井下工程参数随钻测试系统设计

石油和天然气作为地球上的重要能源，对人类社会经济的发展具有十分重要的作用和意义。地下潜在油气资源的勘探开发和现代化的优化钻井技术已成为社会持续发展急需解决的难题 。井下工程参数随钻测试系统是钻井工程中监控钻井过程中的井下参数的重要工具 J，它能实时动态地监测钻井过程中的各个参数变化的变化情况，可以掌握钻井时工况，快速、安全地完成钻井工作。

目前 ，国内已经研发部分井下工程参数测试系统，已取得了-定的成绩，但是伴随着新油气田的勘探和开发正朝着层位更深、温度更高、环境更恶劣的油气藏发展 ，井下工程参数随钻测试系统在井下高温、强振动、高压、腐蚀等恶劣环境中容易出现故障 ，这将导致无法实时掌握井下工程参数，严重时可能导致卡钻和钻杆断裂等井下事故，因此，井下工程参数随钻测试系统的可靠性就愈显得重要。

鉴于我国石油钻井工业的现状，利用高可靠性技术实现井下工程参数随钻测试系统，为我国石油工业提供高可靠性测试系统具有十分重要的作用和意义。

收稿日期：2013-01-16基金项目：国家863”计划资助项目(2007AAo9O801-o3)；国家自然科学基金资助项目(51204139)第 8期 葛 亮，等 ：井下工程参数随钻测试系统设计 1072.4 电源电路设计的井下工程参数随钻测试系统选用的电池选用锂电池，考虑到系统的工作环境，系统供电采用高温锂电池，该电池为圆柱状，尺寸为 35×60 mm，电池容量为30 Ah，工作温度范围为 -40～175℃。

系统的供电分为 5，3.3 V。由于电路所用到的温度传感器传感器是5 V供电，需要将通过电源电压转换芯片MAX619ESA实现将 电池 3.6 V转换为5 V，系统电路都是3.3 V供电，需要通过TPS7233Q将 3.6 V转换为稳定的3.3V，由单片机实现对是否提供5V电源和放大电路3.3V供电的控制。

3 系统软件设计系统软件设计分为测试系统软件设计和计算机处理软件设计2个部分 。测试系统软件主要实现单片机的数据采集、存储和传输控制，程序分为2个部分，包括主系统单片机程序和备用系统单片机程序，主系统单片机程序流程如图 2所示。计算机处理软件主要利用 IabVIEW 实现数据的读娶分析和显示等功能。

图2 测试系统软件流程Fig 2 Flow chart of test system software4 系统测试图3所示为某井 1 h正常钻进过程中轴向力实测曲线和地面记录钻压曲线所绘制的对比曲线图。为了对比和验证系统功能，钻进过程中人为在地面调整钻压，数据变化过程为：4O-80-7O- - 0- kN。在此过程中井下测试系统记录轴向力中值变化情况 ：360-36O-34O-23O- 40-300 kN。

通过数据对比可以发现：地面记录的钻压数据比较平稳，而井下测试系统记录的轴向力曲线变化较大，其波动幅度大致达到 50 kN，有时可以达到 90 kN。井下工程参数随钻测试系统能够准确记录井下钻柱的实际动态受力状况，地面钻压录井不能记录井下钻压的详细实际变化情况。

图3 正常钻进钻压和轴向力对比分析图Fig 3 Bit pressure and axial force comparative analysischart in normal drilling5 结 论 、1)采用英飞凌 XC886单片机为控制和运算核心，实现井下工程参数随钻测试系统的硬件电路设计 ，完成井下工程参数信号调理、信号采集存储和信号传输。

2)利用可靠性技术完成工程参数测试双系统，实现了在井下工程参数随钻测试系统主系统出现程序故障、系统掉电、电池用完、存储器存满和通信故障等故障时，工程参数随钻测试系统器会 自动进行切换到备用系统工作状态继续工作。

3)经过现场测试，井下工程参数随钻测试系统能够准确记录井下钻柱的实际动态受力状况 ，井下工程参数测量仪测量功能正常，能满足钻井现场测试需求。