朱祖揚， 吳海燕， 張　林， 李豐波， 趙金海，3， 張　衛(wèi)

(1.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；2.中石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司，山東東營 257064；3.中石化休斯頓研究開發(fā)中心，休斯頓 77056)

鉆井過程中為了掌握鉆具工況、鉆井液的流變性、井壁穩(wěn)定性、井涌、井漏和井眼軌跡等信息，需要實時測量井筒工程參數(shù)(溫度、壓力、井斜角和工具面角等)，并根據(jù)這些參數(shù)調(diào)整鉆井液密度、選擇套管最佳下入深度及調(diào)整鉆井施工作業(yè)等，從而為高效鉆井和安全鉆井提供保障。國內(nèi)外已經(jīng)研制了測量井筒工程參數(shù)的隨鉆測量短節(jié)(PWD)[1]，并已經(jīng)廣泛應用于鉆井施工中。但隨鉆測量短節(jié)離鉆頭較遠(大部分超過了10.00 m)，造成測量參數(shù)滯后，導致井眼軌跡調(diào)整不及時，且隨鉆測量短節(jié)只能測量井筒底部的工程參數(shù)，隨著鉆井深度增加，不能再測量井筒上部的工程參數(shù)，當井筒上部發(fā)生異常情況時不能及時采取措施，從而導致發(fā)生井下故障。因此，要尋找一種能夠快速測量全井筒工程參數(shù)的技術，而井下智能技術和半導體技術的發(fā)展?jié)M足了這一需求。微芯片技術由于具有微型化和智能化的優(yōu)點，已在鉆井領域得到了應用。2010年左右，美國Tulsa大學和Houston大學進行了井下微球測量技術[2-4]和井下微球傳輸技術[5-7]研究，突破了傳統(tǒng)隨鉆測量技術的理念，把幾米長、幾十公斤質(zhì)量的隨鉆測量短節(jié)的功能濃縮于1個只有幾毫米大小的微球上。自2011年起中國石化與Tulsa大學進行了井下微球測量技術攻關研究，經(jīng)過多年努力形成了具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品——井筒微芯片示蹤器(以下簡稱為“示蹤器”)[8]。示蹤器主要測量整個井筒中的溫度和壓力，其外形是一個直徑7.5 mm的球體。示蹤器雖然體積不大，但里面卻包含了微控制器、傳感器和電池等部件。研究發(fā)現(xiàn)，示蹤器的性能受電源的影響較大，使用過程中如果電池充電不足或高溫環(huán)境下電池放電速度過快，井筒工程參數(shù)就采集得不完整，對于這個問題[3],國外提出了定制耐高溫大容量微型電池的方案，但是制作成本很高。筆者以可充電鋰電池為示蹤器的電源，并采用無線充電技術，通過試驗分析了影響示蹤器電源充放電性能的因素，并采取了相應的控制策略，使示蹤器的電源獲得了最佳工作效能，確保了示蹤器能夠測全整個井筒的工程參數(shù)。

1　示蹤器無線充電設計方案

示蹤器通過鉆柱水眼連續(xù)投放到循環(huán)的鉆井液中，從鉆頭水眼進入井筒，隨鉆井液循環(huán)從環(huán)空上行返至地面，采集井筒中的溫度和壓力，從而建立井筒溫度和壓力分布剖面[8]。由于鉆頭水眼的直徑非常小，為確保示蹤器順利通過鉆頭水眼進入環(huán)空段進行測量，示蹤器樣機為直徑7.5 mm的小球，其密度約1.5 g/cm3，耐溫可達100 ℃，耐壓可達70 MPa。示蹤器內(nèi)部包含微控制芯片、微型傳感器、微型電池和電阻電容等元器件，內(nèi)部電路如圖1所示。由于示蹤器內(nèi)部的空間非常有限，要求示蹤器內(nèi)每一個元器件(模塊)的尺寸盡可能小、功耗盡可能低，同時能夠承受井下的高溫高壓，并且相對較容易組裝。

圖1　示蹤器微型化采集電路Fig.1　Micro-acquisition circuit of the tracer

考慮到示蹤器的尺寸和特定的工作環(huán)境，同時為了不破壞示蹤器的完整性和降低制作工藝難度，采用無線充電技術[9]給電池充電，這樣能夠省去外部接插件，從而降低示蹤器內(nèi)部電路與鉆井液接觸的概率。示蹤器電源設計成由一個可充電鋰電池和一個受電線圈組成，受電線圈感知外部的磁場能量并將其轉(zhuǎn)換為受電電壓，實時給鋰電池充電，鋰電池給示蹤器提供電能。該電源設計方案還需要有無線充電裝置。無線充電裝置由高頻振蕩電路和送電線圈組成，高頻振蕩電路驅(qū)動送電線圈工作，使送電線圈產(chǎn)生高頻磁場，通過高頻磁場實時給示蹤器內(nèi)的鋰電池充電。無線充電示意圖如圖2所示。

圖2　示蹤器無線充電示意Fig.2　Diagram of wireless charging of the tracer

通常情況下送電線圈和受電線圈都繞制成平面空心線圈，線圈的繞制方向一致，以便產(chǎn)生磁場疊加。受電線圈感應電壓與受電線圈的匝數(shù)、面積和耦合電磁場強度有關，當受電線圈與送電線圈軸線方向重合，且距離越小時，受電線圈獲得的感應電壓越高，鋰電池的充電效果就越好。

圖3　無線充電電路原理圖Fig.3　Schematic diagram of wireless charging circuit

2　示蹤器電源的充放電特性

示蹤器電源設計主要考察以下性能：一個是示蹤器內(nèi)部的鋰電池能夠快速充滿電；另一個是示蹤器內(nèi)部鋰電池的放電速度要慢，以保持較長的續(xù)航時間。因此，有必要掌握示蹤器內(nèi)部鋰電池的充電和放電特性，從而控制影響無線充電的因素，評估外界環(huán)境對示蹤器工作性能的影響。

為了準確評價無線充電效能，依據(jù)圖3構建了無線充電測試電路，受電線圈和送電線圈采用線徑0.1 mm的漆包線繞制而成，振蕩器工作頻率0～2 MHz，工作電壓4.00～18.00 V。在試驗過程中，用游標卡尺測量受電線圈和送電線圈的對心距d，用萬用表測量鋰電池兩端的電壓。為了準確評價鋰電池的放電特性，設計了鋰電池放電電路，其原理如圖4所示。使用高溫烘箱對鋰電池放電電路進行加溫，以模擬井下高溫環(huán)境。

2.1　送電電壓對充電電壓的影響

考慮充電電壓會同時受到送電電壓和線圈對心距的影響，需要設定送電線圈和受電線圈對心距，再考察充電電壓和送電電壓的關系。由于受電線圈不能直接裸露在外面，其被環(huán)氧樹脂包裹，包裹厚度約為1.0 mm，因此設定送電線圈和受電線圈對心距為1.0 mm。改變振蕩器工作電壓，即改變送電電壓，測定充電電壓，結果見圖5。

圖4　電池放電電路原理圖Fig.4　Schematic diagram of discharge circuit

圖5　充電電壓和送電電壓之間的關系Fig.5　Relationship between charging voltage and transmission voltage

由圖5可可以看出，送電電壓越大，充電電壓也越大，二者之間呈斜率為0.5的線性關系，當送電電壓為7.00 V時，充電電壓為3.39 V，此時已經(jīng)達到鋰電池最大充電電壓，送電電壓再升高，有可能充爆鋰電池?？紤]實際充電過程中送電線圈和受電線圈不一定處于對心位置，即二者之間有較小的平面夾角，能量交換不充分，要達到較好的充電效果，需要增大送電電壓，送電電壓為8～10 V最佳。

2.2　線圈對心距對充電電壓的影響

為了分析送電線圈和受電線圈對心距對充電電壓的影響規(guī)律，將送電電壓設定為10.00 V，測定不同線圈對心距下的充電電壓，結果見圖6。

圖6　充電電壓和線圈對心距之間的關系Fig.6　Relationship between charging voltage and coil distance

由圖6可以看出，線圈對心距越大，充電電壓越低，二者之間呈斜率為-0.7的線性關系，即線圈對心距增加1.0 mm，充電電壓就會降低0.70 V。當線圈對心距增大到2.0 mm時，充電電壓降至2.47 V，此時線圈對心距不能再增大，否則就不能給鋰電池充電了。這說明，當送電電壓為10.00 V時，線圈對心距不宜超過2.0 mm。如果線圈對心距超過2.0 mm時，則要升高送電電壓。

2.3　電池電壓和充電時間的關系

考慮到充電時間太短會導致鋰電池充電不充分，而充電時間過長又不利于現(xiàn)場使用，因此有必要了解鋰電池的最佳充電時間。設定充電過程中線圈對心距為1.0 mm，送電電壓為7.00 V，此時充電電壓為3.39 V，用該電壓給鋰電池充電10 min，每隔2 min取下鋰電池測一次電池電壓，結果見圖7。鋰電池充電之前的電壓為0.10 V。

圖7　電池電壓和充電時間之間的關系Fig.7　Relationship between battery voltage and charging time

由圖7可以看出，充電2 min后，鋰電池的電壓迅速升至2.66 V，此后緩慢上升，充電時間達到10 min鋰電池電壓升至3.02 V，達到了鋰電池額定電壓。這說明鋰電池充電過程經(jīng)歷了預充電和恒壓充電2個階段，在預充電階段，鋰電池電壓直線上升，當進入恒壓充電階段，鋰電池電壓逐步達到飽和。這表明，充電10～20 min就可以達到較好的充電效果，有利于縮短現(xiàn)場作業(yè)時間。

2.4　溫度對鋰電池放電特性的影響

考慮示蹤器在高溫環(huán)境下工作，高溫環(huán)境會對電池的使用產(chǎn)生影響，這種影響包括電池的使用壽命和單次續(xù)航時間，因此有必要了解鋰電池在高溫下的放電特性。將鋰電池接入到放電電路中,分別在25和80 ℃溫度下測定鋰電池的放電速度，即每放電2 min取下電池測一次鋰電池的電壓，結果見圖8。

圖8　不同溫度下電池電壓與放電時間的關系Fig.8　Relationship between battery voltage and discharge time under different temperatures

由圖8可以看出，鋰電池的電壓隨著放電時間增長而降低，25和80 ℃溫度下鋰電池電壓下降的速度分別為0.18和0.23 V/min，這說明，高溫下鋰電池的放電速度比常溫下快。

將沒有封裝外殼的示蹤器電源接入放電電路，測試其在溫度為80 ℃、不同放電時間下的電壓，結果見圖9。由圖9可以看出，放電10 min后示蹤器電源的電壓快速降至2.44 V，此后緩慢降低，放電60 min降至2.23 V，這說明示蹤器電源放電過程經(jīng)歷了起始階段和穩(wěn)定階段：起始階段電源電壓降低得很快，穩(wěn)定階段電源放電速度平緩。這表明，在80 ℃溫度下，示蹤器電源供電時間超過1 h，考慮到實際井筒中只是井筒下部溫度較高，而井筒上部溫度較低，因此在井底溫度為80 ℃的井筒內(nèi)，示蹤器電源的供電時間還會更長。

圖9　示蹤器電源電壓與放電時間的關系Fig.9　Relationship between power supply voltage and discharge time

3　示蹤器入井試驗

根據(jù)上述研究結果，對示蹤器電源進行了優(yōu)化，調(diào)整了線圈的設計方案，工作模式由以前通過指示燈的亮度來判斷充電是否充分，變?yōu)楦鶕?jù)充電距離和充電時間來評估電池是否充滿。為了檢驗示蹤器在井下的工作情況，進行了示蹤器入井試驗。示蹤器入井對井下工況有一定的要求，首先，鉆頭水眼的直徑要大于示蹤器的外徑，以避免示蹤器堵住鉆頭水眼；其次，鉆具組合中不能有螺桿鉆具、隨鉆測井測量儀器，因為螺桿鉆具、隨鉆測井測量儀器會堵住示蹤器的下行通道。因此在示蹤器入井之前，需要掌握試驗井的井身結構、鉆具組合和鉆井液性能等。試驗井鉆至井深2 440.00 m時，井斜角67°，鉆井液密度1.20 kg/L，鉆井液排量26 L/s，鉆頭水眼直徑28.0 mm，裸眼井段直徑215.9 mm，鉆桿內(nèi)徑108.6 mm，鉆桿外徑127.0 mm。由于該井鉆具組合中有螺桿鉆具，因此選擇通井時卸掉螺桿鉆具再進行試驗。

試驗井通井后，在接單根的間隙向鉆桿內(nèi)投入10個示蹤器(只能測量溫度)，并將鉆頭提至離井底3.00 m遠的位置，以便示蹤器從鉆頭噴嘴出來后有一個緩沖距離，以降低其對井底地層的沖擊力。示蹤器入井大約10 min后，將鉆頭下放至井底，這段時間內(nèi)示蹤器已經(jīng)安全到達井底。示蹤器入井約30 min后(鉆井液遲到時間約為40 min)，開始在振動篩鉆井液出口處打撈示蹤器，打撈示蹤器的時間持續(xù)了2 h，比2個鉆井液遲到時間略長。最終打撈到1個示蹤器，其外觀完好無損。示蹤器記錄了時長6 000 s的溫度數(shù)據(jù)(見圖10)，說明示蹤器記錄的溫度數(shù)據(jù)是完整的，獲得了整個井筒的溫度分布曲線。

圖10　示蹤器在試驗井中記錄到的溫度數(shù)據(jù)Fig.10　Temperature points collected from trial wells by the tracer

由圖10可知，溫度曲線有a(0 s，38 ℃)、b(500 s，30 ℃)、c(1 200 s，60 ℃)、d(4 200 s，53 ℃)、e(4 500 s，26 ℃)和f(5 800 s，28 ℃)幾個關鍵點。a點對應的溫度是示蹤器充電時測量到的無線充電裝置的溫度，表明充電時送電線圈發(fā)熱了。a點至b點間的曲線表明示蹤器充好電后，被從無線充電裝置上取下，拿到鉆臺上準備入井，鉆臺上的溫度為30 ℃。b點和c點間的曲線表明示蹤器入井在鉆桿內(nèi)隨鉆井液快速下入到井底，用時700 s，溫度升高幅度先大后小，說明示蹤器下入速度先快后慢，這是因為試驗井是一口定向井，在直井段下入速度快，在斜井段下入速度慢。c點對應的溫度為井底溫度。c點至d點間的曲線表明示蹤器從鉆頭水眼出來后進入環(huán)空，并上返至地面，用時3 000 s，這個過程時間相對較長，這是因為示蹤器本身有重量，上返過程中有一個下沉速度，而且在經(jīng)過有擴徑和狗腿的井段時，示蹤器會原地旋轉(zhuǎn)。d點對應的溫度為鉆井液出口溫度。d點至e點間的曲線表明示蹤器從振動篩上撈出來，溫度快速下降。e點對應的溫度為地面溫度。e點至f點間的曲線表明示蹤器被打撈出來以后仍然工作了1 300 s后電池的電才耗完。f點對應的溫度也是地面溫度，比e點對應的溫度要高，這是因為試驗結束時氣溫在回升。

4　結　論

1) 示蹤器電池采用了無線充電技術，沒有外部接插件，從而不但能夠在鉆井液中使用，而且可以重復充電和重復使用，提高了示蹤器的使用率。

2) 示蹤器采用可充電的鋰電池作為電源。鋰電池的充電效率和充電電壓、線圈對心距及充電時間密切相關，當充電電壓為8.00～10.00 V、線圈對心距小于2.0 mm、充電時間為10～20 min時，鋰電池能夠充電到額定電壓。鋰電池的放電速度與外界環(huán)境溫度有關，溫度越高，鋰電池的放電速度越快，供電時間越短。

3) 入井試驗表明，示蹤器以可充電鋰電池為電源，采用無線充電技術給鋰電池充電的供電方案達到了預期目標。

4) 為了進一步測試和優(yōu)化示蹤器的性能，實現(xiàn)示蹤器在石油工程中的應用，需要繼續(xù)開展不同油區(qū)、高低溫度環(huán)境下的示蹤器入井試驗。

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