CN104005740A - 油气井多级射孔起爆器的控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油气井多级射孔起爆器的控制电路，包括正负电压变换电路，正负电压变换电路分别与电源及驱动电路连接；电源两端分别并联有电源电压监控和稳压电压，电源电压监控、稳压电压和驱动电路均与数字控制器信号连接，数字控制器的AD采样管脚还分别与压力传感器、温度传感器连接；数字控制器的串口通信管脚与通信接口连接；数字控制器另与存储器连接。本发明还公开了该种油气井多级射孔起爆器的相似度控制方法。本发明的装置及方法，实现了多级起爆的全数字化控制，提高了多级起爆器的起爆的成功率，提高了系统的通用性、安全性及可靠性。

Description

油气井多级射孔起爆器的控制电路及控制方法

技术领域

本发明属于计算机应用及电力电子技术领域，涉及一种油气井多级射孔起爆器的控制电路，本发明还涉及该种油气井多级射孔起爆器的相似度控制方法。

背景技术

多级射孔起爆器是油气田勘探开发过程中必需的设备之一，随着油气田勘探开发、生产的深入和产能建设的需要，对多级射孔起爆器要求越来越高。而在油管传输射孔时，不可避免的要遇到过夹层的问题。传统的方式是采用夹层枪，这种方式劳动强度大、耗时长、容易出现断爆，导致射孔不成功的事故。解决这一问题的方法是使用多级起爆技术代替夹层枪，实现了准确可靠起爆、提高了射孔成功率，而多级起爆技术的关键就是保证多个起爆器依次顺利起爆。

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分析如下：

方式1：投棒起爆器和压力起爆器结合，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：投棒起爆器和压力延时起爆器结合，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：普通压力起爆器和压力延时起爆器结合，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，但延时起爆器投入井中后，由于延时时间固定，无法修改起爆延时时间；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)的监视。

此外，上述方式点火过程中，都采用单一值压力检测和压力编码检测方法实施起爆过程，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。

因此，需提出能够克服恶劣的井下环境对压力检测的影响，提高识别压力编码的准确性及任意时间点火起爆工作过程的新方法，研制能够实现该方法及井下压力、温度、电压数据采集与存储的设备，来解决现有仪器设备存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种油气井多级射孔起爆器的控制电路，解决了现有技术中存在的结构复杂、设备损坏率高、起爆指令检测不准确、易误起爆的问题。

本发明的另一个目的是提出该种油气井多级射孔起爆器的相似度控制方法。

本发明所采用的技术方案是，一种油气井多级射孔起爆器的控制电路，包括正负电压变换电路，正负电压变换电路由两个串联支路并联而成，串联支路一由P沟道功率开关管MOSFETQ1和N沟道功率开关管MOSFETQ2串联组成，串联支路二由P沟道功率开关管MOSFETQ3和N沟道功率开关管MOSFETQ4串联组成；功率开关管MOSFETQ1的源极和功率开关管MOSFETQ3的源极分别与电源的正极连接；功率开关管MOSFETQ2的漏极和功率开关管MOSFETQ4的漏极分别与电源的负极连接；功率开关管MOSFETQ1的栅极、功率开关管MOSFETQ2的栅极、功率开关管MOSFETQ3的栅极、功率开关管MOSFETQ4的栅极分别与驱动电路连接；功率开关管MOSFETQ1的漏极和功率开关管MOSFETQ2的源极之间的节点连接至输出端A，功率开关管MOSFETQ3的漏极和功率开关管MOSFETQ4的源极之间的节点连接至输出端B，输出端A和输出端B一起称为输出端(11)；

电源两端分别并联有电源电压监控和稳压电压，电源电压监控、稳压电压和驱动电路均与数字控制器信号连接，数字控制器的AD采样管脚还分别与压力传感器、温度传感器连接；数字控制器的串口通信管脚与通信接口连接；数字控制器另与存储器连接。

本发明所采用的另一技术方案是，一种油气井多级射孔起爆器的相似度控制方法，利用上述的油气井多级射孔起爆器的控制电路，具体按照以下方式实施：

步骤1、数字控制器将压力传感器获取的压力信号与设定的启动压力信号进行比较，当满足相等或大于设定值的启动条件时，启动正负起爆判断及数据记录，数据采集由数字控制器通过压力传感器、温度传感器和电压监控电路实施，数字控制器将采集到的压力、温度和电压数据写入外部的存储器；否则，数字控制器继续采集压力信号，但不对采集数据进行记录；

步骤2、当数字控制器通过压力传感器成功检测到井上工作人员启动的压力指令后，数字控制器记录压力、温度、电源电压数据，同时进入正负起爆信号判断阶段，数字控制器针对存储的正负起爆信号包括压力值、时间及段数，将压力传感器采集得到的压力信号与存储的设定值正负起爆信号进行判断，正负起爆信号判断过程采用相似度判断方式；

步骤3、判断结果分为正起爆、负起爆及无效三种方式：

正起爆时，由数字控制器输出对应的触发信号，通过驱动电路，使功率开关管MOSFETQ1和功率开关管MOSFETQ4导通，功率开关管MOSFETQ2和功率开关管MOSFETQ3关断，进行正点火；

负起爆时，由数字控制器输出对应的触发信号，通过驱动电路，使功率开关管MOSFETQ1和功率开关管MOSFETQ4关断，功率开关管MOSFETQ2和功率开关管MOSFETQ3导通，进行负点火；

无效时，功率开关管MOSFETQ1、功率开关管MOSFETQ2、功率开关管MOSFETQ3和功率开关管MOSFETQ4均保持关断状态，不进行点火操作，回到启动压力判断；

步骤4、点火持续时间完成后，数字控制器关闭功率开关管MOSFETQ1、功率开关管MOSFETQ2、功率开关管MOSFETQ3和功率开关管MOSFETQ4，经过以上步骤，完成一次正负点火的判断及操作，即成。

本发明的有益效果是：实现了多级起爆的全数字化控制，采用相似度原理，提高了多级起爆器的起爆的成功率，并减小了误操作发生的概率；通过上位机与控制器的通信，提高了工作效率和系统的通用性，提高了系统起爆过程的准确性、安全性及可靠性。

附图说明

图1是本发明多级射孔起爆器的控制电路框图；

图2是本发明方法的相似度工作原理示意图。

图中，1.电源，2.电源电压监控，3.稳压电源，4.驱动电路，5.通信接口，6.存储器，7.数字控制器，8.压力传感器，9.温度传感器，10.正负电压变换电路，11.输出端，12.MOSFETQ1的源极，13.MOSFETQ3的源极，14.MOSFETQ1的栅极，15.MOSFETQ2的栅极，16.MOSFETQ3的栅极，17.MOSFETQ4的栅极，18.MOSFETQ2的漏极，19.MOSFETQ4的漏极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明油气井多级射孔起爆器的控制电路结构是，主要包括主电路和控制电路，主电路包括电源1、正负电压变换电路10及其输出端11，输出端11与起爆器信号相连；控制电路包括电源电压监控2、稳压电压3、驱动电路4、通信接口5、存储器6、数字控制器7、压力传感器8与温度传感器9，

其中正负电压变换电路10由两个串联支路并联而成，串联支路一由P沟道功率开关管MOSFETQ1和N沟道功率开关管MOSFETQ2串联组成，串联支路二由P沟道功率开关管MOSFETQ3和N沟道功率开关管MOSFETQ4串联组成；功率开关管MOSFETQ1的源极12和功率开关管MOSFETQ3的源极13分别与电源1的正极连接；功率开关管MOSFETQ2的漏极18和功率开关管MOSFETQ4的漏极19分别与电源1的负极连接；功率开关管MOSFETQ1的栅极14、功率开关管MOSFETQ2的栅极15、功率开关管MOSFETQ3的栅极16、功率开关管MOSFETQ4的栅极17分别与驱动电路4连接；功率开关管MOSFETQ1的漏极和功率开关管MOSFETQ2的源极之间的节点连接至输出端A，功率开关管MOSFETQ3的漏极和功率开关管MOSFETQ4的源极之间的节点连接至输出端B，输出端A和输出端B一起称为输出端11；驱动电路4由四支N沟道功率开关管组成，该四支N沟道功率开关管的漏极各接一个阻值为18K的电阻一端，该四个电阻的另一端分别连接电源正极，该四支N沟道功率开关管的源极均接电源负极，该四支N沟道功率开关管的栅极均与数字控制器7的驱动信号相连，该四支N沟道功率开关管的漏极均作为正负变换电路的驱动信号；

电源1两端分别并联有电源电压监控2和稳压电压3，电源电压监控2、稳压电压3和驱动电路4均与数字控制器7信号连接，数字控制器7的AD采样管脚还分别与压力传感器8、温度传感器9连接；数字控制器7的串口通信管脚与通信接口5连接；数字控制器7另与存储器6连接。

在具体实施例中优选的部件型号分别是：

电源电压监控电路2是通过分压电阻测量电源电压；稳压电源3采用TLE4476实现5V电压输出；驱动电路4采用MOS管IRF8313实现；通信接口5采用MAX232实现；存储器6采用25LC256实现数据存储；数字控制器7采用PIC4680-H；压力传感器8采用LTP-J7实现压力监控；温度传感器9采用LM35实现温度监控。

本发明油气井多级射孔起爆器控制电路的工作原理是：

正负电压变换电路10用于完成输出端正负电压变换，当MOSFETQ1和MOSFETQ4导通，同时MOSFETQ2和MOSFETQ3截止时，输出端1A为正极，输出端1B为负极；当MOSFETQ1和MOSFETQ4截止，同时MOSFETQ2和MOSFETQ3导通时，输出端1A为负极，输出端1B为正极；当MOSFETQ1、MOSFETQ2、MOSFETQ3及MOSFETQ4均截止时，两个输出均为0。

数字控制器7是由PIC单片机构成的控制系统，通过数字控制器7与上位机的通信，完成起爆参数设置，使得起爆方式灵活方便；上传井下工作过程中压力、温度及相关参数的数据；对上传数据进行记录、图形分析，便于了解井下工作过程信息，为安全、可靠的起爆服务；工作单以图表方式输出，便于指导井上操作人员施加压力指令；自检功能便于检测及指出起爆器硬件故障，为起爆器重复安全、可靠使用提供依据；在线调试功能提供起爆器模拟现场复杂环境，为设定准确起爆方式提供便利。针对不同的油气井及打压设备的具体情况，调整起爆压力、时间、段数及相似度。此外，根据油气井下记录的数据，对井下起爆过程、环境和控制板工作状态进行分析。自检功能可以实现对电路板元器件进行下井前后的检测；调试模式可以在常态环境下，实现模拟井下工作的实时监控。

由于井下工作环境复杂，压力波动大，使得采集到的压力曲线与预置的压力曲线不吻合，造成命令识别失败。依赖于上述的油气井多级射孔起爆器的控制电路结构，本发明提出一种相似度控制策略，如图2所示，为了提高命令识别的准确率，适当延长各段的采样时间(相似度延时时间)，如图2中的t₁～t₂、t₃～t₄及t₅～t₆时间段，增加了采样次数，对正常时间段内满足误差条件的压力点数与相似度延时时间内满足误差条件的压力点数求和，再与对应预置时间段内的压力点数相比，所得到的百分比，即相似度，该相似度是指井下实时采集到的压力曲线与系统内预置的压力曲线的相似程度。使用中，预先设定相似度及相似度延时时间，当系统计算出的相似度符合(大于或等于)设定相似度时，认为采集到的压力曲线与预置压力曲线吻合，命令识别成功。

该控制策略能够有效排除干扰，降低编码命令识别失败的概率。例如一段压力命令持续1分钟，每5秒采集一次压力数据，共12个数据点，设定曲线相似度为80％，相似度延时时间为0.5分钟。由于外界干扰，当12个数据点中满足压力误差的数据点少于80％(10个)时，系统自动进入0.5分钟的相似度延时时间，当满足压力误差的数据点的百分比，超过设定曲线相似度时，认为该压力命令有效，进入下一步操作，否则，命令识别失败。

本发明油气井多级射孔起爆器的相似度控制方法，依赖于上述的控制电路及相似度控制原理，在起爆装置下井前，必须保证电源1的供电电压为12V-16V，用来提供正负电压变换电路10的输入直流电压，

按照以下具体步骤实施：

步骤1、数字控制器7将压力传感器8获取的压力信号与设定的启动压力信号进行比较，当满足相等或大于设定值的启动条件时，启动正负起爆判断及数据记录，数据采集由数字控制器7通过压力传感器8、温度传感器9和电压监控电路2实施，数字控制器7将采集到的压力、温度和电压数据写入外部的存储器6；否则，数字控制器7继续采集压力信号，但不对采集数据进行记录；

步骤2、当数字控制器7通过压力传感器8成功检测到井上工作人员启动的压力指令后，数字控制器7记录压力、温度、电源电压数据，同时进入正负起爆信号判断阶段，数字控制器7针对存储的正负起爆信号包括压力值、时间及段数，将压力传感器8采集得到的压力信号与存储的设定值正负起爆信号进行判断，正负起爆信号判断过程采用相似度判断方式，正负起爆信号判断过程详见本发明前述的相似度原理；

步骤3、判断结果分为正起爆、负起爆及无效三种方式：

正起爆时，由数字控制器7输出对应的触发信号，通过驱动电路4，使功率开关管MOSFETQ1和功率开关管MOSFETQ4导通，功率开关管MOSFETQ2和功率开关管MOSFETQ3关断，进行正点火；

负起爆时，由数字控制器7输出对应的触发信号，通过驱动电路4，使功率开关管MOSFETQ1和功率开关管MOSFETQ4关断，功率开关管MOSFETQ2和功率开关管MOSFETQ3导通，进行负点火；

无效时，功率开关管MOSFETQ1、功率开关管MOSFETQ2、功率开关管MOSFETQ3和功率开关管MOSFETQ4均保持关断状态，不进行点火操作，回到启动压力判断；

步骤4、点火持续时间完成后，数字控制器7关闭功率开关管MOSFETQ1、功率开关管MOSFETQ2、功率开关管MOSFETQ3和功率开关管MOSFETQ4，经过以上步骤，完成一次正负点火的判断及操作，即成。

自此本发明就实现了一个完整步骤，在一个起爆完成后，可以通过通信接口5实现远程控制，将起爆过程中存储在存储器6中的数据提取出来，进行数据分析。

Claims (4)

1.一种油气井多级射孔起爆器的控制电路，其特点在于：包括正负电压变换电路(10)，正负电压变换电路(10)由两个串联支路并联而成，串联支路一由P沟道功率开关管MOSFETQ1和N沟道功率开关管MOSFETQ2串联组成，串联支路二由P沟道功率开关管MOSFETQ3和N沟道功率开关管MOSFETQ4串联组成；功率开关管MOSFETQ1的源极和功率开关管MOSFETQ3的源极分别与电源(1)的正极连接；功率开关管MOSFETQ2的漏极和功率开关管MOSFETQ4的漏极分别与电源(1)的负极连接；功率开关管MOSFETQ1的栅极、功率开关管MOSFETQ2的栅极、功率开关管MOSFETQ3的栅极、功率开关管MOSFETQ4的栅极分别与驱动电路(4)连接；功率开关管MOSFETQ1的漏极和功率开关管MOSFETQ2的源极之间的节点连接至输出端A，功率开关管MOSFETQ3的漏极和功率开关管MOSFETQ4的源极之间的节点连接至输出端B，输出端A和输出端B一起称为输出端(11)；

电源(1)两端分别并联有电源电压监控(2)和稳压电压(3)，电源电压监控(2)、稳压电压(3)和驱动电路(4)均与数字控制器(7)信号连接，数字控制器(7)的AD采样管脚还分别与压力传感器(8)、温度传感器(9)连接；数字控制器(7)的串口通信管脚与通信接口(5)连接；数字控制器(7)另与存储器(6)连接。

2.根据权利要求1所述的油气井多级射孔起爆器的控制电路，其特点在于：所述的驱动电路(4)由四支N沟道功率开关管组成，该四支N沟道功率开关管的漏极各接一个电阻的一端，该四个电阻的另一端分别连接电源正极，该四支N沟道功率开关管的源极均接电源负极，该四支N沟道功率开关管的栅极均与数字控制器(7)的驱动信号相连，该四支N沟道功率开关管的漏极均作为正负变换电路的驱动信号。

3.一种油气井多级射孔起爆器的相似度控制方法，其特点在于，利用权利要求1或2所述的油气井多级射孔起爆器的控制电路，具体按照以下方式实施：

步骤1、数字控制器(7)将压力传感器(8)获取的压力信号与设定的启动压力信号进行比较，当满足相等或大于设定值的启动条件时，启动正负起爆判断及数据记录，数据采集由数字控制器(7)通过压力传感器(8)、温度传感器(9)和电压监控电路(2)实施，数字控制器(7)将采集到的压力、温度和电压数据写入外部的存储器(6)；否则，数字控制器(7)继续采集压力信号，但不对采集数据进行记录；

步骤2、当数字控制器(7)通过压力传感器(8)成功检测到井上工作人员启动的压力指令后，数字控制器(7)记录压力、温度、电源电压数据，同时进入正负起爆信号判断阶段，数字控制器(7)针对存储的正负起爆信号包括压力值、时间及段数，将压力传感器(8)采集得到的压力信号与存储的设定值正负起爆信号进行判断，正负起爆信号判断过程采用相似度判断方式；

步骤3、判断结果分为正起爆、负起爆及无效三种方式：

正起爆时，由数字控制器(7)输出对应的触发信号，通过驱动电路(4)，使功率开关管MOSFETQ1和功率开关管MOSFETQ4导通，功率开关管MOSFETQ2和功率开关管MOSFETQ3关断，进行正点火；

负起爆时，由数字控制器(7)输出对应的触发信号，通过驱动电路(4)，使功率开关管MOSFETQ1和功率开关管MOSFETQ4关断，功率开关管MOSFETQ2和功率开关管MOSFETQ3导通，进行负点火；

无效时，功率开关管MOSFETQ1、功率开关管MOSFETQ2、功率开关管MOSFETQ3和功率开关管MOSFETQ4均保持关断状态，不进行点火操作，回到启动压力判断；

步骤4、点火持续时间完成后，数字控制器(7)关闭功率开关管MOSFETQ1、功率开关管MOSFETQ2、功率开关管MOSFETQ3和功率开关管MOSFETQ4，经过以上步骤，完成一次正负点火的判断及操作，即成。

4.根据权利要求3所述的油气井多级射孔起爆器的控制方法，其特点在于，所述的步骤2中，相似度判断方式具体是：

适当延长各段的采样时间，增加采样次数，对正常时间段内满足误差条件的压力点数与相似度延时时间内满足误差条件的压力点数求和，再与对应预置时间段内的压力点数相比，所得到的百分比即相似度，该相似度是指井下实时采集到的压力曲线与系统内预置的压力曲线的相似程度；

使用中，预先设定相似度及相似度延时时间，当系统计算出的相似度大于或等于设定相似度时，认为采集到的压力曲线与预置压力曲线吻合，命令识别成功。