朱祖揚(yáng)，張衛(wèi)，楊明清，倪衛(wèi)寧，李繼博，李新

（1．中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101；2．中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司，北京100101）

0 引 言

隨鉆測(cè)量（MWD）［1－3］存在一些不足：① 測(cè)量短節(jié)一般位于鉆頭上部1～2m處的位置，測(cè)量的是近鉆頭附近的信息，并不能完整反映鉆頭處的信息；② 隨著鉆井深度增加，對(duì)已鉆地層不再重復(fù)測(cè)量，也就是MWD測(cè)量的是井筒底部的信息，而沒有對(duì)全井筒信息進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量；③ 以泥漿脈沖或者電磁波的傳輸方式，實(shí)際傳輸速率僅有每秒幾比特，不能滿足井下大量數(shù)據(jù)特別是成像數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?－5］。Tulsa大學(xué)YU M J等［6］開展了井筒流體示蹤器技術(shù)研究，進(jìn)行了溫度和壓力參數(shù)測(cè)量，并用于巖屑特性分析；沙特A＆M公司開展了Resbots油藏納米機(jī)器人的研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，獲得了非常高的回收率。Houston大學(xué)LIU C R等［7］研究了利用無線射頻單元進(jìn)行井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?；Baker Hughes公司Robert M R等［8］研究了利用微存儲(chǔ)器進(jìn)行井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?。?guó)外相關(guān)研究還處于概念設(shè)計(jì)階段或者實(shí)驗(yàn)室研制中，并沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用；在中國(guó)還沒有相關(guān)報(bào)道。本文采用微型傳感器和CMOS集成電路自主開發(fā)了微芯片示蹤器，研究了利用示蹤器對(duì)全井筒壓力和溫度進(jìn)行采集的技術(shù)，分析了示蹤器在石油工程技術(shù)服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 示蹤器結(jié)構(gòu)

示蹤器由傳感器、電子線路和封裝外殼組成［9－10］。根據(jù)傳感采集的對(duì)象不同，傳感器部分可以是1個(gè)或多個(gè)傳感器；電子線路包括采集和控制電路，分為信號(hào)調(diào)理、系統(tǒng)控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸、電源模塊和晶振等部分；封裝外殼保護(hù)傳感器和電路板不受摩擦損壞和流體侵蝕的影響，具有耐高溫、耐高壓和耐腐蝕等性能。示蹤器樣機(jī)如圖1所示，其主要性能指標(biāo)如表1所示。

（1）傳感器。井下需要測(cè)量的信息較多，主要有壓力、溫度、方位角、伽馬和泥漿流速等。測(cè)量信息不同，所使用的傳感器類型和個(gè)數(shù)也不同。選擇傳感器時(shí)，考慮了其尺寸和功耗等指標(biāo)，開發(fā)了用于采集井筒壓力變化和溫度變化的示蹤器。壓力傳感器［11］為自主研制的應(yīng)變片式壓力芯體JS－300，工作電壓5V，輸出阻抗350Ω，靈敏度1．60mV／V，測(cè)量精度1%FS，測(cè)量壓力0～60MPa，尺寸 Φ6．5 mm×4．1mm，圖2為制作的6個(gè)壓力傳感器的壓力性能曲線。溫度傳感器則選擇了ST公司生產(chǎn)的LM75溫度芯片，包含9位ADC、溫度分辨率為0．5℃的數(shù)字溫度傳感器，工作電壓3．0～5．5V，工作電流250μA，測(cè)量溫度－55～125℃，QFP封裝尺寸5mm×3mm。

表1 示蹤器主要指標(biāo)

圖1 示蹤器樣機(jī)

圖2 傳感器的壓力性能曲線

（2）采集和控制電路。采集電路實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能，控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和輸出功能，采用低功耗控制器構(gòu)建了最小控制系統(tǒng)［12－13］。電路設(shè)計(jì)遵循了耐高溫、抗振動(dòng)、低功耗和小尺寸的原則，使用了耐高溫CMOS集成電路和低功耗芯片，降低電路板設(shè)計(jì)面積。電路結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 電路結(jié)構(gòu)框圖

信號(hào)調(diào)理：采用差分運(yùn)算放大器OPA2379對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大處理，可以有效放大差分信號(hào)而抑制共模信號(hào)，減少電路對(duì)微弱信號(hào)的干擾。OPA2379是低功耗雙級(jí)運(yùn)算放大器，工作電壓為1．8～5．5V，最大工作電流5．5μA，QFP封裝尺寸只有3mm×3mm。對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行了兩極放大，輸入的電壓信號(hào)為0．5～10mV，經(jīng)過放大處理后輸出的電壓信號(hào)為1．3～2．1V。

系統(tǒng)控制：采用微控制器芯片 MSP430G2553和少量的外部元器件構(gòu)建最小電路系統(tǒng)，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)發(fā)送和進(jìn)行電路節(jié)能管理。MSP430G2553是超低功耗混合信號(hào)微控制器，內(nèi)置16bit定時(shí)器、512B的RAM和16kB的Flash，此外還有1個(gè)通用型模擬比較器、1個(gè)串行通訊接口以及1個(gè)10bit的A／D轉(zhuǎn)換器，QFP封裝尺寸6．5mm×6．5mm。其低功耗表現(xiàn)在工作電壓2．2V時(shí)工作電流僅為230μA，在待機(jī)模式下工作電流為0．5μA。

模數(shù)轉(zhuǎn)換：利用微控制器芯片 MSP430G2553內(nèi)置的A／D模塊，通過選擇不同模擬量通道進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。將模擬信號(hào)直接輸入到微控制器對(duì)應(yīng)的A／D輸入腳，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)直接保存到片內(nèi)寄存器中，數(shù)據(jù)提取容易。片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器輸出10bit數(shù)據(jù)，對(duì)5V電壓信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后精度為4．88 mV，滿足壓力傳感器輸出信號(hào)的數(shù)字化轉(zhuǎn)換要求。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：利用微控制器芯片 MSP430G2553的Flash存儲(chǔ)器保存數(shù)據(jù)。Flash分為主存儲(chǔ)區(qū)和信息區(qū)，存儲(chǔ)容量總共為16kB，主存儲(chǔ)區(qū)主要是存放代碼，在存放代碼后的剩余空間也可以像信息區(qū)一樣存放數(shù)據(jù)。一般Flash有效存儲(chǔ)區(qū)空間超過10 kB，當(dāng)每隔2s采樣一次數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)際產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（包括壓力、溫度、時(shí)間和標(biāo)志位等）量為96B／min，因此Flash有效存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量為106min，當(dāng)采樣時(shí)間間隔更長(zhǎng)時(shí)Flash存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量會(huì)超過2h甚至更長(zhǎng)。

數(shù)據(jù)傳輸：采用射頻芯片nRF24L01實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。nRF24L01是收發(fā)一體的射頻芯片，工作于2．4～2．5GHz ISM頻段，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了Enhanced Shoek Burst技術(shù)，配置有SPI接口，可方便對(duì)輸出功率、頻率通道和數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行編程，QFN20封裝尺寸只有4mm×4mm。nRF24L01功耗低，以－6dBm的功率發(fā)射時(shí)工作電流只有9mA，以0dBm的功率發(fā)射時(shí)工作電流只有11．3mA，接收時(shí)工作電流只有12．3mA，并具有掉電和空閑多種低功率工作模式。測(cè)試結(jié)果表明，在3．3V電池供電情況下無線傳輸距離可達(dá)5m。

電源：采用耐高溫紐扣電池BR1225A供電，BR1225A為紐扣鋰電池，標(biāo)稱電壓3V，標(biāo)稱容量48 mAh，工作溫度－40℃～＋125℃，尺寸12mm×2．5mm。為了延長(zhǎng)電池的使用壽命，采用了斷續(xù)供電方式，即每采樣完一次數(shù)據(jù)，斷開傳感器等器件電源，同時(shí)微控制器由工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。

為使控制系統(tǒng)運(yùn)行速度快、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，一般使用4～24MHz晶振，但是為了降低控制系統(tǒng)功耗，使用了32．768kHz的晶振。運(yùn)行速度變慢了，并不影響對(duì)數(shù)據(jù)采樣、存儲(chǔ)和傳輸?shù)炔僮鞯目刂?。在電路中設(shè)有低功耗指示燈，用于顯示系統(tǒng)處于啟動(dòng)、工作等狀態(tài)，絕大部分時(shí)間處于滅燈狀態(tài)。

（3）環(huán)氧樹脂材料封裝外殼。由于示蹤器是在井筒流體通道內(nèi)工作，必須具有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、抗振動(dòng)、小體積和低密度等性能，設(shè)計(jì)了示蹤器封裝外殼，避免傳感器和電路板因摩擦、沖擊而導(dǎo)致的損壞，并起到密封絕緣的作用。使用的封裝材料由高純度環(huán)氧樹脂和改性酸酐組成，所制備的保護(hù)殼機(jī)械性能優(yōu)異，抗開裂和抗冷熱沖擊，密度僅有1．15g／cm3，抗拉伸強(qiáng)度可達(dá)75MPa以上。

采用環(huán)氧樹脂真空澆注工藝［14］制備示蹤器封裝外殼，即在0．1kPa的真空度下將環(huán)氧樹脂、固化劑、混合料澆注到設(shè)定的模具內(nèi)，由熱固性流體交聯(lián)固化成熱固性制品。示蹤器封裝外殼制作流程：① 按照示蹤器形狀加工金屬模具；② 將傳感器、電路板等部件放入金屬模具內(nèi)進(jìn)行組裝；③ 在澆注罐內(nèi)均勻加熱8h后，使模具溫度達(dá)到85℃，抽真空后將環(huán)氧樹脂、固化劑、混合料澆注到模具內(nèi)；④ 在固化爐內(nèi)進(jìn)行加熱固化6h；⑤ 冷卻后脫模并進(jìn)行機(jī)械加工。示蹤器封裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 示蹤器封裝結(jié)構(gòu)圖

2 全井筒壓力溫度采集技術(shù)

示蹤器體積小、重量輕，能夠在（井筒、裂縫）流體通道內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，適合在井下采集壓力溫度等數(shù)據(jù)。①在地面上通過泥漿泵將示蹤器投放到井筒流體通道內(nèi)，或者通過井底釋放裝置將示蹤器投放到井筒環(huán)空內(nèi)，地面投放方式相對(duì)簡(jiǎn)單，但是示蹤器的尺寸必須小于鉆頭水眼的尺寸，井底投放方式需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的能夠在井底自動(dòng)彈射示蹤器的裝置；② 示蹤器浮在鉆井液里并隨著鉆井液流動(dòng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)等操作；③ 示蹤器隨著鉆井液返回地面，在井口附近與讀寫裝置建立無線通訊聯(lián)系，將井下采集的數(shù)據(jù)傳輸給地面處理系統(tǒng)；④ 經(jīng)過地面磁性分離器時(shí)，由于示蹤器內(nèi)部帶有鐵質(zhì)材料（電池、金屬線），在磁性作用下被吸出鉆井液，示蹤器被捕獲回收。工作原理如圖5所示。

圖5 示蹤器工作原理圖

示蹤器能夠快速采集井筒壓力溫度數(shù)據(jù)，為鉆井工程、井漏識(shí)別和壓裂作業(yè)等領(lǐng)域提供服務(wù)。① 在鉆井過程中，根據(jù)示蹤器采集到的不同井位的壓力溫度數(shù)據(jù)的變化，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆井異常事故所發(fā)生的位置，及時(shí)預(yù)防鉆井工程事故，保障鉆井安全。②在進(jìn)行堵漏作業(yè)時(shí)，由于缺乏漏失地層的足夠認(rèn)識(shí)，只能簡(jiǎn)單依據(jù)漏速、漏失量設(shè)計(jì)堵漏方案，對(duì)漏失位置判斷不準(zhǔn)導(dǎo)致堵漏作業(yè)具有一定的盲目性，一次成功率往往不高。利用示蹤器跟蹤不同井深的壓力，當(dāng)發(fā)生井漏時(shí)示蹤器會(huì)反映壓力異常位置，從而有針對(duì)性地設(shè)計(jì)堵漏方案，提高一次堵漏成功率，降低堵漏劑的使用量，節(jié)省大量的生產(chǎn)成本。③ 在水力壓裂作業(yè)［15］時(shí)，會(huì)有一定數(shù)量的壓裂液擠入被壓開的地層，而所用壓裂液的溫度與地層的溫度不同。在壓裂作業(yè)完成以后進(jìn)行井溫測(cè)量，通過水泥車向井內(nèi)打入循環(huán)泥漿和示蹤器，在泥漿循環(huán)過程中示蹤器測(cè)量井筒各個(gè)層位的溫度。根據(jù)所測(cè)溫度曲線上局部異常變化，可確定被壓裂層位的裂縫高度擴(kuò)展情況。比較井溫基線和壓后井溫測(cè)試曲線，可以判斷水力壓裂形成的人工裂縫高度和每層的改造規(guī)模。

示蹤器也是一個(gè)可擴(kuò)展平臺(tái)，可以對(duì)其功能進(jìn)行延伸，例如采集加速度、伽馬等數(shù)據(jù)。平臺(tái)上也可以實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)傳輸功能。示蹤器在流體通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并從井筒底部隨鉆井液返回地面，可以把井下隨鉆測(cè)量的數(shù)據(jù)或者隨鉆測(cè)井成像數(shù)據(jù)攜帶回地面，實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的高速傳輸。將示蹤器進(jìn)行改進(jìn)，增大存儲(chǔ)器容量，保留數(shù)據(jù)無線讀寫功能，因此示蹤器可以被看成是一個(gè)大容量的信息球。把信息球放入隨鉆釋放工具腔體內(nèi)，通過無線方式將 MWD／LWD測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到信息球。隨鉆釋放工具將存儲(chǔ)了大量數(shù)據(jù)的信息球釋放到環(huán)空，通過循環(huán)泥漿信息球被攜帶回地面，從而實(shí)現(xiàn)了井底大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴哪康摹?/p>

3 結(jié) 論

（1）示蹤器具有功耗低、體積小和重量輕的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（MWD）相比，可以實(shí)現(xiàn)全井筒壓力溫度的快速采集。

（2）示蹤器投放方式分為地面投放和井底投放2種，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，采用不同的投放方式，以滿足不同的使用需求。

（3）示蹤器是一種可擴(kuò)展的隨鉆測(cè)量平臺(tái)，具有井下測(cè)量和井下數(shù)據(jù)傳輸功能，使得它在鉆井、堵漏、壓裂、井下高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

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