井下壓力接收裝置的電路設計應用*

張璽亮 馬認琦 李漢興 陳紅新

1.中海油能源發展股份有限公司監督監理技術分公司（天津塘沽300452）

2.中海石油研究總院（北京100025）

井下壓力接收裝置的電路設計應用*

張璽亮1馬認琦1李漢興2陳紅新2

1.中海油能源發展股份有限公司監督監理技術分公司（天津塘沽300452）

2.中海石油研究總院（北京100025）

井下壓力接收裝置是為研究鉆井液負脈沖在下傳過程中衰減和抗干擾能力的一種裝置，分析了裝置的電路設計，介紹了它的基本原理和元器件的選擇，并針對脈沖信號干擾影響性較大的井深、信號傳遞方式、泵壓、脈沖信號的振幅等主要因素，進行了鉆井循環作業下的井下試驗壓力數據采集現場應用。

壓力信號信號下傳數據采集

旋轉導向鉆井技術作為自動化較高的鉆井技術，正逐步在鉆井現場推廣，其核心技術是鉆具在旋轉過程中，可以自動實現井下閉環軌跡導向鉆井，國內的學者進行了相關的調研及研究工作[1,2]，主要包括地面監控系統、地面指令下傳系統、井下工具系統、井下測量系統、數據上傳系統及井下閉環短程通訊系統等部分組成，作為及時調整井眼軌跡的地面指令下傳系統是旋轉導向鉆井技術的關鍵技術之一[3]。應用于地面與井下通訊的信息傳輸方式，主要有4種：鉆井液脈沖、絕緣導線、電磁波和聲波[4]。其中電磁波和聲波的傳輸速度最快，由于信號衰減嚴重[5]，受環境干擾較大，不易接收及檢測，只能應用于淺層油氣井，技術沒有得到推廣；絕緣導線傳輸方式安全可靠，需要特殊的鉆具，不適于導向鉆井系統推廣。鉆井液脈沖方式對鉆井工藝無特殊要求和限制，在鉆井液中產生正脈沖作為井下數據上傳的方式，已經得到廣泛使用。利用鉆井液的負脈沖將地面指令下傳，受井深、循環壓力以及衰減速率的影響，在不改變鉆井液循環攜砂環境下，安全可靠的將指令下傳，是旋轉導向技術需要解決的關鍵技術。

1 井下壓力接收裝置

井下壓力接收裝置是為研究鉆井液負脈沖在下傳過程中衰減和抗干擾能力的一種裝置，通過大量的實驗數據分析，安裝在井下鉆頭附近壓力接收裝置通過壓力傳感器接收、儲存器記錄并存儲井底鉆井液的壓力變化，到地面讀取數據后，經過信號過濾軟件系統對壓力信號進行分析過濾，直觀地顯示出下傳指令波形，從而優選針對井深、循環壓力等各種工況變化下，指令下傳參數的最佳方案，提高指令下傳的安全性和可靠性。

1.1 電路設計

井下壓力接收裝置的電路(如圖1所示)包括壓力傳感器、信號放大電路、A/D轉換單元、單片機控制和處理單元、存儲單元、時鐘和復位單元、串口通訊單元以及供電單元組成[5]。

其中壓力傳感器電路由壓力傳感器IC1構成，A/D轉換芯片IC2和電壓參考源IC3組成A/D轉換電路。IC4是單片機控制和處理單元，IC5雙端口存儲芯片是存儲單元。通訊單元由RS232芯片IC6構成。

壓力傳感器IC1接收來自鉆井液中的壓力信號并將壓力信號轉換成PV+和PV-兩端的電壓信號，PV+和PV-兩端的電壓信號經由信號放大電路放大后傳送到A/D轉換芯片IC2的模擬信號輸入端AINP1和AINN1。5V穩定基準電壓源IC3接IC2的REFP和REFN端，為A/D轉換芯片IC2提供穩定參考電壓。單片機IC4控制A/D轉換芯片IC2采樣。單片機IC4將從芯片A/D轉換芯片IC2采樣所得壓力信號進行存儲。芯片IC6為單片機提供通訊接口。

1.2 元器件的選取

針對鉆井環境中井底溫度高、鉆柱振動頻率高等特點。裝置的電路設計和電子元器件的選取，遵循耐高溫、抗振動、抗電磁干擾、高可靠性的原則。

1.2.1 電源芯片的選擇

鉆井時的工作溫度為-40～125℃的范圍，電源芯片選擇TPS76750Q和TPS76633D，分別提供穩定的5V和3.3V電壓，輸入電壓范圍廣，輸出電壓穩定紋波小，同時可以滿足井下功耗低的特點。

1.2.2 壓力傳感器的選擇

鉆井循環是一種有雜質和固體顆粒的鉆井液，而傳感器的壓力敏感面上一旦有雜質或沉積物，將檢測不到井下的壓力脈沖或壓力變化。因此選擇CYB-15ST型傳感器，可在高溫、高壓環境下抗振動和抗沖正常工作。其具體技術參數如下：

量程：0～60MPa；

精度：±0.1%滿量程；

零點溫度：±0.01%，滿量程/℃；

絕緣電阻:≥1 000MΩ(250V DC)。

1.2.3 A/D轉換芯片的選擇

井下壓力檢測要求分辨率為0.1MPa，滿量程為40MPa，而8位的A/D不滿足要求，有漂移，即低位數據是不可靠的，所以選擇高分辨率的ADS1225 A/D，具有較高的轉換精度，多達24位。同時滿足低功耗，工作溫度在-55～125℃的技術要求。

1.2.4 時鐘芯片的選擇

井下壓力接收裝置采取每記錄1個數據的同時也記錄時間，存數據回放時能提供日、時、分、秒等信息，與記錄的壓力值一一對應。因此時鐘芯片選擇了是一個帶有時鐘、日歷、CPU監控和兩路報警的實時時鐘X1228。

2 壓力接收裝置的標定與校時

在壓力接收裝置入井使用之前，受電器元件性能和采集電路各項參數的影響，需要對壓力傳感器進行標定。

（1）將壓力傳感器與電路連接好后啟動壓力采集程序。

（2）給傳感器等間隔逐步加壓，每次壓力增加后都穩定一段時間。比如0～30MPa，從0開始每增加1MPa后穩定一段時間，直到壓力值增加到30 MPa。

（3）將壓力采集程序得到的A/D轉換值提取到excel文件中，并換算成十進制數。

（4）取每階段壓力穩定后的多個數值，求這多個數值的平均值作為這個階段標準表壓力值對應的A/D轉換的結果。

（5）建立標準表壓力值x和A/D轉換結果y的數學關系，y=ax+b。用最小均方誤差原則求出a，b的估計值。

（6）根據步驟5的結果求出反函數x=cy+d，將這個公式作為采樣值換算成壓力值的公式。

通過運行的上位機軟件與單片機的串口通道連接，在極短的時間里（ms級）上位機軟件讀取計算機時鐘芯片的時間并將讀取的時間通過串口發給單片機，單片機將收到的時間發給電路板上的時鐘芯片，時鐘芯片最終會按照上位機的時間開始新的起始時間計時。

3 井下壓力數據的采集

在鉆井液負脈沖下傳過程中，對脈沖信號干擾影響性較大的主要因素有井深、信號傳遞方式、泵壓、脈沖信號的振幅等等。針對上述因素，通過改變泵壓，調節節流閥開度，改變數據采集實驗裝置下井深度，改變信號下傳指令周期、間隔的方式進行實驗驗證。試驗中，分別在500m、1 000m、1 500m和2 000m的不同井深情況下，地面下傳裝置的旁通閥閥門的4種不同開度分別為10、18、22、26，（最大開度為44），泵壓分別采用6MPa、8MPa、10MPa、12 MPa，以及指令周期分別為5s、8s、10s、12s。由此進行鉆井正常循環過程，實現控制地面指令信息的下傳周期及間隔，并在地面通過改變井下鉆井液流量的變化量而變化的井底壓力，這時壓力傳感器會檢測到這個壓力脈沖信號并存儲。

井深500m、泵壓6MPa、地面下傳信息裝置旁通閥的開度分別采用14，18，22（最大開度為44）和地面發送指令周期為5s、8s、10s、12s等不同旁通開度、指令寬度情況下的井下壓力數據采集試驗，以此舉例說明。圖2中3個壓力臺階對應的是地面泥漿泵的不同的壓力情況，每一組壓力曲線分別為4種不同的指令寬度。下傳壓力接收裝置中的電路采集到的壓力，其準確地接收了地面壓力信號。從中可以得出以下實驗結論：

（1）在指令周期為5s時，壓力曲線不夠明顯，12s時曲線清晰、明顯，但指令時間較長，應考慮鉆井現場的具體情況。

（2）當開度為18時，得出的曲線較為準確，基本與實驗時現場記錄數據吻合。

（3）隨著井深的增加，信號的衰減速度尤其增強。

4 結論

本文所描述的井下壓力接收裝置能夠準確及時的記錄并儲存井下壓力變化情況，電路的設計簡單實用，可以滿足鉆井作業的井下施工工況。由此裝置采集的鉆井液壓力脈沖變化趨勢，為旋轉導向鉆井技術的地面指令下傳方式的研究，以及如何提高下傳指令的安全可靠性和抗干擾能力，提供了有效分析數據和依據。

[1]姜偉.旋轉導向鉆井偏心穩定器橫向震動研究[J].中國海上油氣，2006，18(5):330-333.

[2]蔣世全，姜偉，傅鑫生，等.旋轉導向鉆井技術研究進展[C]//第六屆全國石油鉆井院所長會議論文集.北京：石油工業出版社，2006：176-182.

[3]閻文輝，彭勇，張邵槐.旋轉導向鉆井工具的研制原理[J].石油學報，2005，26(5)：94-97.

[4]劉修繕,蘇義腦.井眼軌跡閉環控制系統的信號下傳技術[J].鉆井工藝2000,23(1):1.

[5]肖仕紅，梁政.旋轉導向鉆井技術發展現狀及展望[J].石油機械.2006，34(4)：67.

Downhole pressure receiver is one device to study the attenuation and the anti-jamming capability of negative pulse about drilling fluid in the process of passingdownward.Based on the analysis of circuit design about the device,the paper introduces the basic principle and the selection of components.Meanwhile,according to some main factors affecting pulse signals greatly,such as the well depth,the way of signal transfer,the pump pressure,and the pulse amplitude,the circuit design of this device has been applied to the data collection of downhole pressure test on the spot under the condition of drilling recycling operation

pressure signal,transferring signals downward;data collection

2010-10-22▎

*國家高技術研究發展專項經費資助,2007AA090801

張璽亮（1984-），男，助理工程師，現在主要從事旋轉導向研究工作。