宗艷波,鄭俊華,錢德儒,王磊

(中國石化石油工程技術研究院,北京 100101)

0 引 言

地層孔隙壓力是鉆井工程領域所需的重要參數(shù),隨鉆測量地層壓力能夠更加真實地反映真實地層壓力,測量準確性好,測量數(shù)據(jù)可實時上傳,隨鉆測量形成地層壓力剖面,對優(yōu)化鉆井工藝、提高鉆井效率具有重要意義[1]。隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)也稱為隨鉆地層壓力測試器或隨鉆地層測試器,是在鉆桿地層測試器和電纜地層測試器的基礎上發(fā)展的一種隨鉆測井技術[2-3]。該技術利用接單根等短暫停完成地層壓力的隨鉆測量,能夠反映真實的地層壓力變化情況,是當前鉆井領域的前沿技術之一[4]。2003年,哈里伯頓公司的GeoTap、貝克休斯公司的TesTrak和斯倫貝謝公司的Stethoscope等隨鉆地層測試工具陸續(xù)進行了現(xiàn)場試驗[5-8],近幾年也在中國海上油氣井中得到應用[9-10]。2014年,威德福公司也推出了PressureWave隨鉆地層測試器。隨著電纜地層測試技術的成熟,未來隨鉆地層測試器將陸續(xù)集成聚焦探針、流體取樣和流體實時分析功能。

由于隨鉆地層測量工具的研制難度很大,中國只有少數(shù)單位開展了相關研究。其中中石化工程院開展了相關技術研究[11],并研制出隨鉆地層壓力室內模擬實驗裝置[12]和原理樣機,并經(jīng)過多次地面試驗和室內模擬井試驗;大慶鉆井院[13-14]參考RFT系統(tǒng)研制了SDC-I型隨鉆地層壓力測試器,數(shù)據(jù)解釋采用流量分析方法;中海油研究總院[15-16]研制的鉆井中途地層測試器,類似于MDT模塊式電纜地層測試器,近期也開展了隨鉆方面的研究工作;陳平等[17]開展了隨鉆地層壓力測量的模擬試驗研究,進行了室內模擬試驗,并對影響測量結果的各種因素進行了數(shù)值模擬分析和室內模擬試驗[18];陶果等在探頭式地層測試器的數(shù)值模擬[19]、影響因素分析[20]和數(shù)據(jù)解釋方面開展了相關研究;此外,張向維等[21]進行了隨鉆地層測試器的預測試技術研究,與MDT地層測試器預測試技術一致;胡澤等[22]基于雙處理器架構設計了隨鉆地層壓力測控系統(tǒng),其測控系統(tǒng)只有信號測量和電磁閥控制功能,沒有電機控制功能。相對于測試理論和解釋方法的研究深入程度,中國在儀器裝備研制方面的投入和研究力量都亟待加強。本文采用雙DSP處理器構建主從式測控系統(tǒng),其中主處理器完成信號采集處理、指令接收、液壓系統(tǒng)動作時序控制,從處理器完成電機和電磁閥控制,測控系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)一起構成隨鉆地層壓力測量儀的電液控制系統(tǒng),經(jīng)過試驗測試,各項指標達到設計要求。

1 液壓系統(tǒng)原理設計

隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)由電源模塊、測量探頭、液壓模塊、預測試活塞、電控模塊及蓄能器等構成。通過測量探頭建立與地層流體的聯(lián)系通道,在電控模塊和液壓系統(tǒng)的配合下實現(xiàn)探頭的推靠、抽汲、測量和探頭回收等動作。通過掛接電磁波傳輸平臺或泥漿傳輸系統(tǒng)構成完整的隨鉆地層壓力測量系統(tǒng),電控模塊與液壓模塊一起構成電液控制系統(tǒng)。

其中液壓系統(tǒng)設計主要圍繞測量探頭推靠、回收和預測試活塞抽汲3個動作開展,結構上由動力源泵站、電磁閥、溢流閥、液壓雙向鎖、探頭裝置、抽吸裝置等組成。圖1(a)所示為液壓系統(tǒng)原理圖,圖1(b)為泵閥控制時序圖和理論地層壓力測試曲線的對應關系圖。工作時,馬達帶動泵回轉,通過過濾器抽汲油箱內的液壓油。液壓系統(tǒng)工作流程包括系統(tǒng)啟動初始化、探頭推靠坐封、探頭密封隔離、預測試抽汲、探頭解封及收回及測試結束系統(tǒng)復位等6個主要步驟。

(1) 系統(tǒng)啟動初始化:得到地面指令,啟動電機,泵開始向液壓系統(tǒng)提供液壓油,電磁閥3打開,可使探頭、抽吸裝置、復位到初始狀態(tài)。

(2) 探頭推靠坐封:打開電磁閥1和電磁閥2,探頭活塞與探針推靠到井壁上。探頭密封墊推靠到井壁的泥餅上,測試通道與被測地層溝通。控制器持續(xù)檢測系統(tǒng)壓力,當作用在密封墊上的力達到預設值時,密封墊產(chǎn)生擠壓變形,實現(xiàn)探頭密封。

(3) 探頭密封隔離:密封墊推靠至井壁,系統(tǒng)壓力升至額定值時,關閉平衡閥10,實現(xiàn)地層測試通道與井底環(huán)空隔離。

圖1 電液控制系統(tǒng)原理

(4) 預測試抽汲:系統(tǒng)壓力達到額定值后,關閉電磁閥2,開始抽汲地層流體。抽汲活塞移動,使流體通道的體積增大,直至體積達到預定值時。在這個過程中,控制器持續(xù)監(jiān)測腔通道內的壓力變化,直到壓力穩(wěn)定,或達到規(guī)定時間,壓力傳感器2用于測量地層流體壓力。

(5) 探頭解封及收回:關閉電磁閥1,打開平衡閥10,同時探頭活塞和抽吸活塞充分收回,并排除測試腔通道內雜質。

(6) 測試結束系統(tǒng)復位:系統(tǒng)壓力達到額定值時,關閉電磁閥3,關閉電機和油泵。所有電磁閥回到初始關閉狀態(tài)。液壓系統(tǒng)完成復位回到初始狀態(tài)。

2 電控系統(tǒng)設計

電控系統(tǒng)的功能主要包括控制、測量、存儲、數(shù)據(jù)解釋分析和數(shù)據(jù)傳輸5個方面。其中控制信號主要體現(xiàn)在對電機和電磁閥的控制,測量信號種類和數(shù)量較多,主要包括地層壓力、液壓系統(tǒng)壓力、環(huán)空壓力、管柱壓力和溫度等測量參數(shù)以及旋轉狀態(tài)、電機轉速、系統(tǒng)電流、電壓等狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)。同時電控系統(tǒng)還要完成多種信號處理和存儲,并完成壓力恢復分析算法等多種任務,將電纜地層測試器在地面上實現(xiàn)的解釋工作由井下處理器實時實現(xiàn),導致電控系統(tǒng)較為復雜。為了降低系統(tǒng)設計的復雜性,提高系統(tǒng)靈活度和可靠性,采用主從式雙處理器架構進行電控系統(tǒng)設計,包括系統(tǒng)硬件設計和系統(tǒng)軟件設計2大部分。

2.1 系統(tǒng)硬件設計

電控系統(tǒng)硬件結構框圖見圖2。以TI公司的TMS320F2812處理器為核心分別設計中控電路和電機電磁閥控制電路。其中主處理器所在的中控電路完成多路信號采集、處理和存儲,進行壓力恢復算法分析,完成地層壓力計算等關鍵算法的實現(xiàn),執(zhí)行液壓系統(tǒng)中控任務調度、邏輯控制,對從處理器發(fā)出控制指令。從處理器根據(jù)指令控制電機運行狀態(tài)和電磁閥開關狀態(tài)。

圖2 電控系統(tǒng)硬件結構框圖

F2812是用于電機控制和運動控制的32位定點CPU處理器,運算速度最高150 MIPS,具有2個獨立電機控制接口和多種協(xié)議通信接口,如SPI端口、SCI端口,eCAN端口和McBSP端口,此外還有多達56個通用IO口。以F2812為核心設計電控系統(tǒng),可以簡化系統(tǒng)結構,為隨鉆地層壓力測控系統(tǒng)搭建良好平臺。

中控電路主要包括測量模塊、串口通信模塊和存儲模塊以及系統(tǒng)工作所需的時鐘和電源等構成。其中測量模塊由傳感器及其調理電路和ADC模數(shù)轉換器組成,由于測量電路要完成環(huán)空壓力、地層壓力、管柱內壓力、系統(tǒng)壓力4組壓力信號、4個壓力傳感器自帶的4路溫度信號、1路預測試活塞位移信號及2路用于計算鉆鋌轉速的磁信號,總計11路信號進行同步采集。壓力傳感器采用帶溫度輸出的應變式壓力計,量程0～20 000 psi*非法定計量單位,1 psi=6 894.757 Pa,下同,耐溫175 ℃。傳感器全量程精度為0.75%,輸出2.5 mV/V電壓信號。調理電路見圖3。由儀表放大器INA218和集成運放OP211組成,改變RG的阻值,可以調整調理電路的增益,采用該電路,將0～20 000 psi壓力對應的輸出電壓調整到0～10 V,送入AD7656芯片采集。盡管F2812芯片具有16通道12位片內ADC模塊,但是其精度低,量化間隔為4 095,對于0～100 MPa的目標測量區(qū)間,最小測量間隔為0.024 4 MPa,合3.5 psi,精度不足1 psi。因此測量電路采用2片AD7656芯片并聯(lián)使用。AD7656是具有6通道數(shù)據(jù)同步采集功能的16位AD7656芯片,量化間隔為65 535,對于0～100 MPa的測量區(qū)間,最小間隔為0.001 5 MPa,約為0.22 psi,能夠滿足1 psi的測量精度。

圖3 信號調理電路

串口通信由SN65HVD11芯片配合DSP的SCI串口模塊構成RS-485通信模塊,不僅能夠與電磁波MWD或泥漿脈沖傳輸平臺掛接,也能滿足主從處理器之間的內部通信,需要注意的是,與MWD傳輸平臺進行通信時,485串口工作在地址線模式還是空閑線模式由MWD傳輸平臺的通信協(xié)議確定。存儲模塊采用美光公司的N25Q256存儲器,容量為256 MB,SPI接口,3.3 V供電,可以與F2812的SPI端口直接連接。

電機控制系統(tǒng)主要由從處理器模塊、電機驅動模塊、電機反饋模塊、電流檢測采集模塊、電磁閥驅動電路、通信接口模塊及電源轉換模塊等組成,結構見圖4。各模塊之間均使用數(shù)字隔離器以防止信號之間的相互串擾。電機驅動模塊作為驅動電機的執(zhí)行機構,包括功率驅動單元和功率放大單元;電機反饋模塊包括母線電壓檢測、母線電流檢測和反電勢信號采集電路。

圖4 電機控制系統(tǒng)工作原理圖

2.2 系統(tǒng)軟件設計

當儀器接收到地面啟動指令后液壓系統(tǒng)開始工作,沒有接收到地面指令時,電控系統(tǒng)只進行數(shù)據(jù)采集、存儲和上傳工作。系統(tǒng)上電啟動后,首先進行系統(tǒng)初始化,對系統(tǒng)參數(shù)進行配置和檢查,確定系統(tǒng)安全后,進行主程序等待響應各個中斷子程序。

數(shù)據(jù)采集和處理任務由CPU定時器0中斷啟動,周期為100 ms,每秒存儲1組環(huán)空壓力信號。下傳指令接收解碼算法由中斷CPU定時器2的中斷啟動,周期為10 s,當解碼出地面啟動指令后,置地層壓力測試中斷啟動標志位為1,啟動地層壓力測試中斷子程序。地層壓力測試中斷子程序是電控系統(tǒng)的核心,其流程圖見圖5。

圖5 地層壓力測試中斷子程序流程圖

3 試驗與結果

在完成系統(tǒng)軟硬件設計、機械裝配和調試的基礎上,進行了致密和中滲透率2種巖心的抽汲試驗。首先采用滲透率為0.1 mD*非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同的致密巖心進行抽汲試驗,測試腔內壓力隨探頭“座封—抽汲—解封”過程的變化曲線見圖6(a)。當活塞開始抽汲時,可以很快形成4 MPa的抽汲壓差,當收回推靠探頭時,測試腔內壓力很快恢復到環(huán)空壓力。

圖6 不同滲透性巖心的抽汲試驗結果

更換中滲透率巖心后,試驗中環(huán)空壓力設定為11 MPa,實測值是10.88 MPa,地層壓力設定為10 MPa,實測值9.7 MPa。測試腔內壓力隨探頭“座封—抽汲—解封”變化曲線見圖6(b)。由圖6(b)可見,探頭實現(xiàn)座封前,測試腔內壓力等于地層壓力,座封后,預測試抽汲活塞動作,形成大約4 MPa的抽汲壓降,隨后,測試腔內壓力開始恢復,當壓力恢復完成時,測試腔內壓力維持在9.6 MPa,接近實際地層壓力9.7 MPa,誤差0.1 MPa。隨后探頭解封并收回,測試腔內壓力恢復到地層壓力。

隨后在某井下試驗室室內模擬井進行了套管內干抽試驗,以驗證下傳啟動指令是否成功,將儀器串放入模擬井筒后,一旦收到地面發(fā)送的鉆井液壓力脈沖信號后,井下儀器自動啟動。儀器出井后,通過數(shù)據(jù)回放檢查下傳指令接收是否成功。圖7為壓力脈沖序列,脈沖寬度60 s,壓力脈沖三開三關為1個有效的啟動指令。下傳指令下發(fā)后將模擬井環(huán)空壓力升至5 MPa,并維持穩(wěn)定,等待井下儀器自動啟動。圖8為模擬井試驗中的地層壓力測量結果,測試過程中,環(huán)空壓力5 MPa時,形成4.5 MPa的抽汲壓降。抽汲曲線完整,符合干抽的特點。

圖7 壓力變化形成的下傳啟動指令脈沖

圖8 模擬井試驗地層壓力測量結果

4 結 論

(1) 設計的電液控制系統(tǒng)初步實現(xiàn)了隨鉆地層壓力測量原理樣機功能。

(2) 模擬井試驗表明儀器樣機能夠在接收到指令后啟動測量短節(jié),探頭推靠—坐封—抽汲—解封—復位動作正常,得到與理論曲線一致的地層壓力測試曲線。地層壓力測量、數(shù)據(jù)存儲、上傳、解碼分析處理無誤,驗證了電液控制系統(tǒng)和原理樣機整體方案的正確性。

(3) 原理樣機液壓系統(tǒng)的抽汲壓降稍顯不足,為提高原理樣機的實用性,需增大探頭的抽汲能力,用微型柱塞泵代替目前的齒輪泵,進一步提高泵及電機效率。

(4) 還可優(yōu)化液壓控制系統(tǒng)控制時序,增加故障監(jiān)測功能,進一步提供系統(tǒng)的可靠性和實用性。

參考文獻:

[1] 劉建立,陳會年,高炳堂. 國外隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)及其應用 [J]. 石油鉆采工藝,2010,32(1): 94-98.

[2] HOOPER M,MACDONALD C,SHALHOPE R,et al. Applications for an LWD Formation Tester [C]∥SPE 52794,1999.

[3] 邸德家,陶果,孫華峰,等. 隨鉆地層測試技術的分析與思考 [J]. 測井技術,2012,36(3): 294-299.

[4] 成志剛,柴細元,鄒輝,等. 地層評價與測井技術新進展——第55屆SPWLA年會綜述 [J]. 測井技術,2014,38(6): 645-651.

[5] MEISTER M,LEE J,KRUEGER V. Formation Pressure Testing During Drilling: Challenges and Benefits [C]∥SPE84088,2003.

[6] PROETT M,WALKER M,WELSHANS D,et al. Formation Testing While Drilling,a New Era in Formation Testing [C]∥SPE 84087,2003.

[7] BILDSTEIN J,STROBEL J. Formation Pressure While Drilling,a Valuable Alternative in Difficult Drilling Environment in Northern Germany [C]∥SPE94076,2005.

[8] POP J,LAASTAD H,ERIKSEN K. Operational Aspects of Formation Pressure Measurements While Drilling [C]∥SPE 92494,2005.

[9] DAC THE NGUYEN,MY DUNG DOAN THI,AHMED AQIL,et al. Combining Sonic While Drilling and Formation Pressure While Drilling for Pore Pressure Analysis to Reduce Drilling Risk: a Case Study in Offshore Vietnam [C]∥OTC-26443-MS,2016.

[10] 趙國海,劉興奎,李鋒,等. Stethoscope系統(tǒng)在鉆井工程中的應用 [J]. 石油工業(yè)計算機應用,2012,19(2): 29-31,

[11] 鄭俊華,楊春國,陳小鋒,等. 隨鉆地層壓力測量探頭推靠力研究 [J]. 石油機械,2011,39(7): 42-44.

[12] 宗艷波,錢德儒,王磊,等. 隨鉆地層壓力測量模擬試驗裝置研制 [J]. 科學技術與工程,2016,16(11): 152-156.

[13] 趙志學,韓玉安,高翔. SDCI型隨鉆地層壓力測試器 [J]. 石油機械,2011,39(2): 52-54.

[14] 楊決算,高翔. 基于不穩(wěn)定試井原理的隨鉆地層壓力測試模型 [J]. 大慶石油學院學報,2010,34(2): 81-84.

[15] 余強,劉樹鞏,劉書民,等. 鉆井中途油氣層測試儀(ERCT)及其在渤海油田的應用 [J]. 石油儀器,2011,25(6): 23-25.

[16] 陳永超,周明高,秦小飛,等. 地層測試器極板式大探針短節(jié)的研制與試驗 [J]. 石油機械,2016,44(1): 16-19,24.

[17] 劉陽,陳平,夏宏泉,等. 隨鉆地層壓力測量模擬實驗研究 [J]. 鉆采工藝,2012,35(2): 12-14.

[18] 馬天壽,陳平. 隨鉆地層測試壓力響應數(shù)學模型及物理實驗考察 [J]. 地球物理學報,2014,57(7): 2321-2333.

[19] 周艷敏,陶果,谷寧,等. 地層測試器在滲透率各向異性地層中響應的數(shù)值模擬 [J]. 中國石油大學學報(自然科學版),2009,33(3): 71-75.

[20] 邸德家,陶果,張同義,等. 電纜地層測試評價井旁裂縫的有限元數(shù)值模擬方法 [J]. 地球物理學報,2015,58(1): 298-306.

[21] 張向維,陳兵,馬軍亮,等. 隨鉆地層測試器預測試技術研究 [J]. 石油礦場機械,2009,38(1): 13-16.

[22] 葉萬聰,胡澤,張淳. 隨鉆地層壓力測量裝置測量控制系統(tǒng)的設計 [J]. 自動化儀表,2013,34(5): 20-22,25.