压力温度双参数存储测试技术研究Word格式文档下载.docx
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3.4.9数据存储模块26
3.5系统软件设计28
3.5.1MSP430存储空间结构28
3.5.2程序结构设计29
3.5.3全局复位中断30
3.5.4上电中断31
3.5.5定时器TA、TB中断32
3.5.6读数中断33
3.5.7通信子程序设计34
3.6本章小结34
4系统的调试35
4.1系统的硬件调试35
4.2系统的软件调试35
4.3本章小结37
5课题总结与展望38
5.1本文总结38
5.2应用前景展望38
参考文献39
致谢41
1引言
1.1本课题的研究背景
石油在全球各种能源总产量中占首位，是国民经济发展的主要能源，是重要的战略物资，对国家的经济和国防建设具有举足轻重的作用[1]。
在石油工业生产中，钻井和采油都是极为重要的生产环节。
由于井下的异常温度和压力，这就要求下井工具的安全性能有一个可靠的保证，从而保证油井生产的顺利进行。
因此，对采油工具进行多参数、高精度、动态检测，将会降低由于工具质量的原因而引起的油井的损坏。
这无疑对加强油井管理、降本增效，提高质量管理水平具有重要意义。
存储测试技术是近年来发展起来的一项新技术，其思想起源于通讯技术领域的信息理论，是信息存储测试的理论基础，现代信息论的应用将有利于促进存储测试技术的进一步完善和提高[2]。
随着存储测试技术的不断发展，存储测试技术已经由以往的军用目的慢慢转化为民用目的，在运输包装过程中特别需要此项技术用以解决运输过程中测试包装件的各项参数，然而以往的测试大多针对单一或较少物理量进行测试，由于包装件在运输、储存等过程中的随机性，其过程很难模拟，而现今对于运输包装过程中的监测、控制等提出的要求越来越高，所需要测试的参数越来越多，以往的测试方式不能得到理想的结果[3]，因此将多参数存储测试技术应用运输包装领域通过它来测试包装件在流通过程中的各种数据，对原包装设计方案进行修改，使包装件及容器的结构、强度、内部缓冲衬垫、集装方式等更趋合理，确保产品流通的可靠性，防止过度包装造成的浪费;
同时监测运输企业是否按操作规程进行装卸，给运输企业的管理者提交真实数据，改善管理，同时为厂商提供产品运输过程中的数据，看是否是由于运输企业管理不善造成产品的损坏，从而向运输企业提出索赔，挽回经济损失等方面具有重要的意义[4-7]。
试井是一门新兴的综合性科学。
试油测试工艺技术的发展经历了三个阶段，即以常规试油为代表的第一阶段，以地层测试器试油为代表的第二阶段，以地层测试器、电子压力计和二相分离器等技术综合应用的第三阶段。
试井理论半个世纪以来有了很大的发展。
试井的目的之一就是确定油井的地层压力。
而这其中的射孔工艺是关键环节，有效的射孔孔眼对于正确评价油层是至关重要的。
射孔时和压裂恢复过程的压力数据是油气田开发过程中的一项极为重要的资料。
它是研究油气层特征，掌握油气层动态，检查地面采油工艺流程的重要手段[8,9]。
图1.1射孔工艺结构图
1.2国内外井下参数测试研究发展情况
1.2.1国外的研究现状
国外大的石油公司，在80年代初期就研制出了测压仪。
比较有名的公司有美国IES公司、Owen公司和Panex公司等公司。
他们的产品在行业中一直处十领先地位，下面我分别对这些公司的产品做一下简单的介绍。
1.美国IES公司推出的Series200系列产品，如图1.2。
从该公司的网站上查到的资料显示，它不仅可以记录压力和温度数据，也可以在高冲击的环境中工作。
它的优点在于体积小，最高可以抗50,000g的冲击，它在行业内首先采取变速采样策略，仪器在刚开始工作时是低速采样，当产生压力脉冲或是加速度振动时，自动完成高速继到中速最后回到低速采样的转换，这个过程可以重复直至存储器被记满为止。
静态时测压范围0～105MPa，可过载到210Mpa。
测温范围-40～1200C，频响0～10,000Hz，休眠时功耗500uA，采样时功耗100mA。
存储容量1M个数据点。
可以实现高速采样（高速的采样频率可达115kHz）。
图1.3是该仪器配套使用的用Labview开发的读数和分析软件。
图1.2Series200系列产品和专用扳手图
图1.3读数和分析软件
2.美国Panex公司研制生产的MODEL系列产品中测压仪器主要有两类:
MRO和SRO。
MRO（MemoryRead-Out）是存储式的油井仪器;
SRO（SurfaceRead-Out）是直读式的油井仪器，可以实现实时传输。
Model420和Model68_50A都是基于石英振荡传感器构造的直读式的井下压力、温度探测器。
这两种仪器都可以在高温环境下长时间工作，静态时测压范围为0～34.48MPa/68.95MPa/110.32Mpa，250mW的低功耗，测压精度0.02%FS，压力灵敏度0.01psi，测温精度10C，温度灵敏度0.010C，工作温度范围-200C～1500C。
Model420的体积19.O5mmODx48.26cm，重2.3kg。
其实物图见图1.4。
Model6850A的体积32.5mmx81.3cm，重2.3kg。
其实物图见图1.5。
图1.4MODEL4250实物图
图1.5Mdel6850A实物图
3.由彬恒自动化设备公司代理的美国WTS公司的PR300系列存储式井下电子压力计。
PR300系列的性能指标:
可以测量压力和温度.压力测量范围750-15,000psi（5.1-103Mpa），压力精度0.024%FS，压力分辨率<
3%FS，传感器类型硅宝石。
温度测量范围0～3020F（0～1500C）,温度精度0.15%FS,温度分辨率共0.002%FS，最小采样间隔1秒，标准储存能力为696,000组（可扩充），外壳材料是718INCONEL（标准）。
4其他:
如美国的Hewlett-Packard公司的HP系列、法国Flopetrol公司的TPT型和CRG型、美国NLSperry-sun公司的SRPG型等等都是地面直读式电子压力计;
LYNES公司的DMB不IIDMR系列、美国JOHNSTON-MACCO公司的J-300、法国Flopetrol公司的SSDP系列等等井下存储式电子压力计。
1.2.2国内的研究现状
国内的开发研制起步较晚，始于90年代，经过十几年的发展，走过了由开始简单的模仿到现在的自主研发。
由十国产的压力传感器水平不高、高温电子兀器件的筛选范围有限、外筒材料一般等因素决定了国产仪器的整体性能和水平偏低。
随着电子技术的发展和研制厂家的增多，近几年国产测压仪的水平也得到了提高。
其中能查到的有以下一些产品。
1.西安石油学院研制的“井下储存式电子压力计”是一种静压计。
这个系统由井下仪器和以袖珍计算机PC-E500为主的地面回收系统组成。
其功能是采集、存储、处理、绘制压力恢复曲线、打印及求得相应的解释结果。
井下仪器主要采用双单片机实现低功耗设计，可长时间采集井下压力、温度数据，为电池供电仪器的长时间工作提供了一种可行方法。
地面部分采用微机对井下仪器进行参数设置，数据回放及处理，并将结果以图形方式显示输出[10]。
2.天津商学院的姚素芬研制了一种智能型压力测试装置（静压计）。
它采用存储技术把经放大后的被测信号直接存储在存储器中，从而大大提高了测试精度。
同时该装置还采取了低温漂、高增益、耐高温、低功耗等关键技术。
它并自带专用的数据通讯接口，无需任何其它设备也无需引线便可实时记录石油井下数千米，各种地质油层条件下的压力曲线[11]。
3.沈阳市天宇测控技术有限公司十2002年推出的新一代智能存储式井下电子压力计DSY4-T150/T125。
如图1.6所示。
DSY系列井下电子压力计可用于各种油、水井的井下压力、温度测试以及井下地层测试。
温度测量范围是00C～125/1500C，压力测量范围是0～40MPa/60MPa/80MPa，压力测量精度为士0.1%FS,温度测量精度为士10C。
电池可连续工作时间:
20～90天（视采样密度而定），数据容量:
3.2～650万组。
图1.6DSY2-T150/T125存储存式电子压力计
1.3本课题研究的目的和意义
研究压力温度双参数存储测井系统的意义：
目前，国外先进的油井测压器测试原理比较科学，技术指标基本能满足现代试井测试的要求，而且测试效果比较令人满意，但是存在的主要问题是价格比较昂贵，而且有的也不容易引进;
国内生产的电子压力计虽然也有自己的特点，相对于以前确实有了较大的进步，但是由于大部分仪器只能测试油井的静压，即油井的静态压力参数的测量，这对于准确完善的反映均质或非均质系统的动态特征的试井要求是不能满足的，特别是射孔压裂以及压力等动态过程的测试，是国内仪器比较欠缺之处。
即使是动态测试仪器，测压范围最大不过只有0～70MPa，不能测试压裂过程产生的大约为150MPa的压力;
另一方面，在动态测试的过程中，有些参数的变化是在瞬间完成的，所以这时候必须有较高的采样频率才能完成对此过程数据的完整记录。
本论文研究的是双参数测井仪。
双参数测井仪主要用于石油勘探开发，后期的生产测井和工程测井。
测量地层的压力和温度，通过对温度信号的测量来对压力测量进行补偿，进而更加准确的测量出压力，以此来判定储油层性质，确定流体参数，为油田开发提供可靠信息。
本论文研究的目的：
利用存储式双参数测井仪研究对石油的一次采油或三次采油，从而开采出更多的石油。
1.4论文的主要内容
本文在存储测试技术，特别是新概念动态测试技术的基础上，论述了千米油井恶劣环境下的动态参量的测试技术的设计原理和总体方案，并成功的应用在新型四通道石油井下测试仪的设计当中，重点阐述了此测试系统的硬件电路的设计，综合本文，主要有以下内容:
（1）论述了测试仪的总体设计方案和系统组成;
（2）分析了测试系统的设计理论和设计理念，并着重分析了硬件电路的设计，包括模拟电路设计、数字电路的设计及软件设计等等;
（3）对测试仪的调试进行了分析;
（4）剖析了在研究过程中采取的采样策略的优劣及其原因和设计过程中解决的关键技术。
2存储式双参数测试系统方案的总体概述
2.1测试对象的性质特点及主要要求
2.1.1系统主要技术指标
本系统根据被测钻井压力、温度参数的特点而设计，按照方便实用、系统可靠、技术先进、经济节能、灵活应用的原则，主要模块均选用高标准的元件以提高系统的整体性能和测试质量。
系统满足的主要技术指标如下:
（1）压力测量范围，0～35MPa;
（2）正常工作温度范围，-40℃～+125℃;
（3）存储温度范围，-65℃～+150℃;
（4）两路通道测量，通道输入量为模拟信号;
（5）A/D转换为12位编码;
（6）模拟通道采样频率最高可为50KHz;
（7）连续运行时间100小时;
（8）最大数据存储容量1M字节;
（9）外部电源供电范围:
直流供电3V~12V；
（10）通信模式:
USB串行通信。
2.1.2生产测井及射孔技术简介
油田投入开发之前，整个油层处于均匀受压状态，这时油层内部各处的压力称为原始地层压力。
油田投入开发之后，采油、注水使原始地层压力的平衡状态被破坏，地层压力的分布状况发生变化。
在同一水动力系统内，流体压力与深度的关系受油藏邻近的水压所控制，某一地层深度的水压为[12]
Pw=（dp/dz）w*Z+101325（式2.1）
其中z为深度，单位m；
Pw为压力，单位pa；
（dp/dz）w为水的压力梯度。
压力测量分两种类型，一种是梯度测量，即在流体流动或关井条件下沿井眼测量某一日的深度上的压力;
另一种是静态测量，即仪器静止，流体可以流动也可以是在关井条件下。
生产测井通常是以第一种测量方式采集数据，试井压力分析通常以第二种方式
完成采集数扼。
前一种方式所测压力数据主要用于套管、油管流动状态分析，试井分析测量（静态测量）主要用于确定储层参数。
在石油开采过程中，当油井钻探完成后，要进行射孔作业;
即用射孔枪在井壁金属管护套和水泥护层上射孔，从而使地层中的原油流入油井。
射孔对油田生产来说尤为重要，射孔的效果直接影响着油井的产量，对于注入剖面和产出剖面来说，生产测井的主要目的之一是确定射孔层的产液量和吸入量，以及不同流体的含量。
射孔技术的发展经历了二个阶段:
第一是早期的机械射孔枪阶段，第二是子弹射孔枪阶段，第三是目前几乎所有完井都使用的聚能射孔枪阶段。
聚能射孔弹的设计也是从早期的棒载式喷射弹发展到目前使用的高效、高能的聚能射孔弹。
目前主要采用一种基本的射孔方法:
即过套管电缆射孔枪射孔，过油管射孔枪射孔和油管传输射孔。
辽河油田和大庆油田主要采用的是电缆套管射孔技术。
电缆套管射孔枪射孔是一种标准的射孔技术。
在下油管和安装井口装置之前，用电缆把套管射孔枪下到产层的位置，然后点火射孔。
在进行射孔作业时，穿甲弹爆炸会对射孔枪产生很大的冲击，有时会造成枪体断裂。
射孔工艺是否合理直接影响石油产量的高低和射孔作业的安全，为了制定合理的射孔工艺，需对射孔时穿甲弹爆炸对枪体产生的压力、温度参数进行测量。
2.1.3系统需满足的测试要求
所设计的石油井下测试仪需满足以下的测试要求:
（1）机械装置能耐高温、高压、高冲击，且操作简单;
（2）电路模块能在高温、高压的环境下正常工作，抓住可靠数据;
（3）所测物理量，压力、温度必须满足一定的精度要求;
（4）传感器须能承受高温高压、高冲击的恶劣环境，且要有较高的灵敏度和精度;
（5）电路设计必须合理，同时尽可能降低电池功耗:
（6）软件设计合理，操作简便;
（7）对被测体产生的影响降低到最小，使现场操作简便易行;
它的主要技术特点是:
无引线，置入式，实时性;
能耐受井下高温高压等恶劣环境;
体积小,微功耗;
噪声微小，精度高，抗干扰能力强;
操作简便，可靠性高。
2.2系统的总体设计方案及描述
基于以上分析，课题所研究的系统必须在高温、高压的恶劣环境下工作。
因此，本
石油井下测试仪，用于石油油井射孔、高能气体压裂的压力测量，以及温度测量，也可用于水文、水利、地质钻探的井下测试。
它由压力传感器、温度传感器、数据采集系统、电池、高强度的壳体组成。
工作时无需引线，自动采集记录地面、射孔压裂过程及射孔压裂后的恢复过程的压力、温度、加速度信号。
具有抗干扰能力强、耐高温、高压、操作简便、高精度等优点[13,15]。
模拟电路部分:
因为普通运放芯片不能在1500C下工作，所以在必要的通道采用适配电路以增加带负载能力。
数字电路部分:
分别测量压力、温度两个参量。
首先，在下井前给仪器上电，使仪器的所有电路模块都开始工作，且以低频采集地面状况参数，即地表的静压、温度;
记录到一定点数后，系统自动进入待触发状态，同时记录射孔发生之前井下液面处的静态压力;
一旦产生足够大的射孔压力达到电路预先编程设定的触发电平值，自动使系统触发进入高频采样状态。
2.3测试系统的电路组成
电路模块主要由压力、温度两种传感器、模拟电路、数字电路、控制电路等部分组成。
它的原理框图如图2.1所示:
图2.1测试系统原理框图
2.4本章小结
本章首先通过对课题要求的分析，得出压力温度双参数存储测试系统的总体结构，并且画出了该系统的工作原理。
3压力温度双参数存储测试系统设计
根据石油井下射孔压力、温度测试系统的总体设计要求，本章开始进行石油井下射孔压力、温度测试系统的具体设计。
从采样策略理论入手，结合测试系统工作状态图，给出了硬件电路的具体实现，同时对系统软件进行了详细阐述。
3.1采样策略分析
采样策略是指仪器在一次测试过程中系统行为的描述，是依据对被测信号特征估计，综合考虑测量时间、存储容量等因素来确定的。
采样策略包括主要包括系统行为的分阶段性;
每一个阶段的采样频率、系统增益、持续时间;
各阶段之间的转换方式;
以及电源控制策略等等[16]。
中北大学张文栋教授研究提出了适合于现代瞬态速变信号存储测试的四种采样策略，即均匀采样策略，自动分段均匀采样策略，编程自适应分段均匀采样策略、自适应采样策略等[17]。
根据测试的实际情况，结合前人研究的成果，石油井下测试系统选择采用编程分段自适应均匀采样策略进行测试。
编程自适应分段均匀采样策略是指通过事先编程确定记录过程分为若干个均匀采样阶段，每一阶段的开始时间、采样频率、存储点数是根据被测信号的变化自适应调整的一种采样策略。
井下射孔压力、温度的测试可分为地面及井下静压记录、射孔开始的动压记录及射孔结束恢复压力记录二个阶段。
仪器上电后便进入低速采集过程，射孔开始进入高速采集，达到逻辑设计要求后进入中速采集过程，当存储器记满后自动进入等待计算机读数阶段。
3.2射孔信号分析及采样频率确定
当装有聚能射孔弹的射孔枪被下到预定深度时，即可进行射孔过程。
点火线把点火信号传到射孔枪，点燃起爆雷管，进入到接连引爆射孔弹，产生在井壁和岩层上的预定要求的孔眼。
射孔过程是瞬时完成的，大约只需要毫秒级的时间。
射孔时产生的压力值和持续的时间与下井深度、枪长、装弹数等有关。
现在我来分析井下采样的具体过程。
首先，在下井前，对地面的压力参数进行记录，这个过程是仪器采样工作的开始，由于地面的压力参数基本上是没有变化的，因此采样速率不必过大。
在仪器进入油井到达射孔位段的过程中，这段时间压力的变化，主要来自于井下静压变化，其压力变化的梯度大约为100m/MPa，而电缆式射孔的下井速度约为2m/s（油管式更慢），因此在射孔前我们采用低速采样大约为1Hz，这个速率足够描述下井过程压力的变化。
考虑到存储器的容量，以及高频速率，因此，当高速记录到一定程度时（如记满存储器128KW）为了记录射孔后井下压力的恢复过程，这时的采样速率又进入中速，直到记满整个存储空间为止。
这个中速频率，可以根据需要测试的时间长短来确定。
在本课题中结合信号特征大约需要约4分钟时间，所以我们的采样频率为:
ƒ≤（128×
1024）/（4×
60）Hz=546Hz,取为500Hz。
下面来确定高速采样频率。
上代产品高速采样频率为125kHz，由于逻辑的复杂性及单片机性能的限制我们把高速采样频率稳定在100kHz。
图3.1为前人射孔测试分析结果，频谱图表明射孔信号的频率比较低，主要集中在中低频段小于10kHz和20kHz附近这两个频段，100kHz的采样频率足以反映信号的真实情况。
图3.1射孔数据频谱
3.3状态设计
对于复杂的存储测试系统，如果在功能设计之后直接进入电路设计，由于没有状态设计这一环节，常常会出现由于电路设计考虑不周全多次返工的情况;
即使经过多次修改满足了设计要求，但是所研制的存储测试系统其灵活性及适应性较差，只要测试要求稍做改变又要重新设计电路。
这种传统的设计方法，不仅影响了产品设计质量的提高，也影响存储测试系统整体性能的提高。
为此，在存储测试系统的设计中应该设置状态设计这一重要的环节。
所谓状态设计，是根据测试系统功能确定存储测试系统状态组织结构的过程。
它是实现功能设计的关键一环，是硬件设计的依据，也是建立基型存储测试系统的有效手段。
状态设计可以使设计思想清晰地贯穿于设计和调试的始终，可以不同程度的简化原本复杂的设计过程。
状态设计方法，就是在统观全局的基础上，在总体设计的过程中，首要的把系统的工作过程抽象分为若干个具备显著特征的功能结点的设计方法。
具体做法是:
用圆圈表示状态，把状态的主要特征写入状态圆中;
用长箭头表示状态转换的条件，用短箭头表示状态的表现。
为了便于准确测出井下压力和温度的参数值，我选择电缆式下井状态图。
图3.2电缆式下井状态转换图
系统功能逻辑分为八个状态过程:
接通电源态、延时态、低速采集态、高速采集态、中速采集态、待读数态、读数态及数据读出态。
前六个状态过程是顺序发生的，即不可跳过某一个进入下一个状态，而读数态可在其前四个状态中由读数中断进入，就是说在数据采集开始后系统可随时进行读数操作。
系统在工作之前需要由计算机编程写入触发电平，但由于触发电平写入中断复用读数中断，由软件识别读数/编程操作，所以读数态中还包含了触发电平写入这个状态。
下电中断具有最高的优先级，它应用RST/全局复位非可屏蔽中断，在接通电源后的任何状态下只要产生下电中断系统马上停止任何操作直接进入接通电源态。
整个电路中使用VCC、VDD、VEE、VFF四个电源对电路供电，并目四个电源分别在不同时刻提供电路工作时所需能量。
因为电路使用电池供电，这样做就可以最大可能的节约电池能量，提高电池能量的有效利用率，降低功耗。
VCC在整个过程中均有效，负责单片机及电源管理芯片供电，VDD负责晶振及存储器供电，VEE负责模拟板供电，由VEE经MAX860反向得到的VFF为仪表放大器提供负向电源，ST为晶振控制信号，高电平时打开低电平时关闭8M时钟信号输出。
LPM1:
单片机模式1。
在这种模式下CPU处于禁止状态，如果DCO未用作MCLK或SMCLK，则直流发生器被禁止，否则仍保持活动。
MCLK被禁止，SMCLK活动，ACLK活动。
LPM4:
单片机模式4。
在这种模式下CPU及所有的时钟模块均被禁止，但可响应外部中断。
（1）接通电源态:
电路连接电池后就自动进入这个状态。
仅有VCC给单片机供电,其它电源均关闭，晶振关闭。
单片机进入LPM4模式。
这个状态下系统仅可响应上电、下电中断。
电流消耗仅为2uA。
（2）延时态:
上电中断到来，即“ON”接高电平后进入。
VEE打开，模拟电路开始工作，这时数字板没有供电。
延时主要用于模拟电路产生稳定输出。
由于采用软件延时，单片机在中断返回时均进入LPM1模式，保持定时器时钟SMCLK有效。
屏蔽除了非可屏蔽中断外的所有外部中断，电流消耗为7.7mA。
（3）低速采集态:
l0s延时结束芯片完成复位后系统自动进入。
打开所有电源，晶振有效，FIFO以100kHz频率刷新，开始以1Hz频率采集数据。
单片机在中断返回时均进入LPM1模式，保持定时器及AD模块时钟SMCLK有效。
使能读数中断。
电流消耗为13mA。
这时采集的数据为地面大气压力、温度及井下静压和温度，仪器随射孔枪下井过程中均处于这一状态。
值得注意的是FIFO始终是高速刷新的，这样才能保证随后射孔信号高速记录的负延时准确。
（4）中速采集态:
存储器记满128KW后自动进入。
系统开始以500Hz频率采集数据，FIFO仍以100kHz频率刷新，单片机在中断返回时均进入LPM模式。
电流消耗13.6mA。
在射孔过后，井下压力、温度开始渐渐的恢复，此时记录的是
升级会员 