藍(lán)海峰,王開龍，杜衛(wèi)強(qiáng),林盛杰，劉慧亮，韓金良，鄧鈞耀

(1．中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 北京 102206；2．北京華脈世紀(jì)石油科技有限公司 北京 100084；3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司 北京 100028)

0 引 言

在頁巖氣開采的水力壓裂過程中，壓裂作業(yè)會(huì)對(duì)套管造成不同程度的損傷，這些損傷有能導(dǎo)致后續(xù)壓裂過程中不能順利下入橋塞、連續(xù)油管不能順利鉆磨橋塞等情況，強(qiáng)行施工有可能導(dǎo)致工具卡死，影響后續(xù)作業(yè)的及時(shí)開展，甚至被迫放棄后續(xù)壓裂作業(yè)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。針對(duì)該問題，需要在壓裂作業(yè)前以及作業(yè)后，測(cè)量套管損傷情況，確定套損位置與套損程度，制定后續(xù)作業(yè)計(jì)劃，提高后續(xù)作業(yè)的安全性與準(zhǔn)確性。

在眾多套損檢測(cè)技術(shù)中，超聲波成像技術(shù)為非接觸測(cè)井方式，具有安全性高，方向性好，穿透力強(qiáng)，周向分辨率高，對(duì)環(huán)境無影響等優(yōu)點(diǎn)，在電纜測(cè)井套損檢測(cè)領(lǐng)域有較多應(yīng)用[3-4]。

頁巖氣壓裂作業(yè)期間井下與井口壓力較高，測(cè)量段一般為水平井段[5]，電纜測(cè)井儀器無法直接到達(dá)測(cè)量端，需要采用連續(xù)油管輸送等方式進(jìn)行測(cè)井作業(yè)。由于沒有連接電纜進(jìn)行供電與數(shù)據(jù)傳輸，因此常規(guī)的電纜測(cè)井超聲波成像儀器無法直接應(yīng)用于頁巖氣套損檢測(cè)。

本文設(shè)計(jì)了一種電池及主控短節(jié)，可以滿足超聲波成像儀器在井下的供電與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，使其能夠在頁巖氣壓裂期間的套損檢測(cè)工作中應(yīng)用。

1 短節(jié)設(shè)計(jì)

電池及主控短節(jié)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。高溫電池組提供的72 V直流電源經(jīng)過電源管理板的保護(hù)電路后，一部分轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)與控制板工作所需的低壓電源，另一部分則在主控單元的控制下向超聲波成像儀器供電。

存儲(chǔ)與控制板實(shí)現(xiàn)與超聲波成像儀器以及地面設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信，存儲(chǔ)井下測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，并判斷井下電源的開啟與關(guān)斷。

圖1 電池及主控短節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 過流與短路保護(hù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩路開關(guān)，采用了MOS管開關(guān)控制方案[6]，Q1用于電池保護(hù)，Q2用于輸出電源控制，給其它儀器供電。

為提高鋰電池工作的安全性[7]，根據(jù)電池組持續(xù)放電電流與最高放電電流指標(biāo)，設(shè)計(jì)了硬件過流、短路保護(hù)電路。

過流保護(hù)電路將系統(tǒng)電流等比例轉(zhuǎn)換為電壓，通過與預(yù)設(shè)電壓進(jìn)行比較來判斷輸出是否過流，當(dāng)過流時(shí)斷開保護(hù)開關(guān)并延時(shí)重啟，防止電池?fù)p壞。電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 過流檢測(cè)電路

當(dāng)未過流時(shí)，U2B的7腳輸出高，Q1持續(xù)導(dǎo)通；過流發(fā)生時(shí)，使U2B的7腳輸出低電平，Q1斷開；此后經(jīng)過R2、R3、C1促成的延時(shí)電路延時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間后，U2B的7腳輸出高電平，Q1再次打開，實(shí)現(xiàn)延遲重啟的功能。

檢測(cè)電路通過檢測(cè)輸出電壓的變化，判斷是否發(fā)生短路，并在故障排除后自動(dòng)恢復(fù)。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

當(dāng)負(fù)載RL正常時(shí)，比較器U4A輸出低電平；當(dāng)RL=0 Ω短路時(shí)，由于過流而斷開Q1，Vout_Bat降低，2.5 V經(jīng)過緩沖與R1、R3分壓，使得U4A持續(xù)輸出高電平，鎖定Q1一直處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)負(fù)載短路故障去除后，RL阻值變大，使得U4A輸出低電平，從而控制Q1為導(dǎo)通狀態(tài)，自動(dòng)恢復(fù)供電。

圖3 短路檢測(cè)電路

2.2 開關(guān)控制

傳統(tǒng)的電源開關(guān)采用延時(shí)控制[8-9]，當(dāng)施工進(jìn)度改變時(shí)，無法更改井下儀器工作狀態(tài)，按照原定的時(shí)間工作可能造成電力浪費(fèi)，或者錯(cuò)過測(cè)量段。系統(tǒng)集成了井斜測(cè)量模塊，用于輔助判斷儀器是否到達(dá)目的測(cè)量端。時(shí)間與井斜的判斷關(guān)系可以選擇“與”或者“或”的邏輯關(guān)系。開關(guān)判斷選擇邏輯“與”，當(dāng)時(shí)間與井斜都滿足條件才打開或關(guān)閉電源，避免由于施工延誤而導(dǎo)致儀器未到達(dá)測(cè)量段就開啟電源，或者未離開測(cè)量端就關(guān)閉電源。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路用于存儲(chǔ)超聲波成像儀器采集的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，以及電池與主控短節(jié)自身的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用了安全性較高的NOR型FLASH器件[10]，實(shí)現(xiàn)1 G Byte的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。

3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)正常工作時(shí)，有3種工作模式：測(cè)前模式、測(cè)井模式與讀取模式。

系統(tǒng)通電后處于測(cè)前模式，連續(xù)讀取RTC，測(cè)量?jī)x器井斜并與預(yù)設(shè)值比較，判斷是否達(dá)到井下電源開啟條件；同時(shí)判斷數(shù)據(jù)上傳總線的狀態(tài)，根據(jù)下發(fā)命令切換模式，或根據(jù)測(cè)井段設(shè)置時(shí)間與井斜比較參數(shù)。

達(dá)到井下電源開啟條件后進(jìn)入測(cè)井模式，在判斷是否到達(dá)電源關(guān)斷條件的同時(shí)，等待接收超聲成像儀器的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)；達(dá)到電源關(guān)斷條件后則關(guān)斷井下電源，進(jìn)入空閑模式。進(jìn)入空閑模式后，會(huì)關(guān)閉井下儀器電源，并進(jìn)入低功耗模式，減少電池消耗。

測(cè)前模式與測(cè)井模式工作流程如圖4所示。

圖4 測(cè)前模式與測(cè)井模式流程圖

當(dāng)進(jìn)入到讀取模式后，則會(huì)根據(jù)下發(fā)指令的內(nèi)容，上傳指定地址的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，或進(jìn)行其他命令處理。

4 實(shí)際測(cè)試

利用電子負(fù)載測(cè)試了電池管理模塊的保護(hù)功能，測(cè)試結(jié)果見表1。

設(shè)定開啟時(shí)間為10時(shí)55分10秒，開啟井斜為80°，判斷邏輯為與；關(guān)閉時(shí)間為10時(shí)55分30秒，關(guān)閉井斜70°，判斷邏輯為或。

表1 電源保護(hù)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試電源開啟控制時(shí)，井斜數(shù)據(jù)晚于時(shí)間達(dá)到開啟值，實(shí)測(cè)短節(jié)按照井斜值到達(dá)80°的時(shí)刻打開井下電源；測(cè)試電源關(guān)閉控制時(shí)，井斜數(shù)據(jù)先于時(shí)間達(dá)到關(guān)閉值，實(shí)測(cè)短節(jié)按照井斜數(shù)據(jù)低于70°的的時(shí)刻關(guān)閉了井下電源。讀取了相關(guān)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，回放曲線如圖5 所示。

圖5 電源開關(guān)控制測(cè)試

經(jīng)過測(cè)試，確定電源的開關(guān)控制邏輯與設(shè)計(jì)的控制邏輯相同。連接電池及主控短節(jié)與超聲成像儀器，將超聲成像儀器聲系放置于刻度桶中，使電池及主控短節(jié)的井下電源打開，存儲(chǔ)一段測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，使用軟件將測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)讀取到上位機(jī)中，按時(shí)間進(jìn)行回放，對(duì)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

經(jīng)測(cè)試讀取后的超聲成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)波列顯示正常，到時(shí)成像圖與幅度成像圖正常顯示，二維圖中的幅度變化區(qū)域與刻度桶對(duì)應(yīng)形狀變化區(qū)域一致。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)成像圖及刻度規(guī)圖片

上述測(cè)試證明數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及其他電路模塊功能正常。

對(duì)該短節(jié)進(jìn)行了加溫測(cè)試與壓力測(cè)試，在125 ℃高溫下，以及105 MPa高壓下均正常工作。

5 結(jié) 論

1)研制的電池管理及主控短節(jié)通過電池過流與短路保護(hù)提高了電池應(yīng)用的安全性。

2)供電輸出控制方案降低了對(duì)電池的消耗。

3)可以正常存儲(chǔ)并讀出測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。

4)完成了與超聲成像儀器的配接，滿足了超聲成像儀器在頁巖氣壓裂工作中的套損檢測(cè)應(yīng)用的條件，初步達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，后期會(huì)進(jìn)行上井測(cè)試，確認(rèn)該短節(jié)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

5)對(duì)于電源開關(guān)控制，為了避免由于工時(shí)延誤而導(dǎo)致提前開啟或斷開井下電源，應(yīng)當(dāng)選用與邏輯進(jìn)行判斷，確保測(cè)井段數(shù)據(jù)完整。