深水表層鉆井隨鉆壓力與溫度監測裝置設計*

葛 亮， 胡 澤， 陳 平， 馬天壽， 楊 青， 廖俊必

(1.西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500；2.四川大學 測控系,四川 成都 610065； 3.西南石油大學 電氣信息學院，四川 成都 610500；4.西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500)

0 引 言

隨著世界各國對能源的需求的增加，進軍海洋已經成為全球油氣資源開發的戰略制高點[1]。2012年以前，由于缺乏深水勘探開發的自主裝備和技術，我國無法大規模開展南海深海油氣資源開發。但伴隨著中海油的深水半潛式鉆井平臺“海洋石油981”成功投入使用，標志著我國已經具備獨立開發深海油氣能力。然而，深水鉆井工藝技術與淺水和陸地鉆井有很大差別，集中體現在深水表層無隔水管段鉆井過程中，深水表層鉆井面臨著窄壓力窗口、海底低溫和淺層地質災害等技術難題[2]，必須實施監測鉆井過程中井底當量循環密度(equivalent circulation density,ECD)和循環溫度，準確判斷井下復雜工況，并采取有效措施確保鉆井安全。

要實現海洋深水鉆井過程中井底ECD和循環溫度的實時監測，需要使用深水鉆井隨鉆環空壓力與溫度監測裝置[3]，該裝置可以完成對井下壓力工況的監測、記錄和分析的重要作用，為深水表層鉆井作業和動態壓井鉆井技術提供指導[4]。通過利用現代科學技術實現深水表層鉆井隨鉆壓力與溫度監測裝置，在推動我國深水鉆井技術和機械加工技術的快速發展，并提供可用裝置方面具有十分重要的作用和意義。

1 系統的總體設計

1.1 裝置機械結構設計

深水鉆井隨鉆環空壓力與溫度監測裝置在鉆鋌外壁安裝環空壓力傳感器、內壁裝鉆柱內壓力傳感器、保護套內裝電路板，鉆鋌內裝電池以及與MWD快速連接頭，測量儀結構如圖1所示。深水鉆井隨鉆環空壓力與溫度監測裝置與MWD連接，MWD快速連接頭與MWD連接，再通過中心快速接頭與深水鉆井隨鉆環空壓力及溫度監測裝置快速連接。

圖1 深水鉆井隨鉆環空壓力和溫度監測裝置機械結構

1.2 系統電路框架設計

深水表層鉆井隨鉆壓力與溫度監測裝置可以看作是一個井下壓力和溫度的參數采集、存儲、傳輸和處理的智能化系統。在其電路結構上主要由下位機部分和上位機部分組成，下位機電路部分可以完成井下壓力和溫度的信號檢測電路、信號調理電路、數據采集、數據存儲和傳輸電路；上位機部分主要完成下位機傳輸數據的接收、分析和處理功能。深水表層鉆井隨鉆壓力與溫度監測裝置整體電路設計方案如圖2所示。

圖2 系統的整體設計圖

該裝置最高耐壓為80 MPa，最高溫度為125 ℃，最低耐溫0 ℃，最大允許振動為20gn；應滿足的技術指標為環空壓力測量范圍為0～60 MPa，鉆柱內壓測量范圍為0～60 MPa，溫度測量范圍為0～125 ℃，存儲容量為1 G，最長工作時間為300 h。

2 系統設計

2.1 傳感器及其信號調理電路設計

由于傳感器工作在深海的惡劣環境中，對于環空壓力和鉆柱內壓的測量，設計選用CYB—15S高溫壓力傳感器；而對溫度的測量，考慮到目前已有的井下溫度傳感器測量誤差較大，傳感器輸出不是線性電壓信號的問題，設計了具有線性電壓輸出的井下低功耗溫度傳感器。該溫度傳感器包括耐腐蝕不銹鋼外殼、新型低功耗溫度檢測芯片、高導熱系數導熱硅脂、熱縮套管、銀高溫導線和耐高溫密封膠。該傳感器一端可以通過螺紋固定在井下儀器上，外殼上開有密封槽用于密封。

傳感器將環空壓力、鉆柱內壓和溫度3路信號轉換為電信號,由于傳感器輸出的信號微弱, 通常只有幾個微伏到幾百微伏,所以,必須加信號調理電路對傳感器的輸出信號進行放大。系統選用軌對軌運算放大器AD8554為核心器件, AD8554以其低噪聲、零漂移、單電源和輸入電阻大的優越性能為低頻微伏信號檢測提供了很好選擇。

2.2 數據采集與存儲電路

數據采集與存儲模塊的主要功能是對4路工程信號進行A/D轉換，并將數據存儲到數據存儲器中。基于ARM Cortex M0 核心的LPC1114芯片，48 MHz主頻，利用自帶8路10位AD采樣，采樣電壓范圍0～3.3 V，SPI方式連接SD卡，然后通過采集將10位數據用2個字節存入SD卡中。如圖3，設計采用的K9K8G08U0M 是三星公司生產的大容量閃存芯片，其單片容量可高達1 GB。

圖3 SD卡與ARM接口電路

2.3 數據傳輸系統

為了實現通信，深水鉆井隨鉆環空壓力與溫度監測裝置通過系統串口通信電路將測得的工程參數傳給MWD，本系統使用的串行通信芯片為MAX3222。一旦計算機對單片機尋址，單片機則根據計算機的要求傳送相應的工程參數數據。MWD與工程短節采用單線連接,同時要求從機除非接收到主機命令，不得占用發送總線。當從機接收到主機申請數據的命令時，從機必須在規定時間內通過總線向主機返回數據。

2.4 電源電路

LPC1114微控制器的內核和I/O使用同一電源電壓，需要單電源3.3 V供電。深水鉆井隨鉆環空壓力與溫度監測裝置使用電源情況有兩種：1)井下與MWD配合使用，通過泥漿脈沖傳回數據。此時使用的是高溫鋰電池供電，不同種類鋰電池輸出電壓不同；2) 深水鉆井隨鉆環空壓力與溫度監測裝置在井下采集數據并將數據存儲，待起鉆后在地面讀取存儲器數據，此時由計算機USB接口供電。為了降低噪聲和出錯幾率，模擬電源與數字電源應該隔離，需要在電路板上增加電源電路模塊，實現電壓轉換、穩壓，隔離數字和模擬電源，以及提高電源電壓精度，從而提高電路的穩定性，如圖4所示為以SPX1117M3—3.3為核心的電源電路。

圖4 電源電路

2.5 軟件設計

系統軟件設計分為測試系統軟件設計和計算機處理軟件設計兩個部分。測試系統軟件主要實現單片機的數據采集、存儲和傳輸控制，程序分為兩部分，包括主系統單片機程序和備用系統單片機程序，主系統單片機程序流程如圖所示。計算機處理軟件主要利用LabVIEW實現數據的讀取、分析和顯示等功能。

3 試驗測試

LW6—1—1 井位于我國南海深水水域，井位水深1 500.8 m，LW6—1—1PH是HYSY981半潛式鉆井平臺在南中國海域鉆探的第二口深水預探井LW6—1—1的領眼井[5～8]，鉆探主要目的是探明正式開鉆的LW6—1—1 井淺層地質災害情況。鉆井進尺泥線以下200 m，領眼深度TD1731m，領眼作業全程采用該裝置實時隨鉆監測和識別井眼工況，并實時通過MWD傳輸數據到計算機處理軟件系統。

如圖5，在1530～1630 m井段當采用海水鉆進時，環空壓力為15.4～16.6 MPa，此時環空壓力與環空靜壓力差值0.1～0.2 MPa，且隨著深度增加呈增加趨勢，這說明隨著鉆進深度增加，環空長度增加導致環空循環壓力損失增加，不過此時環空段較短，循環壓力損失較小；鉆柱內壓力總體上較環空壓力高6～7.5 MPa，這與實際情況吻合。如圖6，環空溫度在開始循環時只有4 ℃，隨著鉆進循環，溫度快速升高至10℃左右，這是由于地面海水達到井眼環空使環空溫度升高所致。實測數據表明：ECD在1.035～1.041 g/cm3之間波動，且總體上隨井深增加呈增加趨勢，與實際情況吻合。

圖5 裝置1530～1630m鉆進實測壓力—時間關系曲線

圖6 裝置1530～1630m鉆進實測溫度—時間關系曲線

4 結 論

1)本文設計了一種深水表層鉆井隨鉆壓力與溫度監測裝置，通過深水表層鉆井隨鉆壓力與溫度監測裝置，井下環空壓力、鉆柱內壓和循環溫度等工程參數就可以被現場技術人員實時掌握，就可以了解和分析井下的工況。

2)系統設計采用冗余技術，實現了在裝置系統掉電或者電池用完等故障時，裝置會自動進行電源切換。

3)經過現場測試，整體試驗效果良好，裝置能夠連續可靠地測量鉆柱內壓、環空壓力和井下溫度，并能通過MWD實時傳輸至海面控制系統。

參考文獻:

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