郝鑫剛 ，李新娥 ，崔春生

（1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

我國(guó)煤層氣資源儲(chǔ)量非常豐富，位列世界第三位，但利用率很低，主要原因是我國(guó)煤層氣貯存的特殊性。為了提高煤層氣井的產(chǎn)能，必須對(duì)煤層進(jìn)行壓裂以產(chǎn)生能連接天然裂縫、長(zhǎng)度較大的裂縫[1-3]。高能氣體壓裂是利用火藥產(chǎn)生的高能高壓氣體對(duì)井下巖石進(jìn)行作用，沿射孔孔眼壓裂出多個(gè)徑向裂縫，并由這些裂縫貫通連接更多的天然裂縫[4]。但由于目前對(duì)該技術(shù)的機(jī)理研究不夠深入，以及缺乏壓裂時(shí)關(guān)鍵的動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)，還沒(méi)有解決煤層氣井高能氣體壓裂技術(shù)的關(guān)鍵難題，增產(chǎn)效果也不明顯。

現(xiàn)針對(duì)煤層氣壓裂時(shí)的測(cè)試環(huán)境以及前代產(chǎn)品絕對(duì)壓力觸發(fā)方式存在穩(wěn)定性不足、受環(huán)境影響大，在測(cè)試時(shí)容易在壓裂脈沖信號(hào)到來(lái)前誤觸發(fā)的缺陷，設(shè)計(jì)了基于隨動(dòng)觸發(fā)方式的煤層氣井高能氣體壓裂動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)壓儀），可以深入到煤層氣井下測(cè)試壓裂時(shí)壓力的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)。

1 測(cè)試系統(tǒng)的原理

測(cè)試系統(tǒng)主要由壓力傳感器、適配調(diào)理電路、采集存儲(chǔ)電路、電源模塊、機(jī)械外殼和上位機(jī)組成。測(cè)試系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理Fig.1 Principle diagram of the test system

測(cè)試前，根據(jù)本次測(cè)試要求通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)測(cè)壓儀進(jìn)行觸發(fā)壓力等參數(shù)編程。測(cè)試時(shí)，適配調(diào)理電路對(duì)壓力傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，處理后的信號(hào)一方面經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后經(jīng)過(guò)負(fù)延時(shí)更新到MCU的比較器里跟設(shè)定的觸發(fā)壓力值進(jìn)行比較，另一方面存入外部的大容量非易失Flash里，保證了數(shù)據(jù)的完整性。電源模塊經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器后提供適合MCU和Flash的穩(wěn)定電壓，保證系統(tǒng)的正常工作。測(cè)試完成后，上位機(jī)讀取Flash里數(shù)據(jù)并在軟件界面上顯示出擬合后的波形圖，上位機(jī)軟件可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，以便直觀(guān)地對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。

2 測(cè)壓儀的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

在煤層氣高能氣體壓裂這種高溫、高壓的惡劣環(huán)境下，最好的測(cè)試方法是動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)式測(cè)試[5-6]。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)式測(cè)試技術(shù)的核心是測(cè)試儀可以放入被測(cè)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)況測(cè)試，而且測(cè)試儀本身不會(huì)影響到測(cè)試對(duì)象的正常工作。

本測(cè)壓儀針對(duì)壓裂時(shí)煤層氣井下的惡劣環(huán)境，進(jìn)行了抗高溫、抗高壓和密封性設(shè)計(jì)。根據(jù)課題組多年經(jīng)驗(yàn)，選取環(huán)氧樹(shù)脂5010-2%高溫材料采用真空灌封技術(shù)和在螺紋處添加2道高溫含氟密封O型圈，實(shí)際測(cè)試表明可以滿(mǎn)足高能氣體壓裂的要求。表1是測(cè)壓儀的性能指標(biāo)。

表1 測(cè)壓儀性能表Tab.1 Performance parameters in pressure tester

2.1 隨動(dòng)觸發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)

壓裂測(cè)試的核心要求是可以準(zhǔn)確地捕捉到壓裂短時(shí)間內(nèi)完整的壓力變化數(shù)據(jù)，觸發(fā)技術(shù)是能否捕捉到壓裂信號(hào)的關(guān)鍵。對(duì)于高能氣體壓裂這樣的單次性瞬發(fā)信號(hào)[7]，觸發(fā)技術(shù)的不合理會(huì)使測(cè)試時(shí)出現(xiàn)壓裂信號(hào)未到時(shí)誤觸發(fā)或壓裂信號(hào)到時(shí)不觸發(fā)等情況，從而導(dǎo)致一次測(cè)試的失敗。

由于煤層氣井特殊的工作環(huán)境，井深不同、施工工藝不同都會(huì)導(dǎo)致壓裂前井內(nèi)靜壓的復(fù)雜變化，傳統(tǒng)的絕對(duì)壓力觸發(fā)技術(shù)抗干擾能力不足，容易發(fā)送誤觸發(fā)或不觸發(fā)。本測(cè)壓儀設(shè)計(jì)了隨動(dòng)壓力觸發(fā)技術(shù)，可以在復(fù)雜的壓力變化中準(zhǔn)確捕捉到壓裂脈沖信號(hào)。其實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 隨動(dòng)壓力觸發(fā)流程Fig.2 Principle diagram of dynamic pressure test

隨動(dòng)壓力觸發(fā)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要包括ADC、FIFO、DAC和比較器多個(gè)模塊的精確配合。傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)一方面直接給到比較器的輸入端，另一方面經(jīng)ADC12轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)到FIFO里。FIFO經(jīng)過(guò)Δt時(shí)間后更新DAC的數(shù)據(jù)，更新的數(shù)據(jù)為ADC12Δt時(shí)間前轉(zhuǎn)換的數(shù)字量Pt-Δt加上可編程的觸發(fā)壓力值P。這樣，在比較器的兩輸入端一直是實(shí)時(shí)壓力值Pt和隨動(dòng)壓力值Pt-Δt+P進(jìn)行比較。每次DAC更新后比較器都會(huì)判斷Pt是否大于Pt-Δt+P，如果連續(xù)成立3次，則說(shuō)明此時(shí)的壓力相對(duì)Δt時(shí)間前產(chǎn)生了數(shù)值為P的劇變，可以認(rèn)為采集的數(shù)據(jù)為壓裂時(shí)的脈沖信號(hào)，系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入高速采集狀態(tài)。

2.2 自適應(yīng)采樣策略設(shè)計(jì)

由于施工工藝的原因，整個(gè)壓裂過(guò)程會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，為防止數(shù)據(jù)冗余，需要根據(jù)不同階段數(shù)據(jù)特點(diǎn)調(diào)整采樣頻率[8]。本測(cè)壓儀采用雙430單片機(jī)的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)采樣控制。主單片機(jī)的功能是控制整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，從單片機(jī)受主單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)變頻采樣和ADC轉(zhuǎn)換。圖3為自適應(yīng)采樣策略流程。

圖3 自適應(yīng)采樣策略流程Fig.3 Diagram of the adaptive sampling strategy

系統(tǒng)的自適應(yīng)采樣策略以“低速（1 Hz）-高速（125 kHz）-中速（500 Hz）”的方式采集數(shù)據(jù)。上電開(kāi)始采集后，TB中斷控制ADC12進(jìn)行高速125 kHz采集，并把數(shù)據(jù)暫存入FIFO。在觸發(fā)之前，F(xiàn)IFO在半滿(mǎn)后把數(shù)據(jù)更新到比較器的DAC輸入端，同時(shí)每1 s讀2 B數(shù)據(jù)存到存儲(chǔ)器里，從而實(shí)現(xiàn)不失真1 Hz采樣；當(dāng)接收到觸發(fā)信號(hào)后，系統(tǒng)進(jìn)入高速采集狀態(tài)，以125 kHz的速度把數(shù)據(jù)直接送入存儲(chǔ)器里。觸發(fā)1 s后通過(guò)TA中斷控制ADC12進(jìn)入500 Hz中速采樣，測(cè)試壓裂后井下壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)。

2.3 負(fù)延時(shí)設(shè)計(jì)

負(fù)延時(shí)技術(shù)的使用是為了完整地記錄整個(gè)壓裂過(guò)程的壓力變化。采用負(fù)延時(shí)技術(shù)可以采集到壓裂前極短時(shí)間內(nèi)的壓力變化數(shù)據(jù)。根據(jù)采樣策略，測(cè)試系統(tǒng)在采集過(guò)程中需要進(jìn)行變速采樣，傳統(tǒng)的負(fù)延時(shí)設(shè)計(jì)會(huì)在變速時(shí)丟失數(shù)據(jù)，本測(cè)壓儀采用FIFO來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)延時(shí)的設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的完整。根據(jù)系統(tǒng)需要和編程狀態(tài)時(shí)序?qū)IFO的半滿(mǎn)可編程容量設(shè)置為2 KB，當(dāng)存入數(shù)據(jù)達(dá)到2 KB時(shí)，F(xiàn)IFO就會(huì)輸出一個(gè)下降沿觸發(fā)主單片機(jī)中斷來(lái)處理數(shù)據(jù)。其處理流程如圖4所示。

圖4 負(fù)延時(shí)設(shè)計(jì)流程Fig.4 Diagram of negative delay

單片機(jī)進(jìn)入到FIFO半滿(mǎn)中斷后，先清除1 KB的數(shù)據(jù)，然后讀2 B數(shù)據(jù)通過(guò)隨動(dòng)觸發(fā)技術(shù)更新到比較器的輸入端。在FIFO中一直至少有1 KB的數(shù)據(jù)存留，當(dāng)某時(shí)接收到壓裂脈沖信號(hào)，F(xiàn)IFO中的存留數(shù)據(jù)作為高速數(shù)據(jù)直接存入存儲(chǔ)器里，即至少保留了觸發(fā)信號(hào)前1 KB的數(shù)據(jù)。這樣就實(shí)現(xiàn)了負(fù)延時(shí)的功能。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與分析

所研制的煤層氣井壓裂動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)在某煤礦共進(jìn)行了4次測(cè)試，均可靠采集到數(shù)據(jù)，圖5是其中一次典型的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)，該煤層有著我國(guó)煤層的典型特點(diǎn)，埋藏淺、滲透率較低，只有（0.01～1.0）×10-15m2，解吸壓力2.5 MPa，但含氣量較高，達(dá)到了10.8 m3/t。擬采用復(fù)合射孔技術(shù)對(duì)煤儲(chǔ)層進(jìn)行增產(chǎn)改造，并通過(guò)測(cè)試壓裂時(shí)的動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)來(lái)分析本次作業(yè)效果。

圖5 某煤層氣井下復(fù)合射孔實(shí)測(cè)曲線(xiàn)Fig.5 Composite perforating measured curve in a coal-bed methane well

本次測(cè)試的射孔層深1100 m，周?chē)后w為清水，射孔器長(zhǎng)3 m，含彈每米16發(fā)，相位角為90°，每發(fā)射孔彈裝藥28 g RDX，射孔器內(nèi)部裝有3 kg的推進(jìn)劑。從圖5曲線(xiàn)可知煤層氣井內(nèi)靜壓達(dá)到了11 MPa。t1時(shí)間段是射孔階段，壓力脈沖是射孔彈內(nèi)的炸藥爆炸產(chǎn)生的高速金屬射流以及生成氣體劇烈膨脹，繼而從射孔器的孔眼中噴出，從而形成一個(gè)壓力脈沖。峰值壓力達(dá)到了60 MPa，持續(xù)時(shí)間約為0.9 ms。t2時(shí)間段為高能氣體壓裂階段，復(fù)合射孔器內(nèi)部推進(jìn)劑被點(diǎn)燃爆燃的火藥產(chǎn)生大量高溫高壓氣體，這部分高溫高壓氣體作用于煤層以產(chǎn)生多個(gè)徑向裂縫，可以極大地提高煤層氣產(chǎn)能。由曲線(xiàn)可以看出燃燒持續(xù)時(shí)間10 ms左右，峰值壓力達(dá)到20 MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)煤層氣井壓裂時(shí)特殊的高溫高壓環(huán)境和壓裂信號(hào)的特點(diǎn)，并針對(duì)前代產(chǎn)品絕對(duì)壓力觸發(fā)技術(shù)穩(wěn)定性不足的缺陷，設(shè)計(jì)了基于隨動(dòng)壓力觸發(fā)技術(shù)的煤層氣井壓裂動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)。目前已在煤礦進(jìn)行了多次實(shí)際測(cè)試，測(cè)得了可靠的數(shù)據(jù)。

通過(guò)分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以得到結(jié)論：煤層氣井壓裂時(shí)的壓力峰值為20 MPa左右，持續(xù)時(shí)間小于10 ms，相對(duì)相同藥量下的石油井下復(fù)合射孔壓裂來(lái)說(shuō)峰值偏低且持續(xù)時(shí)間較短。除了煤巖的脆性大、硬度低等特點(diǎn)外，煤層氣井下壓裂技術(shù)的不成熟也是主要原因；以實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)為依據(jù)對(duì)射孔壓裂技術(shù)和工藝進(jìn)行研究，為加快壓裂技術(shù)發(fā)展和壓裂器的性能優(yōu)化提供了可靠的理論依據(jù)，對(duì)提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益和煤層氣采收率有著重要意義。

[1]馮明，陳力，徐承科，等.中國(guó)煤層氣資源與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[J].資源科學(xué)，2007，29（3）：100-104.

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節(jié)能為離散行業(yè)自動(dòng)化創(chuàng)造新機(jī)遇

全球化的發(fā)展下，各個(gè)行業(yè)的市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，同時(shí)也不斷涌現(xiàn)出新興產(chǎn)業(yè)。離散制造業(yè)在半導(dǎo)體、航空航天等行業(yè)的增長(zhǎng)下不斷發(fā)展，為市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展創(chuàng)造新機(jī)遇。近日，ARC集團(tuán)發(fā)布《離散行業(yè)自動(dòng)化與軟件支出全球市場(chǎng)研究報(bào)告》，對(duì)離散制造業(yè)市場(chǎng)進(jìn)行分析。

離散制造業(yè)在2014年經(jīng)歷了小幅增長(zhǎng)。盡管北美地區(qū)持續(xù)恢復(fù)和擴(kuò)張，這一增長(zhǎng)勢(shì)頭受到歐債危機(jī)和中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)放緩的抑制，資本設(shè)備投資受到拖累，降低整體增長(zhǎng)。歐元與日元兌美元匯率持續(xù)走低轉(zhuǎn)換成市場(chǎng)負(fù)面影響，從而導(dǎo)致更低增長(zhǎng)。

然而，亞洲、東歐和拉美地區(qū)不斷壯大的中產(chǎn)階級(jí)創(chuàng)造了日益增長(zhǎng)的需求，從電子消費(fèi)品到汽車(chē)，再到白色家電?！笆袌?chǎng)將繼續(xù)擴(kuò)大，盡管中國(guó)增速進(jìn)一步放緩，半導(dǎo)體、航空航天與國(guó)防，以及塑料和橡膠是帶動(dòng)市場(chǎng)的高增長(zhǎng)行業(yè)?！盇RC最新《離散行業(yè)自動(dòng)化與軟件支出全球市場(chǎng)研究報(bào)告》作者Himanshu Shah分析道。

全球化趨勢(shì)在全球化環(huán)境推動(dòng)下，工業(yè)企業(yè)投資應(yīng)用于不同行業(yè)新的自動(dòng)化設(shè)備，企業(yè)面臨提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗、減少產(chǎn)品可變性、降低產(chǎn)品成本、節(jié)省工廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)開(kāi)支、同時(shí)提高投資回報(bào)率的挑戰(zhàn)，來(lái)爭(zhēng)奪全球市場(chǎng)。

節(jié)能倡議倡導(dǎo)節(jié)能成為共識(shí)，從地方政府到國(guó)家政府，消費(fèi)者對(duì)工業(yè)運(yùn)營(yíng)的認(rèn)知，推動(dòng)自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用，大幅降低全球能源消耗。

自動(dòng)化與安全制造業(yè)自動(dòng)化與機(jī)器安全的融合已成為目前的大趨勢(shì)。更多的機(jī)器正在集成安全和運(yùn)動(dòng)技術(shù)，為自動(dòng)化供應(yīng)商增加其在機(jī)器上的收入份額創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

醫(yī)療行業(yè)采用自動(dòng)化自動(dòng)化正開(kāi)始滲透到醫(yī)療行業(yè)中的手術(shù)和診斷環(huán)節(jié)。隨著越來(lái)越多的自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用于微創(chuàng)外科手術(shù)的診斷設(shè)備，癌癥治療放射，以及其他應(yīng)用的整體管理，維護(hù)需求增加。

盡管離散行業(yè)制造過(guò)程的自動(dòng)化支出整體預(yù)測(cè)積極，諸多因素仍會(huì)導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)的增加，本報(bào)告中將就此加以分析。