一種井下管柱載荷測試方案

胡時等

摘 要：提出了一種基于電橋應變片結構測量油井管柱拉壓載荷的方案。通過電阻應變式傳感器檢測井下管柱封隔器的應變力來測試其載荷大小。井下數據采集模塊采集的數據經控制芯片存儲于SD卡中，測試完畢后測試短接隨管柱一起出井，用地面PC機讀取SD卡中數據，即可對歷史數據進行分析。此方案具有存儲式，便攜式，測試數據量大的優點，對油井封隔器管柱失效問題的解決提供了實測載荷數據的可行方法。

關鍵詞：存儲式；載荷測試；封隔器

引言

大慶油田經過多年的分層開采后，油田已進入中后期的發展，油井管柱在井下的工作情況越來越惡劣，油井分層開采，層間矛盾不斷加劇，油層含水量不斷上升，致使采油過程中油井封隔器分層難度越來越難，封隔器管柱失效問題日益突出[1]，基于以上情況，文章提出油井管柱封隔器載荷實測試方案，具有一定的研究價值。

1 測試方案總體設計

方案總體為地面部分與井下部分。地面部分就是對SD存儲卡中數據進行解析處理，用MATLAB等軟件通過編程進行輔助分析，將數據用表格、坐標圖等形式進行可視化處理，直觀地給現場施工進行有效指導。井下部分包括與管柱連接的測試短接，傳感器應變片全橋電路，信號放大、濾波調理電路，數據存儲模塊電路，電源管理模塊電路六部分。測量單元獨立成套，可安置在油井管柱的不同位置。方案設計框圖如圖1。

2 技術參數

此方案中最關鍵的部分是載荷測試應變筒，由現場井下工作情況確定載荷測試的技術指標：應變筒軸向拉壓承重范圍-300kN～300kN，測試精度5%F.S，工作溫度范圍-20～120℃，工作最高耐壓30Mpa，電源采用大容量、耐高溫磷酸鐵鋰充電電池，設計采樣率每秒2個點，連續工作時間為90天。

3 系統設計

3.1 應變片傳感器

應變式傳感器與其他類型傳感器相比具有以下特點：測量范圍廣，精度高，傳感器輸出特性的線性度好，工作性能穩定，而且經濟實用，能在惡劣環境下工作[2]，但是在實際應用時必須對應變片橫向效應引起的精度誤差與溫度漂移進行補償。在本設計方案中，載荷測試構件要隨油井管柱一起下井，安裝在管柱與封隔器的連接處，原理上主要承受油井管柱的自身重力，管柱內外液壓差，還有井下液體的浮力，井下高溫以及摩擦阻力等帶來的軸向拉壓力[3]。油井管柱在軸向上的受力最大，產生的應變力也最大，所以要在測試構件的應變筒軸向特定部位布設測力應變片，橫向特定部位布設溫度補償應變片組成全橋直流電路，測試信號輸出送入信號放大調理電路。

3.2 信號調理電路設計

應變力信號由傳感器轉換為電信號，要經過信號調理、A/D轉換電路后送入微處理器進行存儲。由應變電橋輸出信號的特征確定，需要一款低噪聲、高精度、高共模抑制比、低漂移的儀表放大器。采用美國ADI公司的一款經典儀表放大器AD620，性能高于三運放分立儀表放大器，特別適合采用低電壓供電的大電阻壓力傳感器，尤其對處理惠斯登電橋輸出信號具有很理想的效果。外圍電路簡單，方便快捷地通過外接一個電阻即可設置增益，另外低成本，低功耗，高精度的性價比也非常適合野外便攜式儀器的使用。信號放大電路圖如圖2。

圖中電橋輸出差分信號送入AD620的信號輸入端，其中C1、C2為濾波電容，R7為設置增益電阻，為了AD620能發揮更好的性能，采用雙電源供電模式，AD620的第四管腳接負電源，在此處采用一款負電源芯片ICL7600S為AD620提供負電源。

3.3 數據存儲模塊設計

為了實現數據的快速采集和存儲，用USB118模塊進行數據采集和存儲，USB118系列嵌入式SD卡讀寫模塊可以嵌入用戶的數據采集系統中，從而實現數據的海量存儲，USB2.0接口的高速數據傳輸是通過DMA方式體現的，USB2.0的接口最大速率為480Mbit/sec，理論字節速度為48Mbyte/Sec。通過用目前雙核電腦測試，USB20D模塊的DMA有效傳輸速度可以達到35Mbyte/Sec。

3.4 電源管理模塊

便攜式儀器使用內置電池組，沒有外面的供電電源，故在設計系統電路時要盡可能地降低功耗，延長系統的工作時間，電源管理模塊電路如圖3所示。

采用上海如韻電子最新推出的一款高效率脈沖頻率調制型（PFM）DC-DC轉換器CN5136，其最大輸出電流能力可以達到500mA。CN5136內部集成有功率晶體管，大大減少了外部元器件的數目。它的輸出電壓可以通過外部電阻設置。片內高精度的電壓基準源保證了輸出電壓的精度和低溫度漂移。CN5136的工作電壓范圍在2.7V到6V，非常適合鋰電池供電的應用。

4 結束語

文章對一種油井管柱封隔器載荷測試的方案做了介紹，存儲式、便攜式是本方案的特點，為油井封隔器管柱的失效問題的解決提供了一種現場實測數據的方案。后期將繼續推進本方案的研究工作，將進行樣機制作，實驗室測試以及下井測試，以此來驗證管柱力學理論上分析的正確性，為現場工程提供數據分析支持，指導油田更安全、高效的生產。

參考文獻

[1]葛亮，胡澤，付英軍.一種存儲式多參數測井系統的設計[J].傳感器與微系統，2011（8）：150-152.

[2]樊尚春.傳感器技術及應用（第2版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[3]趙曉偉，牛彩云，朱洪征，等.單封隔器抽油管柱受力變形分析[J].石油礦場機械，2011（12）：51-54.

作者簡介：胡時（1993-），男，漢族，黑龍江大慶人，就讀于東北石油大學電氣工程及其自動化專業。