LWD儀器臨界電壓數據讀取分析與解決

黃 濤

（中海油服油田技術事業部湛江作業公司，廣東 湛江 524057）

0 引 言

中國海油目前擁有多套哈里伯頓生產的LWD系統，其包括地面系統和井下系統兩部分。井下系統指井下儀器串，地面系統的核心為INSITE系統。INSITE系統由微軟公司參與研發設計，功能非常強大，并且集成化程度非常高，使操作方式平民化，操作簡單、靈活。本文正是充分發掘其強大的功能來解決鋰電池臨界電壓問題。

1 鋰電池原理介紹

1.1 鋰電池基本結構

整個的鋰電池是由18個Cell組成，為儀器提供20 V額定電壓，額定總電量為20 Ah。

鋰箔作為電池的陽極，發生反應時的化學式為：

碳作為電池的陰極充當催化劑，SOCl2做電解質，在陰極處發生的反應為：

1.2 鋰電池工作過程

鋰電池的優點是能量高，電壓穩定時間長，當電池的電量消耗達到80%時仍然能夠為負載提供正常電壓及電流，一旦超過80%其電壓則會迅速下降。這是鋰電池額定電量設置為20 Ah的原因，而實際裝電總量為24 Ah。鋰電池為其負載提供電壓的過程可以通過單獨一個Cell的工作過程表現出來，如圖1所示。

根據公式Q=I×t，電池消耗電量Q等于電流I與時間t的乘積。LWD自身具備測量電流I和時間t的功能，可以自動將鋰電池電量計算出來并且生成報告，是鋰電池電量跟蹤的一個重要參數。

1.3 臨界電壓

當鋰電池因為消耗只能為其負載提供3.5～12 V電壓時，在此電壓下LWD儀器出現不能讀取數據的問題，將此電壓定義為臨界電壓。由于讀取數據操作都是通過HCIM進行的，本文所研究鋰電池僅為HCIM鋰電池。

2 臨界電壓狀態下的現象及影響

2.1 Session Log現象

在臨界電壓狀態下，觀察Session Log，通常會發現ALD連續出現Tool Failure現象。隨著鋰電池電量繼續消耗，CTN、EWR、DGR也會相繼出現Tool Failure現象，直至脈沖信號突然消失，表示鋰電池電壓已經不足以使HCIM控制脈沖器繼續發射信號脈沖。

2.2 讀取數據失敗現象

儀器出井后，在井口進行讀取數據作業，結果讀取數據失敗。

2.3 影 響

首次遇到此問題時，現場人員進行了多次讀取數據嘗試，都未能成功，從而未能在現場將儀器內存里的隨鉆測井資料取出來，最后只能將儀器從海上返回基地車間。此次臨界電壓問題不僅長時間占用井口，還影響了數據提交時間。

3 臨界電壓現象的原因分析

設備返回基地車間后，車間人員按照現場操作步驟重新進行嘗試，讀取數據成功，并取得完整數據，此現象給相關人員造成了很大的困惑。車間讀取數據時，出現的一個與現場讀取數據不同的現象引導了相關人員研究問題的方向。

3.1 INSITE系統的供電功能

在平時的儀器測試中，當儀器沒有安裝鋰電池時，進行Confidence Test、Download以及讀取數據操作時，會激發INSITE系統的自動供電功能，提出問詢是否由INSITE系統主機的Surface Card提供20 V電壓給儀器，選擇Yes后才能繼續完成Confidence Test、Download以及讀取數據。

實驗證明，不僅沒有安裝鋰電池會激發INSITE系統的供電功能，鋰電池電壓在0～3.5 V時也會激發此功能。

為進一步分析軍民基礎地理信息要素間的對應關系，本文將軍民雙方所有基礎地理信息要素（約1 600個要素）建立了映射關系并進行統計，將要素間的映射關系分為無對應（民有軍無，軍有民無）、一對多、一對一（相同，圖式中有，名稱不同，有差異）、多對一、多對多五大類8個小類，每類映射關系的含義見表1，最終得到基礎地理信息要素的映射關系見表2。

3.2 臨界電壓

使用直流電源代替鋰電池，直流電源為儀器提供0～20 V直流電壓，在此范圍內連續調整供電電壓，反復進行讀取數據操作，得出實驗數據如表1所示。

表1 實驗數據

表1數據反映，在成功進行讀取數據時，有兩種為儀器供電的方法。一個是鋰電池供電，鋰電池電壓為12～20 V時發揮作用；另一個是INSITE系統供電，鋰電池電壓為0～3.5 V時激發INSITE系統供電功。鋰電池電壓恰好在3.5～12 V時，鋰電池供電失效，又不能激發INSITE系統供電功能，從而導致讀取數據失敗，所以稱3.5～12 V電壓區域為讀取數據盲區，此區域內的電壓值為臨界電壓。

3.3 讀取數據基本功能

讀取數據的功能有兩個：一個是將井下數據從儀器的Flash Memory里面讀取出來；另一個是在讀取數據結束后將儀器上下總線的電源關閉，使儀器停止對電池的消耗。

3.4 原因分析

現場進行讀取數據時，鋰電池的供電電壓正處在讀取數據盲區，從而導致現場多次讀取數據不能成功。由于現場讀取數據失敗，儀器未能關閉，在從現場返回基地的3天時間里，儀器仍然在工作直至將鋰電池電量完全耗盡。鋰電池電壓為零，也就相當于儀器沒有裝鋰電池，激發了INSITE系統的供電功能，然后讀取數據成功。

4 解決方案

通過前面的論述可以看出，鋰電池電壓在3.5～12 V時沒有一個成功的讀取數據方法，屬于哈里伯頓LWD儀器的一種缺陷。INSITE系統功能非常強大，因此可以通過充分利用INSITE系統提供的功能，繞過這個設計缺陷來解決臨界電壓問題。

4.1 關閉儀器電源

井口讀取數據失敗時，儀器電源未能關閉，所以將儀器從鉆臺拆甩下來之前，必須采取措施將儀器電源關閉。

4.1.1 使用Tool Powering功能關閉

在執行Power Off后，Tool Powering應用程序會嘗試與儀器進行通信，如果沒有獲得儀器響應，則說明Power Off成功，界面給出儀器關閉成功的提示。

4.1.2 使用TOOL I/O命令關閉

表2 使用TOOL I/O命令關閉儀器的基本步驟

4.2 甲板讀取數據

將儀器成功斷電之后就可以安全地將儀器拆甩到甲板，不再占用井口。將RLL里臨界電壓下的鋰電池拆除，更換能夠提供正常電壓的鋰電池，然后進行讀取數據即可成功將內存數據讀取出來。

4.2.1 對RLL進行讀取數據

儀器甩到甲板后，僅連接RLL，單獨對其進行讀取數據嘗試，根據多次現場經驗，往往都能夠成功，只是由于電壓偏低，讀取速度與正常情況相比可能會慢一些。

如果讀取數據不能成功，說明鋰電池的電壓已經到了臨界電壓的較低值，已經徹底不能供應RLL工作，此時則必須更換鋰電池。

4.2.2 對NUKE進行讀取數據

對RLL進行讀取數據成功后，下一步就是再對NUKE進行讀取數據。只需要將出井的NUKE與另外一根備用的RLL相連接（備用RLL里的HCIM電池電量充足，供電電壓為額定電壓）。

至此，對下井儀器內存數據的全部讀取工作就完成。

5 結 論

國內很多科研機構及高校都對INSITE系統進行了大量的研究，借鑒其先進技術，幫助相關人員的自主研發。鋰電池臨界電壓問題暴露了INSITE系統的設計缺陷，在解決該問題的時卻可以將它功能強大、操作靈活的優點發揮得淋漓盡致。對于這些技術，哈里伯頓沒有給出任何系統的官方資料，是現場工程師及維修工程師憑借豐富的經驗、翻閱大量資料，并且做了大量的實驗才得出的成果。正是通過這樣的學習研究，現場工程師及維修工程師的現場操作水平及維修水平才能得到不斷地提升。