基于微芯片技术的全井筒压力温度采集器

朱祖扬，张卫，杨明清，倪卫宁，李继博，李新

（1．中国石化石油工程技术研究院，北京100101；2．中石化石油工程技术服务有限公司，北京100101）

0 引 言

随钻测量（MWD）［1－3］存在一些不足：① 测量短节一般位于钻头上部1～2m处的位置，测量的是近钻头附近的信息，并不能完整反映钻头处的信息；② 随着钻井深度增加，对已钻地层不再重复测量，也就是MWD测量的是井筒底部的信息，而没有对全井筒信息进行实时测量；③ 以泥浆脉冲或者电磁波的传输方式，实际传输速率仅有每秒几比特，不能满足井下大量数据特别是成像数据传输的需要［4－5］。Tulsa大学YU M J等［6］开展了井筒流体示踪器技术研究，进行了温度和压力参数测量，并用于岩屑特性分析；沙特A＆M公司开展了Resbots油藏纳米机器人的研究，并进行了现场测试，获得了非常高的回收率。Houston大学LIU C R等［7］研究了利用无线射频单元进行井下数据传输的方法；Baker Hughes公司Robert M R等［8］研究了利用微存储器进行井下数据传输的方法。国外相关研究还处于概念设计阶段或者实验室研制中，并没有实现工业化应用；在中国还没有相关报道。本文采用微型传感器和CMOS集成电路自主开发了微芯片示踪器，研究了利用示踪器对全井筒压力和温度进行采集的技术，分析了示踪器在石油工程技术服务领域的应用。

1 示踪器结构

示踪器由传感器、电子线路和封装外壳组成［9－10］。根据传感采集的对象不同，传感器部分可以是1个或多个传感器；电子线路包括采集和控制电路，分为信号调理、系统控制、模数转换、数据存储、数据传输、电源模块和晶振等部分；封装外壳保护传感器和电路板不受摩擦损坏和流体侵蚀的影响，具有耐高温、耐高压和耐腐蚀等性能。示踪器样机如图1所示，其主要性能指标如表1所示。

（1）传感器。井下需要测量的信息较多，主要有压力、温度、方位角、伽马和泥浆流速等。测量信息不同，所使用的传感器类型和个数也不同。选择传感器时，考虑了其尺寸和功耗等指标，开发了用于采集井筒压力变化和温度变化的示踪器。压力传感器［11］为自主研制的应变片式压力芯体JS－300，工作电压5V，输出阻抗350Ω，灵敏度1．60mV／V，测量精度1%FS，测量压力0～60MPa，尺寸 Φ6．5 mm×4．1mm，图2为制作的6个压力传感器的压力性能曲线。温度传感器则选择了ST公司生产的LM75温度芯片，包含9位ADC、温度分辨率为0．5℃的数字温度传感器，工作电压3．0～5．5V，工作电流250μA，测量温度－55～125℃，QFP封装尺寸5mm×3mm。

表1 示踪器主要指标

图1 示踪器样机

图2 传感器的压力性能曲线

（2）采集和控制电路。采集电路实现模拟信号到数字信号的转换功能，控制电路实现数据处理、存储和输出功能，采用低功耗控制器构建了最小控制系统［12－13］。电路设计遵循了耐高温、抗振动、低功耗和小尺寸的原则，使用了耐高温CMOS集成电路和低功耗芯片，降低电路板设计面积。电路结构见图3。

图3 电路结构框图

信号调理：采用差分运算放大器OPA2379对模拟信号进行放大处理，可以有效放大差分信号而抑制共模信号，减少电路对微弱信号的干扰。OPA2379是低功耗双级运算放大器，工作电压为1．8～5．5V，最大工作电流5．5μA，QFP封装尺寸只有3mm×3mm。对传感器信号进行了两极放大，输入的电压信号为0．5～10mV，经过放大处理后输出的电压信号为1．3～2．1V。

系统控制：采用微控制器芯片 MSP430G2553和少量的外部元器件构建最小电路系统，控制模数转换、数据存储、数据发送和进行电路节能管理。MSP430G2553是超低功耗混合信号微控制器，内置16bit定时器、512B的RAM和16kB的Flash，此外还有1个通用型模拟比较器、1个串行通讯接口以及1个10bit的A／D转换器，QFP封装尺寸6．5mm×6．5mm。其低功耗表现在工作电压2．2V时工作电流仅为230μA，在待机模式下工作电流为0．5μA。

模数转换：利用微控制器芯片 MSP430G2553内置的A／D模块，通过选择不同模拟量通道进行A／D转换。将模拟信号直接输入到微控制器对应的A／D输入脚，转换后的数据直接保存到片内寄存器中，数据提取容易。片内A／D转换器输出10bit数据，对5V电压信号进行A／D转换后精度为4．88 mV，满足压力传感器输出信号的数字化转换要求。

数据存储：利用微控制器芯片 MSP430G2553的Flash存储器保存数据。Flash分为主存储区和信息区，存储容量总共为16kB，主存储区主要是存放代码，在存放代码后的剩余空间也可以像信息区一样存放数据。一般Flash有效存储区空间超过10 kB，当每隔2s采样一次数据时实际产生的数据（包括压力、温度、时间和标志位等）量为96B／min，因此Flash有效存储数据量为106min，当采样时间间隔更长时Flash存储的数据量会超过2h甚至更长。

数据传输：采用射频芯片nRF24L01实现数据无线传输。nRF24L01是收发一体的射频芯片，工作于2．4～2．5GHz ISM频段，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了Enhanced Shoek Burst技术，配置有SPI接口，可方便对输出功率、频率通道和数据协议进行编程，QFN20封装尺寸只有4mm×4mm。nRF24L01功耗低，以－6dBm的功率发射时工作电流只有9mA，以0dBm的功率发射时工作电流只有11．3mA，接收时工作电流只有12．3mA，并具有掉电和空闲多种低功率工作模式。测试结果表明，在3．3V电池供电情况下无线传输距离可达5m。

电源：采用耐高温纽扣电池BR1225A供电，BR1225A为纽扣锂电池，标称电压3V，标称容量48 mAh，工作温度－40℃～＋125℃，尺寸12mm×2．5mm。为了延长电池的使用寿命，采用了断续供电方式，即每采样完一次数据，断开传感器等器件电源，同时微控制器由工作状态转入休眠状态。

为使控制系统运行速度快、数据处理能力强，一般使用4～24MHz晶振，但是为了降低控制系统功耗，使用了32．768kHz的晶振。运行速度变慢了，并不影响对数据采样、存储和传输等操作的控制。在电路中设有低功耗指示灯，用于显示系统处于启动、工作等状态，绝大部分时间处于灭灯状态。

（3）环氧树脂材料封装外壳。由于示踪器是在井筒流体通道内工作，必须具有耐高温、耐高压、耐腐蚀、抗振动、小体积和低密度等性能，设计了示踪器封装外壳，避免传感器和电路板因摩擦、冲击而导致的损坏，并起到密封绝缘的作用。使用的封装材料由高纯度环氧树脂和改性酸酐组成，所制备的保护壳机械性能优异，抗开裂和抗冷热冲击，密度仅有1．15g／cm3，抗拉伸强度可达75MPa以上。

采用环氧树脂真空浇注工艺［14］制备示踪器封装外壳，即在0．1kPa的真空度下将环氧树脂、固化剂、混合料浇注到设定的模具内，由热固性流体交联固化成热固性制品。示踪器封装外壳制作流程：① 按照示踪器形状加工金属模具；② 将传感器、电路板等部件放入金属模具内进行组装；③ 在浇注罐内均匀加热8h后，使模具温度达到85℃，抽真空后将环氧树脂、固化剂、混合料浇注到模具内；④ 在固化炉内进行加热固化6h；⑤ 冷却后脱模并进行机械加工。示踪器封装结构如图4所示。

图4 示踪器封装结构图

2 全井筒压力温度采集技术

示踪器体积小、重量轻，能够在（井筒、裂缝）流体通道内自由运动，适合在井下采集压力温度等数据。①在地面上通过泥浆泵将示踪器投放到井筒流体通道内，或者通过井底释放装置将示踪器投放到井筒环空内，地面投放方式相对简单，但是示踪器的尺寸必须小于钻头水眼的尺寸，井底投放方式需要设计复杂的能够在井底自动弹射示踪器的装置；② 示踪器浮在钻井液里并随着钻井液流动，进行数据采集和存储等操作；③ 示踪器随着钻井液返回地面，在井口附近与读写装置建立无线通讯联系，将井下采集的数据传输给地面处理系统；④ 经过地面磁性分离器时，由于示踪器内部带有铁质材料（电池、金属线），在磁性作用下被吸出钻井液，示踪器被捕获回收。工作原理如图5所示。

图5 示踪器工作原理图

示踪器能够快速采集井筒压力温度数据，为钻井工程、井漏识别和压裂作业等领域提供服务。① 在钻井过程中，根据示踪器采集到的不同井位的压力温度数据的变化，能够及时发现钻井异常事故所发生的位置，及时预防钻井工程事故，保障钻井安全。②在进行堵漏作业时，由于缺乏漏失地层的足够认识，只能简单依据漏速、漏失量设计堵漏方案，对漏失位置判断不准导致堵漏作业具有一定的盲目性，一次成功率往往不高。利用示踪器跟踪不同井深的压力，当发生井漏时示踪器会反映压力异常位置，从而有针对性地设计堵漏方案，提高一次堵漏成功率，降低堵漏剂的使用量，节省大量的生产成本。③ 在水力压裂作业［15］时，会有一定数量的压裂液挤入被压开的地层，而所用压裂液的温度与地层的温度不同。在压裂作业完成以后进行井温测量，通过水泥车向井内打入循环泥浆和示踪器，在泥浆循环过程中示踪器测量井筒各个层位的温度。根据所测温度曲线上局部异常变化，可确定被压裂层位的裂缝高度扩展情况。比较井温基线和压后井温测试曲线，可以判断水力压裂形成的人工裂缝高度和每层的改造规模。

示踪器也是一个可扩展平台，可以对其功能进行延伸，例如采集加速度、伽马等数据。平台上也可以实现井下数据传输功能。示踪器在流体通道内运动，并从井筒底部随钻井液返回地面，可以把井下随钻测量的数据或者随钻测井成像数据携带回地面，实现井下数据的高速传输。将示踪器进行改进，增大存储器容量，保留数据无线读写功能，因此示踪器可以被看成是一个大容量的信息球。把信息球放入随钻释放工具腔体内，通过无线方式将 MWD／LWD测量的数据转存到信息球。随钻释放工具将存储了大量数据的信息球释放到环空，通过循环泥浆信息球被携带回地面，从而实现了井底大量数据传输到地面的目的。

3 结 论

（1）示踪器具有功耗低、体积小和重量轻的特点，与传统的随钻测量系统（MWD）相比，可以实现全井筒压力温度的快速采集。

（2）示踪器投放方式分为地面投放和井底投放2种，可以根据现场条件，采用不同的投放方式，以满足不同的使用需求。

（3）示踪器是一种可扩展的随钻测量平台，具有井下测量和井下数据传输功能，使得它在钻井、堵漏、压裂、井下高速数据传输等领域应用前景广阔。

［1］刘修善，苏义脑．泥浆脉冲信号的传输速度研究［J］．石油钻探技术，2000，28（5）：24－26．

［2］刘修善，侯绪田，涂玉林，等．电磁随钻测量技术现状及发展趋势［J］．石油钻探技术，2006，34（5）：4－9．

［3］马哲，杨锦舟，赵金海．无线随钻测量技术的应用现状与发展趋势［J］．石油钻探技术，2007，35（6）：112－115．

［4］李军，马哲，杨锦舟，等．一种新型的MWD无线随钻测量系统［J］．石油仪器，2006：30－32．

［5］张春华，刘广华．随钻测量系统技术发展现状及建议［J］．钻采工艺，2010，33（1）：31－35．

［6］Yu M J，He S F，Chen Y H，et al．A Distributed Microchip System for Subsurface Measurement［R］．Society of Petroleum Engineers，2012．

［7］Liu C R，Li J．Measurement While Drilling Telemetry by Wireless MEMS Radio Units：US，20080007421A1［P］．2008．

［8］Robert M R，Adebowale A F．System and Method to Transport Data from a Downhole Tool to the Surface：US，20130261971A1［P］．2013．

［9］朱祖扬，李光泉，张卫，等．井筒微芯片示踪器研制［J］．石油钻探技术，2013，41（5）：111－114．

［10］朱祖扬，张卫，倪卫宁，等．基于MSP430的微芯片示踪器电路系统［J］．仪表技术与传感器，2013，6：40－42．

［11］虞承端，杨霖生．半导体应变片及传感器在电测技术中的应用［J］．弹箭与制导学报，1982（3）：82－89．

［12］张思杰，郑小林，曾孝平，等．基于电池的无线内窥镜中微型能量管理单元的研制［J］．仪器仪表学报，2006，27（12）：1587－1590．

［13］艾玲．基于MSP430单片机的数字式压力表的设计与实现［D］．沈阳：东北大学，2004．

［14］吴海军．环氧树脂真空浇注工艺过程及注意事项［J］．变压器，2000，37（5）：33－36．

［15］万仁薄．采油工程手册［M］．北京：石油工业出版社，2000．