程雙元，袁紅芳，劉宇光，楊 琨

(西安思坦儀器股份有限公司 陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著射孔技術(shù)的不斷發(fā)展，對射孔產(chǎn)生的壓力進行檢測和分析也變得越來越重要。最初，人們使用普通的高速壓力計檢測射孔壓力后的壓力，最小的采樣間隔只能到1 s，且只能測峰值壓力，無法反映整個射孔的全過程。高速射孔壓力計的出現(xiàn)有效地解決了這一問題，能夠自動記錄射孔作業(yè)過程中井下爆炸燃燒瞬間的各項參數(shù)，對射孔的施工設(shè)計、過程分析和效果評價起到非常重要的作用。國外的大石油公司，在20世紀80年代初就研制出了高速射孔壓力計。國內(nèi)的開發(fā)研制起步較晚，開始于90年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，高速射孔壓力計已成為測試射孔井下動態(tài)信號的專用儀器[1]。高速壓力計的出現(xiàn)解決了射孔瞬間參數(shù)的測試和恢復壓的測試難題，一次下井不需要起管柱的情況下完成2項測試任務(wù)。而普通的射孔壓力計只能測試射孔后的恢復壓，無法檢測射孔瞬間的壓力。本文跟蹤國外新技術(shù)，研制開發(fā)高速射孔壓力計，對射孔壓力檢測數(shù)據(jù)進行范圍擴展和完善。

本設(shè)計基于DMA技術(shù)、FIFO負延時技術(shù)以及電池低功耗管理技術(shù)[2]，能夠滿足常規(guī)測試儀器難于實施的油井中長期測試工作，為油井的動態(tài)分析及制定合理的開采制度提供重要依據(jù)，簡化了射孔的施工工藝，促進了射孔工藝整體水平的提高[3]。本文將詳細介紹高速壓力計的電路設(shè)計、機械設(shè)計以及一些關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計。對高速壓力計的試驗及現(xiàn)場測試進行了詳細描述，最后得出設(shè)計的最終結(jié)果，能夠滿足現(xiàn)場射孔過程的各種參數(shù)的監(jiān)測。

1 高速壓力計的電路設(shè)計

1.1 工作原理

該儀器采用高主頻低功耗單片機C8051F060，集成度較高，方便電路設(shè)計。有低功耗模式，滿足電池供電的存儲式儀器使用需求。存儲器選用并口Flash，通過數(shù)據(jù)地址線ADn和控制線Ctrol進行高速數(shù)據(jù)的存取，保證高速采樣的數(shù)據(jù)能進行快速保存。

壓力信號采用外部14位AD7484芯片，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過SPI傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機內(nèi)部采用DMA控制與CPU之間進行數(shù)據(jù)交換；溫度和加速度為單片機內(nèi)部12位AD采集，采用DMA控制與CPU之間的數(shù)據(jù)交換。壓力、溫度、加速度最高均為100 K的采樣速率。

壓力傳感器應(yīng)具有高靈敏度、頻率響應(yīng)快、體積小、抗沖擊強等特點。選擇keller PA-7LHP抗震動壓力傳感器，采用2.5 V恒壓供電。由于井下工作環(huán)境噪聲干擾大，壓力傳感器輸出差分信號到儀表放大器INA128，抑制噪聲和溫漂，提高測試精度。

加速度傳感器選用國產(chǎn)YD-10D電荷傳感器，量程±2.94×105m/s2(±3×104g)。其工作原理是壓電式加速度傳感器將沖擊信號轉(zhuǎn)化為電荷信號，利用電荷信號調(diào)理電路[4]，將電荷信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號，經(jīng)過增益控制、濾波電路調(diào)理后，輸出到AD轉(zhuǎn)換器。儀器的原理框圖如圖1所示。

圖1 儀器硬件原理圖

1.2 DMA關(guān)鍵技術(shù)

DMA是指CPU不干涉數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N計算機技術(shù)，是數(shù)據(jù)高速轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)。DMA采取乒乓模式，既一個通道DMA分配2塊內(nèi)存A和B，外部數(shù)據(jù)在A和B之間交替存儲切換。在數(shù)據(jù)向A傳輸?shù)耐瑫r，DMA釋放內(nèi)存B的控制權(quán)，CPU可對數(shù)據(jù)進行處理。在數(shù)據(jù)向B傳輸?shù)耐瑫r，DMA釋放內(nèi)存A的控制權(quán)，CPU可對數(shù)據(jù)進行處理。通過DMA硬件技術(shù)，可保證外部數(shù)據(jù)不間斷的被采集和以Flash可以接受的速度進行存儲。

1.3 低功耗管理技術(shù)

壓力計使用低功耗管理技術(shù)，實現(xiàn)采樣-休眠-喚醒-采樣模式的系統(tǒng)功耗控制。儀器通電后，首先進入低速采樣模式，時間的長短需通過編程設(shè)定。低速模式過后，將進入高速100 K采集緩沖模式(不保存數(shù)據(jù))，當檢測到加速度值超過設(shè)定閾值后，將觸發(fā)時間點前后8 ms緩沖的數(shù)據(jù)寫入Flash；然后進入中速1 K采集模式，采集121 s的數(shù)據(jù)；然后又返回到低速模式，按設(shè)定的采樣間隔進行低速采樣。

1.4 負延時技術(shù)

動態(tài)信息的存儲要求真實有效地記錄有用信號，根據(jù)射孔爆炸壓力信號的特點，需要將觸發(fā)前壓力在一段極短時間內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄下來，這就需要使用負延時技術(shù)。本系統(tǒng)采用FIFO式的負延時技術(shù)[5]，原理如圖2所示，在單片機內(nèi)部RAM中開辟一段存儲空間C，高速采集數(shù)據(jù)由A端進入B端流出到存儲器，觸發(fā)判斷在A端進行，通過控制B端流出數(shù)據(jù)寫入存儲器的時機，完成對靜壓及動壓數(shù)據(jù)的記錄。

圖2 負延時原理圖

2 高速壓力計的機械設(shè)計

由于射孔瞬間的振動較為強烈，所以設(shè)計了緩沖短節(jié)以消除或削弱強振動對儀器電路部分的影響，如圖3所示。

圖3 機械結(jié)構(gòu)示意圖

高速壓力計電路板與電池組件也設(shè)置了硅橡膠減震。在電路板與電池兩端設(shè)計了專用減震墊，以吸收電路板與電池的軸向振動，防止電路板上元器件損壞以及電池組件上的插頭震斷。經(jīng)過試驗，使用減震后，射孔過程中未出現(xiàn)電路板元器件損壞及插頭震斷的現(xiàn)象。試驗證明了減震效果的可靠性。

緩沖短節(jié)設(shè)置了兩道減震。高速壓力計與緩沖器連接。射孔瞬間產(chǎn)生的振動波，首先由緩沖短節(jié)上的第一道減震吸收，第一道緩沖使用彈簧減震，經(jīng)過測試，可吸收約60%～70%的振動波，第二道使用硅橡膠進行減震，硅橡膠硬度在邵氏A65～75之間，硬度較小，可快速吸收震動。經(jīng)過緩沖短節(jié)兩道減震后，可吸收掉95%以上的振動波，有效防止射孔瞬間產(chǎn)生的劇烈震動直接傳至管柱，減少管柱震斷的風險。

3 高速壓力計的使用

連接儀器和自主研發(fā)的直讀儀，主要完成高速壓力計與電腦之間的通訊連接。打開軟件PT_100.exe，點擊“時間表”，會彈出采樣間隔設(shè)置界面，如圖4所示。

在表單中輸入觸發(fā)加速度值(G)，然后點“設(shè)置”，數(shù)據(jù)將會寫入儀器。儀器按設(shè)定的加速度值進行觸發(fā)，如無設(shè)定，默認的值為1 960 m/s2(200 g)。

圖4 采樣間隔設(shè)置界面

4 高速壓力計的試驗

在現(xiàn)場進行過多次高速壓力計測試，以下對2次射孔進行數(shù)據(jù)分析。第一次試驗，127 mm射孔槍共54支，內(nèi)裝超深穿透射孔彈2 075發(fā)；第二次試驗，127 mm射孔槍共37支，內(nèi)裝超深穿透射孔彈1 599發(fā)；裝槍孔密都為16孔/m，相位角60°螺旋布控，彈間填裝復合藥餅，采用油管輸送射孔。

射孔過程采用低傷害無固相射壓井孔液，添加粘土穩(wěn)定劑，防止射孔壓井液濾液侵入儲層引起水敏損害，添加防水鎖劑，防止水鎖造成的損害。

4.1 第一次試驗整體下井過程數(shù)據(jù)分析

利用高速壓力計完成射孔瞬間的加速度、壓力及溫度的檢測。記錄數(shù)據(jù)完整，如圖5所示。

第1階段：射孔器入井，射孔器未下入液面，井溫開始升高。

第2階段：射孔器進入液面，壓力隨管柱下深增加，井溫繼續(xù)升高。

第3階段：射孔器起爆過程，由于起爆過程時間短暫，從全過程曲線上不能看到具體起爆數(shù)值，下面將有具體射孔瞬間部分的曲線分析。

第4階段：起爆后，隨著時間增加，壓井液進入地層。進入壓力恢復階段，該階段管柱未動，井溫無變化。

第5階段：射孔管柱上提階段，溫度下降、壓力下降，時間軸末端，射孔器出液面。

第6階段：繼續(xù)上提管柱階段，壓力不變，溫度減小。

圖5 第一次試驗完整射孔過程

4.2 第一次試驗射孔瞬間曲線分析

將時間軸拉伸，放大射孔瞬間曲線，通過曲線可觀察射孔瞬間壓力、溫度及加速度的變化。詳細曲線如圖6所示。

圖6 第一次試驗射孔瞬間數(shù)據(jù)記錄

時間軸顯示為秒級，第1部分時間軸為157 100 s，第2部分時間軸為157 108 s，前后相差時間為8 s。其中第1部分為射孔彈引爆瞬間產(chǎn)生的壓力波動及震動，第二部分為復合火藥緩燃后對孔道進行二次改造。

射孔瞬間加速度變化值從-5 852.46 m/s2(-597.19 g)到6 077.374 m/s2(620.13 g)；峰值壓力達到56.88 MPa，120 ms后復合火藥中高燃速火藥進行作用，將井筒壓力提升至36.41 MPa。11 s后復合火藥中低燃速火藥起作用，燃燒過程加速度值-2 256.94 m/s2(-230.3 g)到3 433.724 m/s2(350.38 g)；峰值壓力達到26.9 MPa。

射孔前的壓力為8.58 MPa，此時壓力值為靜液柱壓力。射孔后的壓力為7.12 MPa，此時壓力值同樣為靜液柱壓力。前后壓力差為1.46 MPa。說明射孔后通道已打開且溝通良好，地層壓力恢復良好，井筒內(nèi)壓井液少量進入地層。

4.3 第二次試驗整體下井過程數(shù)據(jù)分析

利用高速壓力計完成射孔瞬間的加速度、壓力及溫度的檢測。記錄數(shù)據(jù)完整，如圖7所示。過程如第一次試驗整體下井過程數(shù)據(jù)分析中的6個階段。

圖7 第二次試驗完整射孔過程數(shù)據(jù)圖

4.4 第二次試驗射孔瞬間曲線分析

將時間軸拉伸，放大射孔瞬間曲線，通過曲線可觀察射孔瞬間壓力、溫度及加速度的變化，詳細曲線如圖8所示。

圖8 第二次試驗射孔瞬間數(shù)據(jù)記錄

時間軸顯示為秒級，第1部分時間軸為106 010 s，第2部分時間軸為106 023 s，前后相差時間為13 s。其中第1部分為射孔彈引爆瞬間產(chǎn)生的壓力波動及震動，第2部分為復合火藥緩燃后對孔道進行二次改造。

射孔瞬間加速度變化值-5 368.538 m/s2(-547.81 g)到4 795.924 m/s2(489.38 g)；峰值壓力達到58.73 MPa，120 ms后復合火藥中高燃速火藥進行作用，將井筒壓力提升至49.96 MPa。12 s后復合火藥中低燃速火藥起作用，燃燒過程加速度變化值-2 321.424 m/s2(-236.88 g)到1 515.962 m/s2(154.69 g)；峰值壓力達到15.73 MPa。

射孔前的壓力為7.89 MPa，此時壓力值為靜液柱壓力。射孔后的壓力為7.04 MPa，此時壓力值同樣為靜液柱壓力。前后壓力差為0.85 MPa。說明射孔后通道已打開且溝通良好，地層壓力恢復良好，井筒內(nèi)壓井液少量進入地層。

4.5 數(shù)據(jù)分析結(jié)論

1)兩次射孔施工整體過程較為順利，射孔瞬間對管柱的瞬間沖擊加速度峰值分別為6 077.374 m/s2(620.13 g)和-5 368.538 m/s2(-547.81 g)，對油管沒有損傷。

2)射孔瞬間峰值壓力分別達到56.88 MPa和58.73 MPa，壓力控制合理，對套管未造成損傷。

3)對比射孔峰值壓力與復合火藥曲線，下口同地層壓力的井，可以適量增加復合火藥裝配量，增加射孔后復合火藥燃燒過程中的峰值壓力。以提升射孔后孔道的改善作用。

4)復合火藥的高低燃速火藥藥量，可以進行微調(diào)，射孔后通道已打開并溝通良好，井筒內(nèi)壓井液少量進入地層，地層壓力恢復良好，滿足后續(xù)開采的需求。

5)使用高速壓力計在現(xiàn)場對射孔工藝進行了多次試驗，試驗表明測試數(shù)據(jù)完整，對射孔過程分析具有積極指導意義。

5 結(jié) 論

1)本文利用DMA邊采邊存技術(shù)、FIFO負延時技術(shù)以及電池低功耗管理等技術(shù)，將理論分析轉(zhuǎn)化為實際測試儀器，設(shè)計制造出適用于射孔工藝過程中數(shù)據(jù)監(jiān)測的高速壓力計。

2)本設(shè)計具有變頻采樣、高速采集、高速存儲、高可靠性、高抗震性及操作簡單的技術(shù)特點。能夠?qū)崿F(xiàn)整個射孔過程壓力溫度加速度的測試，測試數(shù)據(jù)完整。能夠?qū)ι淇仔ЧM行有效評價。

3)本高速壓力計通過多次下井試驗，驗證了本儀器能夠滿足高速壓力計的設(shè)計要求，能夠?qū)崿F(xiàn)射孔全過程的數(shù)據(jù)監(jiān)測，評價射孔工藝。

4)通過此高速壓力計的測試數(shù)據(jù)可以判定射孔過程是否有效完成；可以判定射孔的效果，完善射孔工藝；可以根據(jù)射孔后恢復壓的測試，制定合理的開采制度。