一种用于油井射孔的多级压力编码起爆方法及装置.pdf

本发明涉及一种用于油井射孔的多级压力编码起爆方法及装置，通过压力传感器和温度传感器实时检测油气井射孔层位的压力和温度信号，将温度信号与温度开关所设置温度进行比较，达到或超过度开关所设置温度后，开始起爆信号识别；将接收到的压力信号与预存设定的启动压力命令进行比较，完成启动压力命令识别；将后续接收到的压力信号与预存设定的压力编码命令进行比较，将接收到的压力信号与预先设定的正编码命令、负编码命令进行比较，当在井下检测到压力信号和设置的预定正编码命令符合时，向做功电路发出正做功命令，控制做功电路输出正极性电压，起爆射孔弹，实现一级射孔枪起爆，同样原理可实现负起爆射孔。

1.  一种用于油井射孔的多级压力编码起爆方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：温度传感器和压力传感器自井上向井下运动过程中采集井下环境温度信号和井下压力信号，当采集温度电压值大于Ut时，进行压力信号识别；t为信号采集间隔；
所述Ut为设定的温度开关电压，设定数值低于射孔层位的环境温度的电压；
步骤2、压力判断：当U_i+1–U_i≥U1，且(U_i+n–U_i)≥U1，则启动压力识别成功，进行步骤3；若不满足上述条件，判断为干扰信号，则继续对下一个采集到的压力数据进行启动压力判别，不断重复这个过程，直到启动压力识别成功，开始静压力测量，其中n＝2，3，…，60；
其中：U1为对应7兆帕压力的电压数值，U_i为T_i时刻采集到压力信号电压，{i∈{0，+∞}}；
步骤3、静压力测量：在启动压力识别成功后，延时3分钟的泄压时间，然后保持压力采集间隔不变，连续采集60个压力值，对60个压力值求平均值为静压力值U2；
步骤4、压力编码识别：保持压力采集间隔不变继续进行压力信号采集，
正起爆编码命令的识别：
当某时刻采集到电压为U2+U_I，且其后采集到的连续59个电压值也为U2+U_I，判断起爆方式为正起爆，完成正起爆第一条命令判断；
所述U_I＝0.5伏，为第一条正起爆编码电压，I＝1,2，…，60；
若其后某时刻采集到电压为U2+U_J，且其后采集到的连续59个电压值为U2+U_J，完成正起爆编码命令的识别；
所述U_J＝1伏，为第二条正起爆编码电压，J＝1,2，…，60；
负起爆编码命令的识别：
当某时刻采集到电压为U2+U_M伏，且其后采集到的连续59个电压值为U2+U_M 伏，判断起爆方式为正起爆，完成负起爆第一条命令判断；
所述U_M＝1伏，为第一条负起爆编码电压，M＝1,2，…，60；
若其后某时刻采集到电压为U2+U_N伏，且其后采集到的连续59个电压值为U2+U_N伏，完成负起爆编码命令的识别；
所述U_N＝0.5伏，为第二条负起爆编码电压，N＝1,2，…，60；
当正起爆编码命令的识别完成时，单片机与开关电路KA、KB、KC、KD的四个管脚电位分别为：KA、KC同为低电平，KB、KC全为高电平时，OUT1与电池正极导通，OUT2与电池负极导通，实现正极性导通，启动起爆射孔弹的指令；
当负起爆编码命令的识别完成，单片机与开关电路KA、KB、KC、KD的四个管脚电位分别为：KA、KC同为高电平，KB、KC全为低电平时，OUT1与电池负极导通，OUT2与电池正极导通，实现负极性导通，启动起爆射孔弹的指令。

2.  一种实现权利要求1所述的用于油井射孔的多级压力编码起爆方法的装置，其特征在于包括压力传感器、温度传感器、信号调理电路、单片机、供电电路、外部储存器、做功电路和通讯电路；所述的做功电路包括U8、U9、U10和U11四个场效应管，四个场效应管以源极与漏极相连形成桥型连接，U8源极与U10漏极连接端为输出端OUT1，U9源极与U11漏极连接端为输出端OUT2，四个场效应管的栅极KA、KB、KC、KD分别与单片机I/O端口连接；单片机通过通讯电路与上位机连接，接收上位机发送的压力编码命令，将接收到的压力编码命令，按照约定格式及地址写入单片机EEPROM内，形成预定编码命令；压力传感器和温度传感器置于油气井内，采集的油气井下的压力信号和温度信号传输至信号调理电路中，信号调理电路对接收到的压力信号和温度信号分别进行滤波和放大后输入到单片机中；单片机将压力信号和温度信号与存储在单片机EEPROM内的预定编码命令进行比较，若压力信号与预定编码命令相符合，单片机系统根据正或负起爆编码 命令，控制与做功电路KA、KB、KC、KD相连单片机管脚的电位，做功电路输出端OUT1、OUT2输出正或负极性电压，起爆射孔弹。

3.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述温度传感器采用热电偶、热敏电阻或辐射式温度传感器。

一种用于油井射孔的多级压力编码起爆方法及装置
技术领域
本发明属于石油领域的自动控制技术，涉及一种用于油井射孔的多级压力编码起爆方法及装置。
背景技术
在石油领域，石油作为重要的自然资源，在我国经济社会发展过程中占据着举足轻重的地位。改革开放以来，随着我国经济建设的快速发展，对自然资源特别是石油的依赖日益显现。我国是个石油匮乏的国家，每年一半以上的需求都需要进口，而与此相对应的是，我国的石油仪器研制在全世界范围内也处于比较落后的水平，加大先进石油仪器的研制，提高采油效率，获得更高的产量，是摆在我国石油仪器工作者面前非常迫切的问题。
在石油的开采中，新的油井打好以后，需要下放套管、固井。由于套管及水泥的阻挡，油层中的石油不会自动流出。所以，通常在固井完成后，需要将射孔枪下到预定的岩层进行射孔作业。所谓的射孔，就是使用专门的射孔枪，将套管和水泥环射开，使套管内与油层之间建立起一条通道，确保石油能够顺利从产油层流出。一条清洁无污染的通道，为后续压裂等操作创造了良好的条件，也是使油井获得最大产能的重要保证。
然而在射孔作业过程中，射孔弹引爆产生的巨大冲击力常造成射孔枪的断裂及相关测井仪器的破坏。不仅如此，射孔枪能否正确可靠的引爆往往关系着射孔作业人员的生命财产安全。射孔作业通常在距地面数千米以上的位置，仪器在工作时受到高温高压以及很多不确定因素的干扰，存在误引爆的可能。因此射孔工艺是否合理，对油井的产量及开采的安全，起着至关重要的作用。
射孔枪的正确引爆是射孔技术中的一个重要的环节。可靠的引爆技术不仅能够提 高下井一次爆破的成功率，节约人力物力成本，更是对生产作业人员安全的可靠保证。随着油田开采进入中后期，为了能够获得高效的产能，简单的单级射孔引爆技术已经不能适应大规模生产的要求。而进行多级射孔作业，须保证每级射孔枪的可靠引爆，成为石油开采研究中的一个热门课题。
国内外使用的射孔枪及次级以下射孔枪的
目前国内外现有的多级起爆技术是采用多种起爆器相配合的工作方式，引爆方法有以下几种：：
方式1：投棒起爆器和压力起爆器结合；
方式2：投棒起爆器和压力延时起爆器结合；
方式3：普通压力起爆器和压力延时起爆器结合；
方式1虽然可以实现多级起爆，但是当油井为大斜度井、水平井时，无法进行施工，且不能用于测试联座、带泵射孔等射孔工艺。
方式2是基于方式1的基础上，利用压力延时起爆器，避免了气井、高地层压力带来的作业风险。根据不同的井深可以采用不同延时时间的延时起爆器。这种方式同样不能用于大斜度井、水平井的施工，也无法进行于测试联座、带泵射孔等射孔工艺。
方式3的起爆方式，几乎适用于所有井况，所以是使用最多、应用最为广泛的方式，但延时起爆器下到井中后，由于延时时间固定，无法改变起爆延时时间；当需要多个延时条件时，需增加延时起爆器的数量，增加了设备体积、复杂度和成本；无法实现井下工作环境(工作压力、环境温度等参数)的监测。
此外，上述方式点火过程中，都采用单一压力值激发实施起爆，由于井下环境的多变性及压力检测方法过于简单，造成压力检测的不准确，易出现误起爆，造成工程事故、工期延误和财产损失。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于油井射孔的多级压力编码起爆方法及装置，提供了一种安全性高、可控的多级压力编码做功装置及方法，实现远程无线控制起爆，提高下井过程中的安全性，并实现一次下井完成多层位射孔作业。
技术方案
一种用于油井射孔的多级压力编码起爆方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：温度传感器和压力传感器自井上向井下运动过程中采集井下环境温度信号和井下压力信号，当采集温度电压值大于Ut时，进行压力信号识别；t为信号采集间隔；
所述Ut为设定的温度开关电压，设定数值低于射孔层位的环境温度的电压；
步骤2、压力判断：当U_i+1–U_i≥U1，且(U_i+n–U_i)≥U1，则启动压力识别成功，进行步骤3；若不满足上述条件，判断为干扰信号，则继续对下一个采集到的压力数据进行启动压力判别，不断重复这个过程，直到启动压力识别成功，开始静压力测量，其中n＝2，3，…，60；
其中：U1为对应7兆帕压力的电压数值，U_i为T_i时刻采集到压力信号电压，{i∈{0，+∞}}；
步骤3、静压力测量：在启动压力识别成功后，延时3分钟的泄压时间，然后保持压力采集间隔不变，连续采集60个压力值，对60个压力值求平均值为静压力值U2；
步骤4、压力编码识别：保持压力采集间隔不变继续进行压力信号采集，
正起爆编码命令的识别：
当某时刻采集到电压为U2+U_I，且其后采集到的连续59个电压值也为U2+U_I，判断起爆方式为正起爆，完成正起爆第一条命令判断；
所述U_I＝0.5伏，为第一条正起爆编码电压，I＝1,2，…，60；
若其后某时刻采集到电压为U2+U_J，且其后采集到的连续59个电压值为U2+U_J，完成正起爆编码命令的识别；
所述U_J＝1伏，为第二条正起爆编码电压，J＝1,2，…，60；
负起爆编码命令的识别：
当某时刻采集到电压为U2+U_M伏，且其后采集到的连续59个电压值为U2+U_M伏，判断起爆方式为正起爆，完成负起爆第一条命令判断；
所述U_M＝1伏，为第一条负起爆编码电压，M＝1,2，…，60；
若其后某时刻采集到电压为U2+U_N伏，且其后采集到的连续59个电压值为U2+U_N伏，完成负起爆编码命令的识别；
所述U_N＝0.5伏，为第二条负起爆编码电压，N＝1,2，…，60；
当正起爆编码命令的识别完成时，单片机与开关电路KA、KB、KC、KD的四个管脚电位分别为：KA、KC同为低电平，KB、KC全为高电平时，OUT1与电池正极导通，OUT2与电池负极导通，实现正极性导通，启动起爆射孔弹的指令；
当负起爆编码命令的识别完成，单片机与开关电路KA、KB、KC、KD的四个管脚电位分别为：KA、KC同为高电平，KB、KC全为低电平时，OUT1与电池负极导通，OUT2与电池正极导通，实现负极性导通，启动起爆射孔弹的指令。
一种实现所述用于油井射孔的多级压力编码起爆方法的装置，其特征在于包括压力传感器、温度传感器、信号调理电路、单片机、供电电路、外部储存器、做功电路和通讯电路；所述的做功电路包括U8、U9、U10和U11四个场效应管，四个场效应管以源极与漏极相连形成桥型连接，U8源极与U10漏极连接端为输出端OUT1，U9源极与U11漏极连接端为输出端OUT2，四个场效应管的栅极KA、KB、KC、KD分别与单片机I/O端口连接；单片机通过通讯电路与上位机连接，接收上位机发送的压力编码命令，将接收到的压力编码命令，按照约定格式及地址写入单片机EEPROM内，形成预定编码命令；压力传感器和温度传感器置于油气井内，采集的油气井下的压力信号和温度信号传输至信号调理电路中，信号调理电路对接收到的压力信号和温度信号分别进行滤波和放大后输入到单片机中；单片机将压力信号和温度信号与存储在单片 机EEPROM内的预定编码命令进行比较，若压力信号与预定编码命令相符合，单片机系统根据正或负起爆编码命令，控制与做功电路KA、KB、KC、KD相连单片机管脚的电位，做功电路输出端OUT1、OUT2输出正或负极性电压，起爆射孔弹。
有益效果
本发明提出的一种用于油井射孔的多级压力编码起爆方法及装置，通过设置压力传感器、温度传感器以及单片机系统，压力传感器和温度传感器实时检测油气井射孔层位的压力和温度信号，并将采集到的压力信号和温度信号经放大后发送到单片机系统中，单片机系统将接收到的温度信号与温度开关所设置温度进行比较，达到或超过度开关所设置温度后，开始起爆信号(启动压力命令、压力编码命令)识别，单片机系统将接收到的压力信号与预存设定的启动压力命令进行比较，当在井下检测到压力信号和设置的预定启动压力命令符合时，完成启动压力命令识别，接下来，单片机系统将后续接收到的压力信号与预存设定的压力编码命令进行比较，将接收到的压力信号与预先设定的正编码命令、负编码命令进行比较，当在井下检测到压力信号和设置的预定正编码命令符合时，向做功电路发出正做功命令，控制做功电路输出正极性电压，起爆射孔弹，实现一级射孔枪起爆，同样原理可实现负起爆射孔，就这样使用两套不同压力编码命令控制做功电路导通，通过控制电源正负极性切换，配合压力转换装置，实现由下而上正负交替起爆，完成多层分级射孔作业，实现的高安全可控起爆。
当在井下控制电路检测到压力信号和设置的预定启动压力命令与编码命令相同时，向做功电路发出做功命令，控制做功电路起爆射孔弹，实现的可靠起爆。同时，压力起爆采用启动压力命令与压力编码命令数据，可以提高抗干扰的能力，实现可控起爆。
附图说明
图1：本发明的用于油井射孔的多级压力编码起爆方法的装置
图2：本发明装置中的做功电路原理图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
附图1为本发明的用于油井射孔的多级压力编码起爆方法的装置的原理框图，包括压力传感器、温度传感器、信号调理电路、单片机、供电电路、外部储存器、做功电路和通讯电路。其中所述做功电路包括U8、U9、U10和U11四个场效应管，四个场效应管以源极与漏极相连形成桥型连接，U8源极与U10漏极连接端为输出端OUT1，U9源极与U11漏极连接端为输出端OUT2，四个场效应管的栅极KA、KB、KC、KD分别与单片机I/O端口连接。
单片机通过通讯电路与上位机连接，接收上位机发送的压力编码命令，将接收到的压力编码命令，按照约定格式及地址写入单片机EEPROM内，形成预定编码命令；压力传感器和温度传感器置于油气井内，采集的油气井下的压力信号和温度信号传输至信号调理电路中，信号调理电路对接收到的压力信号和温度信号分别进行滤波和放大后输入到单片机中；单片机将压力信号和温度信号与存储在单片机EEPROM内的预定编码命令进行比较，若压力信号与预定编码命令相符合，单片机系统根据正或负起爆编码命令，控制与做功电路KA、KB、KC、KD相连单片机管脚的电位，做功电路输出端OUT1、OUT2输出正或负极性电压，起爆射孔弹。
所述的压力传感器，用于采集油气井下的压力信号，并将采集到的压力信号传输到信号调理电路中；
所述的温度传感器，用于采集油气井下的温度信号，并将采集到的温度信号传输到信号调理电路中；温度检测的方法很多，有不同类型的传感器可供选择，比较常见的有热电偶、热敏电阻、辐射式测温等多种方法。在选择温度传感器时，要综合考虑如下几个因素：温度测量范围、测量精度、响应时间、稳定性、线性度和灵敏度等。除此之外，考虑到油气井下仪器的特殊工作环境以及对仪器体积大小等的诸多限制， 在选择时尽可能选择体积小巧、温度测量范围较宽、功耗较低的传感器。为进一步减小体积，本发明使用的温度传感器应选择输出为电压信号的传感器，来简化温度信号调理电路的复杂程度。
所述的信号调理电路，用于接收输入到其内部的压力信号或者温度信号，并对接收到的压力信号和温度信号分别进行滤波和放大，并将放大后的压力信号和温度信号输入到单片机系统中；
所述的单片机系统，用于接收上位机发送的温度开关、起爆信号信息，将接收到的温度开关、起爆信号信息，按照约定格式及地址写入单片机里，形成预设的温度开关、起爆信号，并接收经信号调理电路放大后的压力信号和温度信号，根据温度开关设置对温度进行判断，当温度值达到或超过温度开关设置值时，开始起爆信号(启动压力命令、压力编码命令)识别，单片机系统将接收到的压力信号与预存设定的启动压力命令进行比较，当在井下检测到压力信号和设置的预定启动压力命令符合时，完成启动压力命令识别，接下来，单片机系统将后续接收到的压力信号与预存设定的压力编码命令进行比较，将接收到的压力信号与预先设定的正编码命令、负编码命令进行比较，当在井下检测到压力信号和设置的预定正编码命令符合时，向做功电路发出正做功命令，控制做功电路输出正极性电压，起爆射孔弹，实现一级射孔枪起爆，同样原理可实现负起爆射孔，就这样使用两套不同压力编码命令控制做功电路导通，通过控制电源正负极性切换，配合压力转换装置，实现由下而上正负交替起爆，完成多层分级射孔作业，
在下井之前，起爆装置需要与上位机通过通信模块相连，上位机完成对起爆装置中单片机系统的启动压力命令与压力编码命令的设置，压力传感器的标定与检定。在起爆装置下井之前井上的压力编码命令的设置由上位机完成，采用VC++6.0编程，配合单片机系统完成相关操作；单片机系统使用单片机处理压力传感器检测得到的压力信号，然后辨识启动压力命令和压力编码命令，正确输出对应极性的电压，起爆射孔 枪。
具体的有以下几方面的内容：
在下井之前(1)压力编码命令的设置。由上位机和起爆装置中的单片机系统配合，形成预定编码命令。预定编码命令是是否给射孔弹发出做功命令的参照编码命令，是以压力值及其持续时间的形式给出的，由地面操作人员来完成。并由操作人员按照设定的地面施加的压力命令，在地面上向油气井中施加压力，单片机控制系统接收压力传感器采集到的加压后的压力信号，并根据该压力信号辨识出是否与预定编码命令相符。
上位机使用时对压力编码命令波形进行相关设置，并输入射井深度，压井液密度等信号。上位机按照基本信号和压力编码命令生成供单片机系统辨识的压力编码命令，下传给单片机系统。同时要生成加压施工文件，包括基本信号和加压曲线，共存盘保存及打印。单片机系统接收上位机送来的压力编码命令，包括静压和施加压力，按照约定格式及地址写入单片机里。启动压力命令与压力编码命令接收完成后，将写入到EEPROM内的启动压力命令与压力编码命令数据回传给上位机，以便操作人员检查写入启动压力命令与压力编码命令的正确性。
其中，预定启动压力命令与正或负编码命令包括以下：
一.所述的压力命令为加压到P1兆帕，保持t1分钟以上。
二.所述的压力命令为加压到P2兆帕，保持t2分钟以上。
三.所述的压力命令为加压到P3兆帕，保持t3分钟以上。
四.所述的压力命令为加压到P4兆帕，保持t4分钟以上。
五.所述的压力命令为加压到P5兆帕，保持t5分钟以上。
六.所述的压力命令为加压到P6兆帕，等待t6分钟以上。
当在一端时间内压力传感器检测到的压力值和持续时间分别于这六个命令相符，执行完成后，发出正或负做功命令，控制做功电路输出对应极性电压，起爆相连通射 孔枪。
(2)压力传感器的标定。为了克服压力传感器自身特性不同而带来的测量误差，在产品使用前，必须对压力传感器进行压力标定，即确定压力传感器的输入输出关系。由于压力传感器的分散性和非线性以及温度漂移特性，压力编码起爆装置在正式下井使用前，需要对压力传感器进行压力标定和温度补偿标定。所谓标定就是要检测得到压力传感器的压力曲线和温度漂移曲线，从而得到准确的压力检测值。
(3)压力传感器的检定。为确保压力传感器的正确标定，保证起爆装置的准确性和单片机系统的可靠运行，在标定完成后对标定的结果进行核对，确保压力传感器符合规定的误差标准。并生成相关报表供打印保存。
具体的，给单片机系统施加不同的压力和温度值，单片机系统根据标定数据检测计算出实际压力测量值，并将结果传送到PC机上，实时显示测量值同时存储录入数据。根据检测数据生成相应的表格，和施加给系统的实际压力值比较计算测量误差，并按照验证数据自动生成校验结果表供磁盘保存及打印。
同时，由于稳定的工作电压直接影响到单片机系统各个模块的正常运行。本装置的供电电路由2节高温电池串联提供电量，电压值为7伏左右，随着起爆装置工作时间增加，对电能消耗也会增大，电池的输出电压会相应降低，为了保证系统可靠运行，规定正常工作时电源输出电压不
方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：温度传感器和压力传感器自井上向井下运动过程中采集井下环境温度信号和井下压力信号，当采集温度电压值大于Ut时，进行压力信号识别；t为信号采集间隔；
所述Ut为设定的温度开关电压，设定数值低于射孔层位的环境温度的电压；
步骤2、压力判断：当U_i+1–U_i≥U1，且(U_i+n–U_i)≥U1，则启动压力识别成功，进行步骤3；若不满足上述条件，判断为干扰信号，则继续对下一个采集到的压力数 据进行启动压力判别，不断重复这个过程，直到启动压力识别成功，开始静压力测量，其中n＝2，3，…，60；
其中：U1为对应7兆帕压力的电压数值，U_i为T_i时刻采集到压力信号电压，{i∈{0，+∞}}；
步骤3、静压力测量：在启动压力识别成功后，延时3分钟的泄压时间，然后保持压力采集间隔不变，连续采集60个压力值，对60个压力值求平均值为静压力值U2；
步骤4、压力编码识别：保持压力采集间隔不变继续进行压力信号采集，
正起爆编码命令的识别：
当某时刻采集到电压为U2+U_I，且其后采集到的连续59个电压值也为U2+U_I，判断起爆方式为正起爆，完成正起爆第一条命令判断；
所述U_I＝0.5伏，为第一条正起爆编码电压，I＝1,2，…，60；
若其后某时刻采集到电压为U2+U_J，且其后采集到的连续59个电压值为U2+U_J，完成正起爆编码命令的识别；
所述U_J＝1伏，为第二条正起爆编码电压，J＝1,2，…，60；
负起爆编码命令的识别：
当某时刻采集到电压为U2+U_M伏，且其后采集到的连续59个电压值为U2+U_M伏，判断起爆方式为正起爆，完成负起爆第一条命令判断；
所述U_M＝1伏，为第一条负起爆编码电压，M＝1,2，…，60；
若其后某时刻采集到电压为U2+U_N伏，且其后采集到的连续59个电压值为U2+U_N伏，完成负起爆编码命令的识别；
所述U_N＝0.5伏，为第二条负起爆编码电压，N＝1,2，…，60；
当正起爆编码命令的识别完成时，单片机与开关电路KA、KB、KC、KD的四个管脚电位分别为：KA、KC同为低电平，KB、KC全为高电平时，OUT1与电池正极导通，OUT2与电池负极导通，实现正极性导通，启动起爆射孔弹的指令；
当负起爆编码命令的识别完成，单片机与开关电路KA、KB、KC、KD的四个管脚电位分别为：KA、KC同为高电平，KB、KC全为低电平时，OUT1与电池负极导通，OUT2与电池正极导通，实现负极性导通，启动起爆射孔弹的指令。
本装置采用单片机处理系统来辨识预先设定的射孔弹预定编码命令，编码命令采用压力编码命令，以提高抗干扰能力。应用在油气井下控制射孔弹起爆过程中，要求单片机系统能够准确识别压力编码命令，可靠引爆射孔弹，保障施工作业人员安全。干扰是随机的，它和设置的预定编码命令重合的概率几乎为零。起爆装置自带压力传感器检测压力，当压力传感器检测到的压力信号和设置的预定编码命令相符合时，起爆射孔弹。