葛 亮， 胡 澤， 陳 平， 馬天壽， 楊 青， 廖俊必

(1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.四川大學(xué) 測(cè)控系,四川 成都 610065； 3.西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500；4.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500)

0 引 言

隨著世界各國(guó)對(duì)能源的需求的增加，進(jìn)軍海洋已經(jīng)成為全球油氣資源開發(fā)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)[1]。2012年以前，由于缺乏深水勘探開發(fā)的自主裝備和技術(shù)，我國(guó)無法大規(guī)模開展南海深海油氣資源開發(fā)。但伴隨著中海油的深水半潛式鉆井平臺(tái)“海洋石油981”成功投入使用，標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)具備獨(dú)立開發(fā)深海油氣能力。然而，深水鉆井工藝技術(shù)與淺水和陸地鉆井有很大差別，集中體現(xiàn)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(zhì)災(zāi)害等技術(shù)難題[2]，必須實(shí)施監(jiān)測(cè)鉆井過程中井底當(dāng)量循環(huán)密度(equivalent circulation density,ECD)和循環(huán)溫度，準(zhǔn)確判斷井下復(fù)雜工況，并采取有效措施確保鉆井安全。

要實(shí)現(xiàn)海洋深水鉆井過程中井底ECD和循環(huán)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要使用深水鉆井隨鉆環(huán)空壓力與溫度監(jiān)測(cè)裝置[3]，該裝置可以完成對(duì)井下壓力工況的監(jiān)測(cè)、記錄和分析的重要作用，為深水表層鉆井作業(yè)和動(dòng)態(tài)壓井鉆井技術(shù)提供指導(dǎo)[4]。通過利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)深水表層鉆井隨鉆壓力與溫度監(jiān)測(cè)裝置，在推動(dòng)我國(guó)深水鉆井技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)的快速發(fā)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(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

深水鉆井隨鉆環(huán)空壓力與溫度監(jiān)測(cè)裝置在鉆鋌外壁安裝環(huán)空壓力傳感器、內(nèi)壁裝鉆柱內(nèi)壓力傳感器、保護(hù)套內(nèi)裝電路板，鉆鋌內(nèi)裝電池以及與MWD快速連接頭，測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)如圖1所示。深水鉆井隨鉆環(huán)空壓力與溫度監(jiān)測(cè)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(huán)空壓力及溫度監(jiān)測(cè)裝置快速連接。

圖1 深水鉆井隨鉆環(huán)空壓力和溫度監(jiān)測(cè)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)電路框架設(shè)計(jì)

深水表層鉆井隨鉆壓力與溫度監(jiān)測(cè)裝置可以看作是一個(gè)井下壓力和溫度的參數(shù)采集、存儲(chǔ)、傳輸和處理的智能化系統(tǒng)。在其電路結(jié)構(gòu)上主要由下位機(jī)部分和上位機(jī)部分組成，下位機(jī)電路部分可以完成井下壓力和溫度的信號(hào)檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸電路；上位機(jī)部分主要完成下位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的接收、分析和處理功能。深水表層鉆井隨鉆壓力與溫度監(jiān)測(cè)裝置整體電路設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)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(dòng)為20gn；應(yīng)滿足的技術(shù)指標(biāo)為環(huán)空壓力測(cè)量范圍為0～60 MPa，鉆柱內(nèi)壓測(cè)量范圍為0～60 MPa，溫度測(cè)量范圍為0～125 ℃，存儲(chǔ)容量為1 G，最長(zhǎng)工作時(shí)間為300 h。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳感器及其信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于傳感器工作在深海的惡劣環(huán)境中，對(duì)于環(huán)空壓力和鉆柱內(nèi)壓的測(cè)量，設(shè)計(jì)選用CYB—15S高溫壓力傳感器；而對(duì)溫度的測(cè)量，考慮到目前已有的井下溫度傳感器測(cè)量誤差較大，傳感器輸出不是線性電壓信號(hào)的問題，設(shè)計(jì)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(cè)芯片、高導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱硅脂、熱縮套管、銀高溫導(dǎo)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(huán)空壓力、鉆柱內(nèi)壓和溫度3路信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),由于傳感器輸出的信號(hào)微弱, 通常只有幾個(gè)微伏到幾百微伏,所以,必須加信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大。系統(tǒng)選用軌對(duì)軌運(yùn)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(yōu)越性能為低頻微伏信號(hào)檢測(cè)提供了很好選擇。

2.2 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)電路

數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊的主要功能是對(duì)4路工程信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中?；贏RM 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(shù)據(jù)用2個(gè)字節(jié)存入SD卡中。如圖3，設(shè)計(jì)采用的K9K8G08U0M 是三星公司生產(chǎn)的大容量閃存芯片，其單片容量可高達(dá)1 GB。

圖3 SD卡與ARM接口電路

2.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)通信，深水鉆井隨鉆環(huán)空壓力與溫度監(jiān)測(cè)裝置通過系統(tǒng)串口通信電路將測(cè)得的工程參數(shù)傳給MWD，本系統(tǒng)使用的串行通信芯片為MAX3222。一旦計(jì)算機(jī)對(duì)單片機(jī)尋址，單片機(jī)則根據(jù)計(jì)算機(jī)的要求傳送相應(yīng)的工程參數(shù)數(shù)據(jù)。MWD與工程短節(jié)采用單線連接,同時(shí)要求從機(jī)除非接收到主機(jī)命令，不得占用發(fā)送總線。當(dāng)從機(jī)接收到主機(jī)申請(qǐng)數(shù)據(jù)的命令時(shí)，從機(jī)必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過總線向主機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)。

2.4 電源電路

LPC1114微控制器的內(nèi)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(huán)空壓力與溫度監(jiān)測(cè)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?cái)?shù)據(jù)。此時(shí)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(huán)空壓力與溫度監(jiān)測(cè)裝置在井下采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，待起鉆后在地面讀取存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)，此時(shí)由計(jì)算機(jī)USB接口供電。為了降低噪聲和出錯(cuò)幾率，模擬電源與數(shù)字電源應(yīng)該隔離，需要在電路板上增加電源電路模塊，實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓，隔離數(shù)字和模擬電源，以及提高電源電壓精度，從而提高電路的穩(wěn)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)處理軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。測(cè)試系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸控制，程序分為兩部分，包括主系統(tǒng)單片機(jī)程序和備用系統(tǒng)單片機(jī)程序，主系統(tǒng)單片機(jī)程序流程如圖所示。計(jì)算機(jī)處理軟件主要利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、分析和顯示等功能。

3 試驗(yàn)測(cè)試

LW6—1—1 井位于我國(guó)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(tái)在南中國(guó)海域鉆探的第二口深水預(yù)探井LW6—1—1的領(lǐng)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(zhì)災(zāi)害情況。鉆井進(jìn)尺泥線以下200 m，領(lǐng)眼深度TD1731m，領(lǐng)眼作業(yè)全程采用該裝置實(shí)時(shí)隨鉆監(jiān)測(cè)和識(shí)別井眼工況，并實(shí)時(shí)通過MWD傳輸數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)處理軟件系統(tǒng)。

如圖5，在1530～1630 m井段當(dāng)采用海水鉆進(jìn)時(shí)，環(huán)空壓力為15.4～16.6 MPa，此時(shí)環(huán)空壓力與環(huán)空靜壓力差值0.1～0.2 MPa，且隨著深度增加呈增加趨勢(shì)，這說明隨著鉆進(jìn)深度增加，環(huán)空長(zhǎng)度增加導(dǎo)致環(huán)空循環(huán)壓力損失增加，不過此時(shí)環(huán)空段較短，循環(huán)壓力損失較?。汇@柱內(nèi)壓力總體上較環(huán)空壓力高6～7.5 MPa，這與實(shí)際情況吻合。如圖6，環(huán)空溫度在開始循環(huán)時(shí)只有4 ℃，隨著鉆進(jìn)循環(huán)，溫度快速升高至10℃左右，這是由于地面海水達(dá)到井眼環(huán)空使環(huán)空溫度升高所致。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：ECD在1.035～1.041 g/cm3之間波動(dòng)，且總體上隨井深增加呈增加趨勢(shì)，與實(shí)際情況吻合。

圖5 裝置1530～1630m鉆進(jìn)實(shí)測(cè)壓力—時(shí)間關(guān)系曲線

圖6 裝置1530～1630m鉆進(jìn)實(shí)測(cè)溫度—時(shí)間關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

1)本文設(shè)計(jì)了一種深水表層鉆井隨鉆壓力與溫度監(jiān)測(cè)裝置，通過深水表層鉆井隨鉆壓力與溫度監(jiān)測(cè)裝置，井下環(huán)空壓力、鉆柱內(nèi)壓和循環(huán)溫度等工程參數(shù)就可以被現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員實(shí)時(shí)掌握，就可以了解和分析井下的工況。

2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用冗余技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在裝置系統(tǒng)掉電或者電池用完等故障時(shí)，裝置會(huì)自動(dòng)進(jìn)行電源切換。

3)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，整體試驗(yàn)效果良好，裝置能夠連續(xù)可靠地測(cè)量鉆柱內(nèi)壓、環(huán)空壓力和井下溫度，并能通過MWD實(shí)時(shí)傳輸至海面控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn):

[1] 楊 進(jìn)，曹式敬．深水石油鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].石油鉆采工藝，2008,30(4):10-13.

[2] 袁光宇．中國(guó)海油深水技術(shù)體系與裝備能力建設(shè)[J]．中國(guó)海上油氣，2012,24(4):45-49.

[3] 呂小維,李安宗,張 維,等. 隨鉆測(cè)量?jī)x測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集控制器設(shè)計(jì)[J].測(cè)井技術(shù), 2009(5):45-47.

[4] 姜 偉.海上表層套管固井裝置的動(dòng)力響應(yīng)研究及其應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣(工程)，2005,17(6):398-402.

[5] 張曉東.王海娟深水鉆井技術(shù)進(jìn)展與展望[J].天然氣工業(yè)，2010，30(9):46-48.

[6] 高永海,孫寶江,趙欣欣,等.深水動(dòng)態(tài)壓井鉆井技術(shù)及水力參數(shù)設(shè)計(jì)[J].石油鉆采工藝,2010,32(5):8-12.

[7] 李迅科，周建良，李嗣貴,等.深水表層鉆井動(dòng)態(tài)壓井裝置的研制與應(yīng)用試驗(yàn)[J]. 中國(guó)海上油氣,2013(6):70-75.

[8] 葛 亮,胡 澤,陳 平.井下工程參數(shù)隨鉆測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(8):105-107.