工作环境噪声干扰大，压力传感器输出差分信号到仪表放大器INA128，抑制噪声和温漂，提高测试精度。

加速度传感器选用国产YD-10D电荷传感器，量程±2.94×105m/s2(±3×104g)。其工作原理是压电式加速度传感器将冲击信号转化为电荷信号，利用电荷信号调理电路[4]，将电荷信号转化为相应的电压信号，经过增益控制、滤波电路调理后，输出到AD转换器。仪器的原理框图如图1所示。

图1 仪器硬件原理图

1.2 DMA关键技术

DMA是指CPU不干涉数据传输的一种计算机技术，是数据高速转换的关键技术。DMA采取乒乓模式，既一个通道DMA分配2块内存A和B，外部数据在A和B之间交替存储切换。在数据向A传输的同时，DMA释放内存B的控制权，CPU可对数据进行处理。在数据向B传输的同时，DMA释放内存A的控制权，CPU可对数据进行处理。通过DMA硬件技术，可保证外部数据不间断的被采集和以Flash可以接受的速度进行存储。

1.3 低功耗管理技术

压力计使用低功耗管理技术，实现采样-休眠-唤醒-采样模式的系统功耗控制。仪器通电后，首先进入低速采样模式，时间的长短需通过编程设定。低速模式过后，将进入高速100 K采集缓冲模式(不保存数据)，当检测到加速度值超过设定阈值后，将触发时间点前后8 ms缓冲的数据写入Flash；然后进入中速1 K采集模式，采集121 s的数据；然后又返回到低速模式，按设定的采样间隔进行低速采样。

1.4 负延时技术

动态信息的存储要求真实有效地记录有用信号，根据射孔爆炸压力信号的特点，需要将触发前压力在一段极短时间内的数据记录下来，这就需要使用负延时技术。本系统采用FIFO式的负延时技术[5]，原理如图2所示，在单片机内部RAM中开辟一段存储空间C，高速采集数据由A端进入B端流出到存储器，触发判断在A端进行，通过控制B端流出数据写入存储器的时机，完成对静压及动压数据的记录。

图2 负延时原理图

2 高速压力计的机械设计

由于射孔瞬间的振动较为强烈，所以设计了缓冲短节以消除或削弱强振动对仪器电路部分的影响，如图3所示。

图3 机械结构示意图

高速压力计电路板与电池组件也设置了硅橡胶减震。在电路板与电池两端设计了专用减震垫，以吸收电路板与电池的轴向振动，防止电路板上元器件损坏以及电池组件上的插头震断。经过试验，使用减震后，射孔过程中未出现电路板元器件损坏及插头震断的现象。试验证明了减震效果的可靠性。

缓冲短节设置了两道减震。高速压力计与缓冲器连接。射孔瞬间产生的振动波，首先由缓冲短节上的第一道减震吸收，第一道缓冲使用弹簧减震，经过测试，可吸收约60%～70%的振动波，第二道使用硅橡胶进行减震，硅橡胶硬度在邵氏A65～75之间，硬度较小，可快速吸收震动。经过缓冲短节两道减震后，可吸收掉95%以上的振动波，有效防止射孔瞬间产生的剧烈震动直接传至管柱，减少管柱震断的风险。

3 高速压力计的使用

连接仪器和自主研发的直读仪，主要完成高速压力计与电脑之间的通讯连接。打开软件PT_100.exe，点击“时间表”，会弹出采样间隔设置界面，如图4所示。

在表单中输入触发加速度值(G)，然后点“设置”，数据将会写入仪器。仪器按设定的加速度值进行触发，如无设定，默认的值为1 960 m/s2(200 g)。

图4 采样间隔设置界面

4 高速压力计的试验

在现场进行过多次高速压力计测试，以下对2次射孔进行数据分析。第一次试验，127 mm射孔枪共54支，内装超深穿透射孔弹2 075发；第二次试验，127 mm射孔枪共37支，内装超深穿透射孔弹1 599发；装枪孔密都为16孔/m，相位角60°螺旋布控，弹间填装复合药饼，采用油管输送射孔。

射孔过程采用低伤害无固相射压井孔液，添加粘土稳定剂，防止射孔压井液滤液侵入储层引起水敏损害，添加防水锁剂，防止水锁造成的损害。

4.1 第一次试验整体下井过程数据分析

利用高速压力计完成射孔瞬间的加速度、压力及温度的检测。记录数据完整，如图5所示。

第1阶段：射孔器入井，射孔器未下入液面，井温开始升高。

第2阶段：射孔器进入液面，压力随管柱下深增加，井温继续升高。

第3阶段：射孔器起爆过程，由于起爆过程时间短暂，从全过程曲线上不能看到具体起爆数值，下面将有具体射孔瞬间部分的曲线分析。

第4阶段：起爆后，随着时间增加，压井液进入地层。进入压力恢复阶段，该阶段管柱未动，井温无变化。

第5阶段：射孔管柱上提阶段，温度下降、压力下降，时间轴末端，射孔器出液面。

第6阶段：继续上提管柱阶段，压力不变，温度减小。

图5 第一次试验完整射孔过程

4.2 第一次试验射孔瞬间曲线分析

将时间轴拉伸，放大射孔瞬间曲线，通过曲线可观察射孔瞬间压力、温度及加速度的变化。详细曲线如图6所示。

图6 第一次试验射孔瞬间数据记录

时间轴显示为秒级，第1部分时间轴为157 100 s，第2部分时间轴为157 108 s，前后相差时间为8 s。其中第1部分为射孔弹引爆瞬间产生的压力波动及震动，第二部分为复合火药缓燃后对孔道进行二次改造。

射孔瞬间加速度变化值从-5 852.46 m/s2(-597.19 g)到6 077.374 m/s2(620.13 g)；峰值压力达到56.88 MPa，120 ms后复合火药中高燃速火药进行作用，将井筒压力提升至36.41 MPa。11 s后复合火药中低燃速火药起作用，燃烧过程加速度值-2 256.94 m/s2(-230.3 g)到3 433.724 m/s2(350.38 g)；峰值压力达到26.9 MPa。

射孔前的压力为8.58 MPa，此时压力值为静液柱压力。射孔后的压力为7.12 MPa，此时压力值同样为静液柱压力。前后压力差为1.46 MPa。说明射孔后通道已打开且沟通良好，地层压力恢复良好，井筒内压井液少量进入地层。

4.3 第二次试验整体下井过程数据分析

利用高速压力计完成射孔瞬间的加速度、压力及温度的检测。记录数据完整，如图7所示。过程如第一次试验整体下井过程数据分析中的6个阶段。

图7 第二次试验完整射孔过程数据图

4.4 第二次试验射孔瞬间曲线分析

将时间轴拉伸，放大射孔瞬间曲线，通过曲线可观察射孔瞬间压力、温度及加速度的变化，详细曲线如图8所示。

图8 第二次试验射孔瞬间数据记录

时间轴显示为秒级，第1部分时间轴为106 010 s，第2部分时间轴为106 023 s，前后相差时间为13 s。其中第1部分为射孔弹引爆瞬间产生的压力波动及震动，第2部分为复合火药缓燃后对孔道进行二次改造。

射孔瞬间加速度变化值-5 368.538 m/s2(-547.81 g)到4 795.924 m/s2(489.38 g)；峰值压力达到58.73 MPa，120 ms后复合火药中高燃速火药进行作用，将井筒压力提升至49.96 MPa。12 s后复合火药中低燃速火药起作用，燃烧过程加速度变化值-2 321.424 m/s2(-236.88 g)到1 515.962 m/s2(154.69 g)；峰值压力达到15.73 MPa。

射孔前的压力为7.89 MPa，此时压力值为静液柱压力。射孔后的压力为7.04 MPa，此时压力值同样为静液柱压力。前后压力差为0.85 MPa。说明射孔后通道已打开且沟通良好，地层压力恢复良好，井筒内压井液少量进入地层。

4.5 数据分析结论

1)两次射孔施工整体过程较为顺利，射孔瞬间对管柱的瞬间冲击加速度峰值分别为6 077.374 m/s2(620.13 g)和-5 368.538 m/s2(-547.81 g)，对油管没有损伤。

2)射孔瞬间峰值压力分别达到56.88 MPa和58.73 MPa，压力控制合理，对套管未造成损伤。

3)对比射孔峰值压力与复合火药曲线，下口同地层压力的井，可以适量增加复合火药装配量，增加射孔后复合火药燃烧过程中的峰值压力。以提升射孔后孔道的改善作用。

4)复合火药的高低燃速火药药量，可以进行微调，射孔后通道已打开并沟通良好，井筒内压井液少量进入地层，地层压力恢复良好，满足后续开采的需求。

5)使用高速压力计在现场对射孔工艺进行了多次试验，试验表明测试数据完整，对射孔过程分析具有积极指导意义。

5 结 论

1)本文利用DMA边采边存技术、FIFO负延时技术以及电池低功耗管理等技术，将理论分析转化为实际测试仪器，设计制造出适用于射孔工艺过程中数据监测的高速压力计。

2)本设计具有变频采样、高速采集、高速存储、高可靠性、高抗震性及操作简单的技术特点。能够实现整个射孔过程压力温度加速度的测试，测试数据完整。能够对射孔效果进行有效评价。

3)本高速压力计通过多次下井试验，验证了本仪器能够满足高速压力计的设计要求，能够实现射孔全过程的数据监测，评价射孔工艺。

4)通过此高速压力计的测试数据可以判定射孔过程是否有效完成；可以判定射孔的效果，完善射孔工艺；可以根据射孔后恢复压的测试，制定合理的开采制度。