井筒微芯片示踪器电源技术及现场试验
朱祖扬1, 吴海燕1, 张林2, 李丰波1, 赵金海1,3, 张卫1     
1. 中国石化石油工程技术研究院, 北京 100101;
2. 中石化胜利石油工程有限公司黄河钻井总公司, 山东东营 257064;
3. 中石化休斯顿研究开发中心, 休斯顿 77056
摘要: 微芯片示踪器的工作性能受电源影响较大,有时在井下不能采集到完整的数据,为此,设计了以可充电锂电池为电源,采用无线充电技术给其充电的供电方案。通过充放电试验考察了无线充电过程中充电电压与送电电压、线圈对心距和充电时间的关系,以及高温环境对电池放电特性的影响。结果表明:送电电压和线圈对心距之间相互影响,送电电压较小和充电距离过大,充电电压均达不到充电要求,反之充电电压过大会导致电池被充爆;充电时间越长充电效果越好,但会增长现场作业时间,而充电时间过短又会导致电池充电不充分;锂电池高温下的放电速度比常温下快。现场入井试验结果表明,采用设计供电方案的微芯片示踪器能够采集到整个井筒的温度数据。这表明微芯片示踪器采用设计的供电方案可以解决示踪器工作性能受电源影响的问题。
关键词: 微芯片示踪器     锂电池     无线充电     数据采集    
Microchip Tracer Power Supply Technology and Downhole Testing
ZHU Zuyang1, WU Haiyan1, ZHANG Lin2, LI Fengbo1, ZHAO Jinhai1,3, ZHANG Wei1     
1. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing, 100101, China;
2. Yellow River Drilling Company, Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation, Dongying, Shandong, 257064, China;
3. Sinopec Tech Houston LLC, Houston, TX, 77056, USA
Abstract: A tracer, with its working performance affected greatly by the power supply, sometimes cannot collect a complete set of downhole data constrained by the source.In order to solve this problem, a power supply plan was designed using rechargeable lithium batteries as the source and the wireless charging technology to charge the battery.Through charge-discharge experiments, the relationship between charging voltage and transmission voltage, central distance of coils, and charging time, and the effects of high temperature on the discharge properties were researched.Research results showed that transmission voltage interacted with the central distance of coils.In theory, when the transmission voltage was much lower and the charging distance much longer, the charging voltage should have failed to reach the charging demands.However, on the contrary, the excessive charging voltage could result in an exploding battery due to overcharge.And, while a long charging time could assure good charging effects, the field operation duration should be further lengthened, because an overly brief charging time could also cause the inadequacy of charging; under high temperature, and thus the lithium battery could experience accelerated discharge especially compared with batteries under normal temperature.Furthermore, the field downhole tests indicated that the tracer designed as the new power supply plan could collect all temperature data for the whole wellbore.Therefore, adopting the power supply plan in this type of tracers could solve the power supply problems.
Key words: microchip tracer     lithium battery     wireless charging     data acquisition    

钻井过程中为了掌握钻具工况、钻井液的流变性、井壁稳定性、井涌、井漏和井眼轨迹等信息,需要实时测量井筒工程参数(温度、压力、井斜角和工具面角等),并根据这些参数调整钻井液密度、选择套管最佳下入深度及调整钻井施工作业等,从而为高效钻井和安全钻井提供保障。国内外已经研制了测量井筒工程参数的随钻测量短节(PWD)[1],并已经广泛应用于钻井施工中。但随钻测量短节离钻头较远(大部分超过了10.00 m),造成测量参数滞后,导致井眼轨迹调整不及时,且随钻测量短节只能测量井筒底部的工程参数,随着钻井深度增加,不能再测量井筒上部的工程参数,当井筒上部发生异常情况时不能及时采取措施,从而导致发生井下故障。因此,要寻找一种能够快速测量全井筒工程参数的技术,而井下智能技术和半导体技术的发展满足了这一需求。微芯片技术由于具有微型化和智能化的优点,已在钻井领域得到了应用。2010年左右,美国Tulsa大学和Houston大学进行了井下微球测量技术[2-4]和井下微球传输技术[5-7]研究,突破了传统随钻测量技术的理念,把几米长、几十公斤质量的随钻测量短节的功能浓缩于1个只有几毫米大小的微球上。自2011年起中国石化与Tulsa大学进行了井下微球测量技术攻关研究,经过多年努力形成了具有自主知识产权的产品——井筒微芯片示踪器(以下简称为“示踪器”)[8]。示踪器主要测量整个井筒中的温度和压力,其外形是一个直径7.5 mm的球体。示踪器虽然体积不大,但里面却包含了微控制器、传感器和电池等部件。研究发现,示踪器的性能受电源的影响较大,使用过程中如果电池充电不足或高温环境下电池放电速度过快,井筒工程参数就采集得不完整,对于这个问题[3], 国外提出了定制耐高温大容量微型电池的方案,但是制作成本很高。笔者以可充电锂电池为示踪器的电源,并采用无线充电技术,通过试验分析了影响示踪器电源充放电性能的因素,并采取了相应的控制策略,使示踪器的电源获得了最佳工作效能,确保了示踪器能够测全整个井筒的工程参数。

1 示踪器无线充电设计方案

示踪器通过钻柱水眼连续投放到循环的钻井液中,从钻头水眼进入井筒,随钻井液循环从环空上行返至地面,采集井筒中的温度和压力,从而建立井筒温度和压力分布剖面[8]。由于钻头水眼的直径非常小,为确保示踪器顺利通过钻头水眼进入环空段进行测量,示踪器样机为直径7.5 mm的小球,其密度约1.5 g/cm3,耐温可达100 ℃,耐压可达70 MPa。示踪器内部包含微控制芯片、微型传感器、微型电池和电阻电容等元器件,内部电路如图 1所示。由于示踪器内部的空间非常有限,要求示踪器内每一个元器件(模块)的尺寸尽可能小、功耗尽可能低,同时能够承受井下的高温高压,并且相对较容易组装。

图 1 示踪器微型化采集电路 Fig.1 Micro-acquisition circuit of the tracer

考虑到示踪器的尺寸和特定的工作环境,同时为了不破坏示踪器的完整性和降低制作工艺难度,采用无线充电技术[9]给电池充电,这样能够省去外部接插件,从而降低示踪器内部电路与钻井液接触的概率。示踪器电源设计成由一个可充电锂电池和一个受电线圈组成,受电线圈感知外部的磁场能量并将其转换为受电电压,实时给锂电池充电,锂电池给示踪器提供电能。该电源设计方案还需要有无线充电装置。无线充电装置由高频振荡电路和送电线圈组成,高频振荡电路驱动送电线圈工作,使送电线圈产生高频磁场,通过高频磁场实时给示踪器内的锂电池充电。无线充电示意图如图 2所示。

图 2 示踪器无线充电示意 Fig.2 Diagram of wireless charging of the tracer

通常情况下送电线圈和受电线圈都绕制成平面空心线圈,线圈的绕制方向一致,以便产生磁场叠加。受电线圈感应电压与受电线圈的匝数、面积和耦合电磁场强度有关,当受电线圈与送电线圈轴线方向重合,且距离越小时,受电线圈获得的感应电压越高,锂电池的充电效果就越好。

示踪器的无线充电电路原理如图 3所示。示踪器内部有1个锂电池、1个受电线圈、1个二极管和1个旁路电容。无线充电装置内部有1个送电线圈、1个谐振电容、1个高频振荡器和1个直流电源。无线充电装置的送电线圈L和谐振电容C构成串联谐振电路,谐振电路的固有频率为,当振荡器接通直流电源后产生频率为f0的交流电,此时谐振电路发生谐振,并产生最大的交变电磁场。示踪器内部的受电线圈将感应到的交变电磁场转换为交变电流,经过二级管整形和旁路电容滤波后输出稳定的电压,给锂电池充电。振荡器设有可调电压开关,通过控制交变电流控制交变磁场的强度,避免由于磁场强度太大而充爆锂电池。

图 3 无线充电电路原理图 Fig.3 Schematic diagram of wireless charging circuit
2 示踪器电源的充放电特性

示踪器电源设计主要考察以下性能:一个是示踪器内部的锂电池能够快速充满电;另一个是示踪器内部锂电池的放电速度要慢,以保持较长的续航时间。因此,有必要掌握示踪器内部锂电池的充电和放电特性,从而控制影响无线充电的因素,评估外界环境对示踪器工作性能的影响。

为了准确评价无线充电效能,依据图 3构建了无线充电测试电路,受电线圈和送电线圈采用线径0.1 mm的漆包线绕制而成,振荡器工作频率0~2 MHz,工作电压4.00~18.00 V。在试验过程中,用游标卡尺测量受电线圈和送电线圈的对心距d,用万用表测量锂电池两端的电压。为了准确评价锂电池的放电特性,设计了锂电池放电电路,其原理如图 4所示。使用高温烘箱对锂电池放电电路进行加温,以模拟井下高温环境。

图 4 电池放电电路原理图 Fig.4 Schematic diagram of discharge circuit
2.1 送电电压对充电电压的影响

考虑充电电压会同时受到送电电压和线圈对心距的影响,需要设定送电线圈和受电线圈对心距,再考察充电电压和送电电压的关系。由于受电线圈不能直接裸露在外面,其被环氧树脂包裹,包裹厚度约为1.0 mm,因此设定送电线圈和受电线圈对心距为1.0 mm。改变振荡器工作电压,即改变送电电压,测定充电电压,结果见图 5

图 5 充电电压和送电电压之间的关系 Fig.5 Relationship between charging voltage and transmission voltage

图 5可可以看出,送电电压越大,充电电压也越大,二者之间呈斜率为0.5的线性关系,当送电电压为7.00 V时,充电电压为3.39 V,此时已经达到锂电池最大充电电压,送电电压再升高,有可能充爆锂电池。考虑实际充电过程中送电线圈和受电线圈不一定处于对心位置,即二者之间有较小的平面夹角,能量交换不充分,要达到较好的充电效果,需要增大送电电压,送电电压为8~10 V最佳。

2.2 线圈对心距对充电电压的影响

为了分析送电线圈和受电线圈对心距对充电电压的影响规律,将送电电压设定为10.00 V,测定不同线圈对心距下的充电电压,结果见图 6

图 6 充电电压和线圈对心距之间的关系 Fig.6 Relationship between charging voltage and coil distance

图 6可以看出,线圈对心距越大,充电电压越低,二者之间呈斜率为-0.7的线性关系,即线圈对心距增加1.0 mm,充电电压就会降低0.70 V。当线圈对心距增大到2.0 mm时,充电电压降至2.47 V,此时线圈对心距不能再增大,否则就不能给锂电池充电了。这说明,当送电电压为10.00 V时,线圈对心距不宜超过2.0 mm。如果线圈对心距超过2.0 mm时,则要升高送电电压。

2.3 电池电压和充电时间的关系

考虑到充电时间太短会导致锂电池充电不充分,而充电时间过长又不利于现场使用,因此有必要了解锂电池的最佳充电时间。设定充电过程中线圈对心距为1.0 mm,送电电压为7.00 V,此时充电电压为3.39 V,用该电压给锂电池充电10 min,每隔2 min取下锂电池测一次电池电压,结果见图 7。锂电池充电之前的电压为0.10 V。

图 7 电池电压和充电时间之间的关系 Fig.7 Relationship between battery voltage and charging time

图 7可以看出,充电2 min后,锂电池的电压迅速升至2.66 V,此后缓慢上升,充电时间达到10 min锂电池电压升至3.02 V,达到了锂电池额定电压。这说明锂电池充电过程经历了预充电和恒压充电2个阶段,在预充电阶段,锂电池电压直线上升,当进入恒压充电阶段,锂电池电压逐步达到饱和。这表明,充电10~20 min就可以达到较好的充电效果,有利于缩短现场作业时间。

2.4 温度对锂电池放电特性的影响

考虑示踪器在高温环境下工作,高温环境会对电池的使用产生影响,这种影响包括电池的使用寿命和单次续航时间,因此有必要了解锂电池在高温下的放电特性。将锂电池接入到放电电路中, 分别在25和80 ℃温度下测定锂电池的放电速度,即每放电2 min取下电池测一次锂电池的电压,结果见图 8

图 8 不同温度下电池电压与放电时间的关系 Fig.8 Relationship between battery voltage and discharge time under different temperatures

图 8可以看出,锂电池的电压随着放电时间增长而降低,25和80 ℃温度下锂电池电压下降的速度分别为0.18和0.23 V/min,这说明,高温下锂电池的放电速度比常温下快。

将没有封装外壳的示踪器电源接入放电电路,测试其在温度为80 ℃、不同放电时间下的电压,结果见图 9。由图 9可以看出,放电10 min后示踪器电源的电压快速降至2.44 V,此后缓慢降低,放电60 min降至2.23 V,这说明示踪器电源放电过程经历了起始阶段和稳定阶段:起始阶段电源电压降低得很快,稳定阶段电源放电速度平缓。这表明,在80 ℃温度下,示踪器电源供电时间超过1 h,考虑到实际井筒中只是井筒下部温度较高,而井筒上部温度较低,因此在井底温度为80 ℃的井筒内,示踪器电源的供电时间还会更长。

图 9 示踪器电源电压与放电时间的关系 Fig.9 Relationship between power supply voltage and discharge time
3 示踪器入井试验

根据上述研究结果,对示踪器电源进行了优化,调整了线圈的设计方案,工作模式由以前通过指示灯的亮度来判断充电是否充分,变为根据充电距离和充电时间来评估电池是否充满。为了检验示踪器在井下的工作情况,进行了示踪器入井试验。示踪器入井对井下工况有一定的要求,首先,钻头水眼的直径要大于示踪器的外径,以避免示踪器堵住钻头水眼;其次,钻具组合中不能有螺杆钻具、随钻测井测量仪器,因为螺杆钻具、随钻测井测量仪器会堵住示踪器的下行通道。因此在示踪器入井之前,需要掌握试验井的井身结构、钻具组合和钻井液性能等。试验井钻至井深2 440.00 m时,井斜角67°,钻井液密度1.20 kg/L,钻井液排量26 L/s,钻头水眼直径28.0 mm,裸眼井段直径215.9 mm,钻杆内径108.6 mm,钻杆外径127.0 mm。由于该井钻具组合中有螺杆钻具,因此选择通井时卸掉螺杆钻具再进行试验。

试验井通井后,在接单根的间隙向钻杆内投入10个示踪器(只能测量温度),并将钻头提至离井底3.00 m远的位置,以便示踪器从钻头喷嘴出来后有一个缓冲距离,以降低其对井底地层的冲击力。示踪器入井大约10 min后,将钻头下放至井底,这段时间内示踪器已经安全到达井底。示踪器入井约30 min后(钻井液迟到时间约为40 min),开始在振动筛钻井液出口处打捞示踪器,打捞示踪器的时间持续了2 h,比2个钻井液迟到时间略长。最终打捞到1个示踪器,其外观完好无损。示踪器记录了时长6 000 s的温度数据(见图 10),说明示踪器记录的温度数据是完整的,获得了整个井筒的温度分布曲线。

图 10 示踪器在试验井中记录到的温度数据 Fig.10 Temperature points collected from trial wells by the tracer

图 10可知,温度曲线有a(0 s,38 ℃)、b(500 s,30 ℃)、c(1 200 s,60 ℃)、d(4 200 s,53 ℃)、e(4 500 s,26 ℃)和f(5 800 s,28 ℃)几个关键点。a点对应的温度是示踪器充电时测量到的无线充电装置的温度,表明充电时送电线圈发热了。a点至b点间的曲线表明示踪器充好电后,被从无线充电装置上取下,拿到钻台上准备入井,钻台上的温度为30 ℃。b点和c点间的曲线表明示踪器入井在钻杆内随钻井液快速下入到井底,用时700 s,温度升高幅度先大后小,说明示踪器下入速度先快后慢,这是因为试验井是一口定向井,在直井段下入速度快,在斜井段下入速度慢。c点对应的温度为井底温度。c点至d点间的曲线表明示踪器从钻头水眼出来后进入环空,并上返至地面,用时3 000 s,这个过程时间相对较长,这是因为示踪器本身有重量,上返过程中有一个下沉速度,而且在经过有扩径和狗腿的井段时,示踪器会原地旋转。d点对应的温度为钻井液出口温度。d点至e点间的曲线表明示踪器从振动筛上捞出来,温度快速下降。e点对应的温度为地面温度。e点至f点间的曲线表明示踪器被打捞出来以后仍然工作了1 300 s后电池的电才耗完。f点对应的温度也是地面温度,比e点对应的温度要高,这是因为试验结束时气温在回升。

4 结论

1) 示踪器电池采用了无线充电技术,没有外部接插件,从而不但能够在钻井液中使用,而且可以重复充电和重复使用,提高了示踪器的使用率。

2) 示踪器采用可充电的锂电池作为电源。锂电池的充电效率和充电电压、线圈对心距及充电时间密切相关,当充电电压为8.00~10.00 V、线圈对心距小于2.0 mm、充电时间为10~20 min时,锂电池能够充电到额定电压。锂电池的放电速度与外界环境温度有关,温度越高,锂电池的放电速度越快,供电时间越短。

3) 入井试验表明,示踪器以可充电锂电池为电源,采用无线充电技术给锂电池充电的供电方案达到了预期目标。

4) 为了进一步测试和优化示踪器的性能,实现示踪器在石油工程中的应用,需要继续开展不同油区、高低温度环境下的示踪器入井试验。

参考文献
[1] 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.
MA Zhe, YANG Jinzhou, ZHAO Jinhai. Status quo and development trend of MWD technique[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2007, 35(6): 112–115.
[2] YU Mengjiao, HE Sufeng, CHEN Yuanhang, et al. A distributed microchip system for subsurface measurement[R]. SPE 159583, 2012.
[3] SHI Zhaorui, CHEN Yuanhang, YU Mengjiao, et al. Development and field evaluation of a distributed microchip downhole measurement system[R]. SPE 173435, 2015.
[4] CHEN Yuanhang, YU Mengjiao, MISKA S Z, et al. A novel approach in locatin single loss zone during deepwater drilling with distributed temperature measurement[R]. SPE 170286, 2014.
[5] LIU Ce, LI Jing. Measurement while drilling(MWD) telemetry by wireless MEMS radio units: US20080007421[P]. 2008-01-10.
[6] TAYLOR M R. System and method for monitoring volume and fluid flow of a wellbore: US2009066728[P]. 2010-06-10.
[7] BABAKHANI A. Systems and methods for monitoring cement quality in cased well environment with integrated chips: US2015043117[P]. 2016-02-04.
[8] 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.
ZHU Zuyang, LI Guangquan, ZHANG Wei, et al. Research and manufacture of a microchip-tracer used in drilling fluids while drilling[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2013, 41(5): 111–114.
[9] 李宝伟. 基于无线充电技术的植入式胃肠电刺激系统的研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2013: 36-42.
LI Baowei. Research on implantable gastrointestinal stimulating system based on wireless charging technology[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2013: 36-42. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10248-1013022026.htm

文章信息

朱祖扬, 吴海燕, 张林, 李丰波, 赵金海, 张卫
ZHU Zuyang, WU Haiyan, ZHANG Lin, LI Fengbo, ZHAO Jinhai, ZHANG Wei
井筒微芯片示踪器电源技术及现场试验
Microchip Tracer Power Supply Technology and Downhole Testing
石油钻探技术, 2018, 46(1): 122-127.
Petroleum Drilling Techniques, 2018, 46(1): 122-127.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.2018012

文章历史

收稿日期: 2017-07-27
改回日期: 2018-01-05

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