支宏旭，張華勇，余 強(qiáng)，薛永增，高天瑞，郝桂青，胡衛(wèi)平，沈 陽(yáng)

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部 河北 三河 065201)

0 引 言

不同于傳統(tǒng)的電纜測(cè)井儀器，隨鉆測(cè)井儀器對(duì)電路的集成度、抗震性和耐溫指標(biāo)都提出了更高的要求。厚膜技術(shù)將電子器件集成于陶瓷基板之上，輔以灌膠的加固與散熱工藝、金屬外殼封裝工藝，能極大縮小電路體積、顯著增強(qiáng)散熱[1-2]和抗震性能，已經(jīng)是國(guó)內(nèi)井下儀器測(cè)控系統(tǒng)的主流設(shè)計(jì)方向和實(shí)現(xiàn)手段[3-5]。本文設(shè)計(jì)了一種隨鉆電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，通過高溫測(cè)試和10井次的實(shí)際作業(yè)，該電路的穩(wěn)定性和可靠性得到充分驗(yàn)證。

1 電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

1.1 電路原理與程序設(shè)計(jì)

圖1是電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的電路原理圖。微控制器MSP430F2619-HT以中斷的方式通過RS485接口芯片響應(yīng)總線命令，RS485接口芯片一般選用耐溫性能良好的SN65HVD11。微控制器的IO輸出能力有限，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)圖1(a)中的電磁閥驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路，必須借助達(dá)林頓管陣列的擴(kuò)流作用。當(dāng)微控制器通過達(dá)林頓管使L產(chǎn)生低電平時(shí)，PMOS管導(dǎo)通，電磁閥獲得電平UH，稱之為電磁閥高壓開啟電壓；L恢復(fù)高電平之后，微控制器通過達(dá)林頓管使H產(chǎn)生低電平，三極管Q1導(dǎo)通，電磁閥獲得電平UL，稱之為電磁閥低壓工作電壓。一般而言，UH>UL。電磁閥啟動(dòng)電流較大，如果驅(qū)動(dòng)電路不能提供足夠大的電流，電磁閥吸合不徹底，將無(wú)法有效工作，故需要提供一個(gè)較大的高壓開啟電壓UH；電磁閥維持電流較小，故需要提供一個(gè)較小的低壓工作電壓UL，如果UH≤UL，電磁閥長(zhǎng)期工作在大電流狀態(tài)，能耗較高且容易損壞。電磁閥的開通過程可以概括為高低壓切換的過程：先施加UH產(chǎn)生較大的開啟電流，再施加UL產(chǎn)生較小的維持電流。電磁閥的工作周期可分為開(UH)、維持(UL)、關(guān)(0 V)3個(gè)階段，具體見圖1(b)。

圖1(a)中，D2稱為電流續(xù)流二極管，電磁閥是感性負(fù)載，關(guān)斷電磁閥時(shí)線圈電感電流需要經(jīng)過D2續(xù)流，以防止電流尖峰的產(chǎn)生。D3、D1是反向截止二極管，當(dāng)Q1、Q2其中一個(gè)導(dǎo)通、一個(gè)截止時(shí)，防止電壓對(duì)另一個(gè)器件產(chǎn)生不良影響。D4是穩(wěn)壓二極管，在H低電平時(shí)使PMOS管Q2穩(wěn)定導(dǎo)通。

圖1 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路原理圖

微控制器MSP430F2619-HT的程序流程圖如圖2所示。上電之后，單片機(jī)依次完成晶振、IO電平、串口配置、Flash等模塊的初始化工作，之后進(jìn)入死循環(huán)等待RS485的命令。接收到命令后，根據(jù)命令內(nèi)容完成對(duì)應(yīng)電磁閥的開關(guān)，之后更新電磁閥狀態(tài)字，通過RS485總線返回電磁閥的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將電磁閥的開關(guān)次數(shù)等寫入片內(nèi)Flash。最后返回死循環(huán)狀態(tài)，等待RS485命令中斷。微控制器MSP430F2619-HT在IAR平臺(tái)完成程序編寫、編譯和燒錄等開發(fā)過程。

圖2 程序流程圖

1.2 厚膜的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)勢(shì)

圖3是電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊的厚膜外殼與內(nèi)部實(shí)物圖。圖3(a)是厚膜外殼實(shí)物圖，長(zhǎng)45 mm，寬20 mm，面積約900 mm2。圖4是傳統(tǒng)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)物圖，圖中虛線內(nèi)部(5 400 mm2)與圖3(a)中的厚膜模塊實(shí)現(xiàn)的功能完全相同，后者面積降低為傳統(tǒng)PCB電路的16.7%。隨鉆儀器電路安裝空間狹小，高度集成化的厚膜電路比傳統(tǒng)PCB具有顯著優(yōu)勢(shì)。圖3(b)是厚膜電路內(nèi)部的實(shí)物圖，圖3(d)是晶振，圖3(e)是微處理器，圖3(f)是達(dá)林頓管陣列，圖3(g)、圖3(h)、圖3(i)是相同的3路電磁閥驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路，其具體原理見圖1。這些器件被集成于一塊陶瓷基板之上，并裝入輕質(zhì)鋁合金外殼之內(nèi)，之后灌膠，以提高抗震、散熱性能，最后蓋上頂蓋密封鍍金。厚膜電路具有很多優(yōu)勢(shì)，首先，顯著減少電路體積，有效縮短儀器總長(zhǎng)度，減少遇卡風(fēng)險(xiǎn)；其次，金屬外殼密封處理，MOS管等容易被靜電擊穿的器件壽命得以延長(zhǎng)，更換便捷，維修率下降；最后，因?yàn)樯嵝实奶嵘?，器件耐溫性能得到?yōu)化。

圖3 厚膜外殼與內(nèi)部實(shí)物圖

圖4 傳統(tǒng)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

2 高溫測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路所驅(qū)動(dòng)的電磁閥是應(yīng)用于井下液壓系統(tǒng)(20 MPa)[6-7]的特種電磁閥，電磁閥驅(qū)動(dòng)電路如果要搭配實(shí)際電磁閥進(jìn)行測(cè)試，必須要為電磁閥設(shè)計(jì)包含打壓裝置在內(nèi)的液壓系統(tǒng)，否則單純進(jìn)行空載驅(qū)動(dòng)容易造成電磁閥損壞。為簡(jiǎn)便起見，用100 Ω電阻模擬電磁閥進(jìn)行高溫測(cè)試。高溫測(cè)試裝置示意圖如圖5所示。N6705C電源提供電磁閥高壓開啟電壓+24 V、低壓工作電壓+15 V和5 V數(shù)字電源。PC軟件通過USB轉(zhuǎn)RS485電路與電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊通信。DJH-30L-L烘箱提供恒溫環(huán)境，精度±1 ℃。開啟電磁閥時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊先輸出18 ms的+24 V高壓開啟電壓，之后持續(xù)輸出+15 V低壓工作電壓；關(guān)斷電磁閥時(shí)，輸出電壓迅速下降到0 V。

圖5 高溫測(cè)試裝置示意圖

試驗(yàn)中，在20 ℃環(huán)境，記錄驅(qū)動(dòng)電路的3路輸出情況，包括高壓開啟電壓UH、低壓工作電壓UL和低壓工作電流IL。之后升溫至175 ℃，恒溫維持10 h，之后保持環(huán)境溫度不變，開關(guān)電磁閥1 000次，記錄驅(qū)動(dòng)電路最后一次的3路輸出情況和全部開斷失敗次數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見表1。試驗(yàn)表明，在經(jīng)過10 h的高溫環(huán)境后，電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的通訊較為正常，3路輸出情況正常，沒有發(fā)生性能下降或故障。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 應(yīng)用實(shí)例

本文設(shè)計(jì)的隨鉆電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，已經(jīng)被應(yīng)用于隨鉆地層測(cè)壓儀器IFPT之中。IFPT是一種測(cè)量地層壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)的測(cè)井儀器。在實(shí)際工作中，IFPT與組合鉆具同時(shí)下井到達(dá)測(cè)點(diǎn)深度時(shí)，地面通過鉆桿或渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)下傳測(cè)壓指令，IFPT接到指令后開始地層動(dòng)態(tài)壓力響應(yīng)測(cè)量過程。圖6是IFPT儀器的探針座封結(jié)構(gòu)示意圖，圖6(a)是IFPT工具的基體，圖6(b)是IFPT的探針。

圖6 IFPT隨鉆測(cè)壓儀器

到達(dá)測(cè)點(diǎn)深度時(shí)，液壓系統(tǒng)動(dòng)力電機(jī)啟動(dòng)，隨后電磁閥驅(qū)動(dòng)電路開啟探針伸出電磁閥，在液壓系統(tǒng)壓力的作用下，探針伸出工具，完成座封過程，隨后開始地層動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量過程。測(cè)壓結(jié)束之后，電磁閥驅(qū)動(dòng)電路關(guān)閉探針伸出電磁閥，開啟探針回收電磁閥，在液壓系統(tǒng)壓力的作用下，探針慢慢回到基體原位，電磁閥驅(qū)動(dòng)電路關(guān)閉探針回收電磁閥，單點(diǎn)地層動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試過程結(jié)束。IFPT已完成十井次作業(yè)，總測(cè)點(diǎn)超過一百次，最高井溫超過100 ℃，總工作時(shí)長(zhǎng)超過100 h，隨鉆電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的可靠性和抗震性能得到充分驗(yàn)證。

4 結(jié)論與發(fā)展方向

本文設(shè)計(jì)了一種隨鉆電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，應(yīng)用厚膜技術(shù)，該電路能夠在175 ℃環(huán)境下有效驅(qū)動(dòng)3路電磁閥開關(guān)，高溫測(cè)試和隨鉆地層測(cè)壓儀器IFPT的實(shí)際應(yīng)用，充分驗(yàn)證了該電路的可靠性和穩(wěn)定性。目前該電路已在多種測(cè)井儀器中得到應(yīng)用。

目前井下電磁閥驅(qū)動(dòng)技術(shù)仍然存在很多不足。電磁閥的磁芯材料與溫度高度相關(guān)，在高溫下由于磁性材料性能退化，其驅(qū)動(dòng)電壓、響應(yīng)時(shí)間等與常溫、低溫環(huán)境存在差異；不同的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)電磁閥的電磁吸力、響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)也有不同的要求。目前國(guó)內(nèi)測(cè)井儀器的溫度指標(biāo)已經(jīng)跨過150 ℃，175 ℃、205 ℃測(cè)井儀器也正在研發(fā)。隨著石油勘探向深水、深井進(jìn)發(fā)，對(duì)235 ℃甚至更高溫度等級(jí)的測(cè)井儀器的需求與日俱增。目前缺少測(cè)試電磁閥溫度特性的基礎(chǔ)試驗(yàn)平臺(tái)，尤其缺少高溫下電磁閥的電磁吸力特性的相關(guān)研究，電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)需要以上研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)人員目前更多的是憑借經(jīng)驗(yàn)去設(shè)計(jì)高壓開啟電壓、低壓工作電壓、高壓開啟時(shí)長(zhǎng)等關(guān)鍵參數(shù)，高溫電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)缺少定量的試驗(yàn)和理論依據(jù)。