劉 超,裴東興*,崔春生,靳 鴻

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

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射孔器腔內(nèi)壓力測試儀的高頻動態(tài)補償方法*

劉 超1,2,裴東興1,2*,崔春生1,2,靳 鴻1,2

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

針對腔內(nèi)壓力測試儀無法測得一次壓力脈沖的問題,提出了一種按希望指標高頻動態(tài)數(shù)字補償?shù)姆椒?通過射孔器腔內(nèi)壓力測試儀的設計實例并在爆炸洞模擬膛壓發(fā)生環(huán)境下進行試驗驗證,說明了本方法的有效性。分析了石油井下射孔器腔內(nèi)壓力信號的特性,通過高頻動態(tài)補償數(shù)字濾波系統(tǒng)的設計,從而達到在高溫、高壓、高沖擊等惡劣環(huán)境下測得一次壓力脈沖,為測試儀的優(yōu)化設計提供可靠依據(jù)的目的。

模擬膛壓;高頻響應展寬;腔內(nèi)壓力

在射孔過程中射孔器腔內(nèi)會產(chǎn)生兩次壓力脈沖,一次壓力脈沖是一種對于腔內(nèi)壓力測試儀的抗沖擊設計、頻響設計以及傳感器的選擇的重要參數(shù),二次脈沖是石油企業(yè)工程分析的重要參數(shù)。為了在高溫、高壓、高沖擊等惡劣境中測得一次脈沖,為射孔器腔內(nèi)壓力測試儀的設計提供重要依據(jù),延長射孔器槍內(nèi)壓力測試儀的使用壽命和降低高昂的成本實現(xiàn)信號的完整采集,保證動態(tài)測試精度,從實際應用需求出發(fā),給出了系統(tǒng)頻響展寬的總體設計方案和測試信號的技術指標。

在石油開采過程中普遍采用測試腔外環(huán)空壓力,但是槍外環(huán)空壓力不能直觀反映射孔過程,為了更好評估射孔器,中北大學電子與動態(tài)測試國防重點實驗室研究了一種能夠直接測試槍內(nèi)壓力的測試系統(tǒng)——射孔器槍內(nèi)壓力測試儀。傳感器的選擇需要同時考慮到抗高壓、抗沖擊、抗高溫[1],所以可選傳感器的固有頻率就受到限制,因此現(xiàn)有可選壓電式壓力傳感器的高頻響應余量不夠,過高的一次脈沖導致測壓系統(tǒng)使用一至兩次之后即被射孔槍內(nèi)高壓打壞、動態(tài)測試精度[2-3]受到限制。

射孔器內(nèi)爆炸和燃燒過程是一個極其復雜的過程,射孔彈爆炸后的能量一部分用于射流的動能,一部分用于外殼的膨脹變形和碎片的動能,另一部分用于爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能和空氣沖擊波的能量。射孔彈引爆后形成爆轟波,在強大的爆轟壓力下,殼體膨脹變形,當殼體剛發(fā)生破裂時,爆轟氣體產(chǎn)物瞬間繞到殼體外面以強沖擊波的形式向周圍傳播。同時破片和高溫高壓氣體等產(chǎn)物引燃了后續(xù)的壓裂火藥[4]。因此這個過程對于建立后續(xù)的爆炸燃燒環(huán)境具有非常重要的影響。

根據(jù)所查資料射孔器內(nèi)試驗的峰值壓力測量結果,我們可以知道射孔時射孔器內(nèi)壓力在200 MPa到1 000 MPa之間[5],而一次脈沖壓力能夠達到1 000 MPa左右,頻響是二次脈沖的2倍～2.5倍左右。

1 測試信號的技術指標

腔內(nèi)一體式復合射孔器是通過導爆索將射孔彈按螺旋狀連接起來,目前射孔器裝彈密度一般為16 彈/m,普遍使用的102射孔器彈架直徑d為62 mm,射孔彈相位相差90°,聚能彈和導爆索使用的炸藥,一般為黑索金(RDX)、奧克托金(HMX)或太安(PETN),通過查資料可得:國內(nèi)生產(chǎn)的炸藥傳爆速度為7 308 m/s～8 012 m/s[6]。

導爆索將射孔彈按螺旋狀連接起來,目前常用的射孔彈相位相差90°,兩個射孔彈間導爆索的長度L根據(jù)螺旋線式(1)算出,螺旋線連接示意圖為圖1所示。

(1)

圖1 螺旋線連接示意圖

圖2 射孔彈剖面示意圖(單位mm)

目前射孔器裝彈密度一般為16彈/m,普遍使用的102射孔器彈架直徑為62 mm,由圖1兩個射孔彈間導爆索長度約79.2 mm,可計算出相鄰兩發(fā)射孔彈引爆時間間隔為:

圖2中A點為起爆點,B點為炸藥燃燒完點,炸藥爆轟A到B點的距離可以近似為40 mm,以爆轟波的傳播速度為7 500 m/s,結合圖中尺寸可以計算得出:單發(fā)射孔彈由導爆索點燃到爆轟完畢需要時間約為5.3 μs。工程上采樣頻率取實驗數(shù)據(jù)頻率的7倍～10倍[7],即要測試并分辨射孔彈爆炸時射孔器內(nèi)壓力快速變化過程,射孔器內(nèi)部測試系統(tǒng)的采樣頻率應達到2 MHz。以上設計僅考慮二次脈沖壓力的測量,為了能夠測得一次脈沖,孔器內(nèi)部測試系統(tǒng)的采樣頻率應達到5 MHz。

2 頻響展寬的總體設計方案

將壓電傳感器膜片和壓電元件構成的物理結構作為傳感器高頻動態(tài)補償系統(tǒng)的前級壓力捕獲系統(tǒng),動態(tài)補償數(shù)字濾波器作為后級補償輸出系統(tǒng)。應用經(jīng)典系統(tǒng)控制理論可得出結論:傳感器高頻動態(tài)補償系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)由前級壓力捕獲系統(tǒng)和后級高頻補償系統(tǒng)的乘積得到。

2.1 傳感器高頻數(shù)字動態(tài)補償系統(tǒng)建模

圖3 高頻動態(tài)補償系統(tǒng)

我們可將高頻動態(tài)補償系統(tǒng)的設計問題描述為求解離散傳遞函數(shù),使得[8-10]

(2)

綜合上述,按希望的動態(tài)性能指標設計補償濾波器的一般步驟如下:

(1)根據(jù)需要確定希望的性能指標；

圖4 射孔器壓力測試儀結構實物圖

(2)由希望的性能指標求出希望的模型;選擇傳感器是要同時考慮到抗高壓、抗高溫、抗沖擊,所以可選傳感器的固有頻率頻率就受到限制,為保證動態(tài)測試精度,傳感器固有頻率應不低于被測壓力信號諧波中最高頻率,所以高頻動態(tài)補償系統(tǒng)的復數(shù)極點,按照阻尼比N=0.707(最佳阻尼比),固有頻率ω0=600 kHz來確定。

傳感器高頻動態(tài)補償系統(tǒng)理想動態(tài)模型為:G0(z-1)

(3)給定輸入激勵信號u(t),求希望的測量瞬態(tài)響應x(n)。

x(n)=G0(z-1)u(n)

(3)

(4)求解式(2)所示的參數(shù)優(yōu)化問題。

經(jīng)計算得到后級動態(tài)補償系統(tǒng)模型為:

(4)

3 實驗驗證

爆炸洞模擬膛壓發(fā)生器實驗,如圖5所示。

爆炸洞模擬膛壓發(fā)生實驗中采用高頻展寬前的腔內(nèi)壓力測試系統(tǒng),以及高頻展寬后的腔內(nèi)壓力測試系統(tǒng)分別進行模擬膛壓爆炸試驗。壓力測試系統(tǒng)安裝于模擬膛壓發(fā)生器底部,壓裂彈(與射孔器腔內(nèi)壓力測試系統(tǒng)殼體相同)安裝于模擬膛壓發(fā)生器頂部,通過控制裝藥量使得待測壓力有效爆炸脈沖(二次脈沖)保持在368 MPa左右。

圖5 爆炸洞模擬膛壓發(fā)生器實驗

模擬膛壓發(fā)生器實驗通過模擬油井現(xiàn)場環(huán)境對高頻展寬前后的動態(tài)壓力測試系統(tǒng)進行對比試驗。

從圖6、圖8中可以看到未高頻展寬的壓力測試儀已經(jīng)能夠測得二次壓力脈沖,能夠滿足石油企業(yè)對射孔完井參數(shù)的工程分析,但是由于一次壓力脈沖超過1 000 MPa對系統(tǒng)殼體以及系統(tǒng)內(nèi)部電路的高沖擊會影響系統(tǒng)整體的動態(tài)測試精度以及系統(tǒng)使用壽命。而由于一次脈沖的與二次脈沖相比頻響極高系統(tǒng)無法對一次脈沖有效響應。

圖6 未高頻展寬壓力測試儀試驗測試數(shù)據(jù)曲線

圖7 未高頻展寬壓力測試儀頻率特性曲線

從模擬膛壓發(fā)生試驗獲得的數(shù)據(jù)和波形圖8可以看出,補償后的高頻壓力動態(tài)測試儀能夠同時測得一次脈沖和二次脈沖,達到了為提高系統(tǒng)動態(tài)測試精度、抗沖擊,提高系統(tǒng)高頻響應以及儀器使用壽命的預期效果。

圖7和圖9為高頻展寬前后測試儀頻率特性曲線,經(jīng)計算一次脈沖頻響為190 kHz、二次脈沖頻響為2 700 kHz,圖7中截止頻率大190 kHz遠小于2 700 kHz,而在圖9中截止頻率大于2 700 kHz,由此可以看出試驗結果已達到預期效果。

圖8 高頻展寬壓力測試儀試驗測試數(shù)據(jù)曲線

圖9 高頻展寬壓力測試儀頻率特性曲線

同時從試驗數(shù)據(jù)可以看到,補償后的高頻壓力動態(tài)系統(tǒng)能夠滿足對二次脈沖的上升時間、調(diào)節(jié)時間和峰值時間[11-12]的動態(tài)測試精度,工作頻帶和通頻帶都達到了預想要求。

4 結論

本文在已有腔內(nèi)壓力測試儀的基礎上,利用高頻數(shù)字動態(tài)補償原理,提出了腔內(nèi)壓力測試系統(tǒng)的改進方法。該方法可以同時獲得一次和二次脈沖能夠同時為工程應用以及儀器的設計提供全面完整的數(shù)據(jù)信息。通過試驗驗證了該方法的可靠性和正確性,在此基礎上結合理論,對石油井下射孔壓裂的研究可達到事半功倍的效果。這在射孔壓裂彈爆炸時分析復雜物理化學過程等方面具有明顯的優(yōu)勢,對于射孔壓裂器的新原理探索、設計、定型、驗收、性能改進具有十分重要的意義。

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劉超(1987-),男,滿族,吉林通化人,中北大學國防科技重點實驗室測試計量技術及儀器專業(yè)在讀碩士研究生,主要從事動態(tài)測試與智能儀器的研究工作,liuchao1931@126.com;

裴東興(1973-),男,漢族,中北大學教授,山西省學術技術帶頭人,2005年3月獲北京理工大學機械電子工程專業(yè)博士學位,碩士生導師,中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室、電子測試技術重點實驗室“動態(tài)測試與信息獲取”方向骨干成員、山西省科技創(chuàng)新團隊——動態(tài)測控與智能儀器“瞬態(tài)壓力測控技術”方向帶頭人,研究方向為智能儀器、動態(tài)測試與校準、數(shù)據(jù)壓縮及信息處理、自動控制,peidongxing@nuc.edu.cn。

HighFrequencyDynamicCompensationMethodBasedonPerforatingCavityPressureTester*

LIUChao1,2,PEIDongxing1,2*,CUIChunsheng1,2,JINGHong1,2

(1.National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.Education Ministry Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Against the cavity pressure tester pressure pulse can’t be measured. A kind of high frequency dynamic digital compensation method is proposed according to the index. The perforating gun chamber pressure tester was designed,and we had a test under simulated conditions of bore pressure generator. The experimental results show the effectiveness of this method. The analysis of oil well perforating gun chamber pressure signal feature was made. Through the design of high frequency dynamic compensation digital filter system,a pressure pulse test was performed in harsh environments such as high temperature,high pressure and high impact. The purpose was reached in this method to provide reliable basis for the optimal design of tester.

Key wards:chamber pressure simulation;pressure in gun;high frequency broadening;the digital filter

項目來源:山西省基礎研究項目(2013012010)

2014-04-11修改日期:2014-08-19

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.10.013

TD470

:A

:1004-1699(2014)10-1373-04