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《傳感技術(shù)學(xué)報》2015年第十二期
摘要:
目前用于測試射孔壓裂時動態(tài)壓力數(shù)據(jù)的石油井下壓力測試系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用,但對其可靠性的分析研究還是空白。針對這一問題,采用可靠性框圖分析技術(shù)對測試系統(tǒng)的可靠性進行分析。通過深入分析系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和邏輯功能關(guān)系,建立測試系統(tǒng)的可靠性框圖模型。在此基礎(chǔ)上,依據(jù)元器件應(yīng)力分析方法對可能引起系統(tǒng)故障的元器件的失效率進行逐個分析和計算,最后得到測試系統(tǒng)的失效率和平均無故障工作時間。研究結(jié)果為測試系統(tǒng)的可靠性評估提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞:
測試計量儀器;失效率;可靠性框圖模型;系統(tǒng)可靠性理論;射孔壓裂;壓力測試
射孔壓裂是提高油氣井產(chǎn)量的重要手段,由于我國油氣儲層地質(zhì)條件復(fù)雜,對射孔壓裂工藝的要求更高,測試射孔壓裂過程中的動態(tài)壓力數(shù)據(jù)對評判射孔效果和改進射孔工藝具有重要意義[1-3]。油井壓裂動態(tài)壓力測試系統(tǒng)是一種主要用來測試射孔壓裂過程中動態(tài)壓力數(shù)據(jù)的高精度測試系統(tǒng)。在測試時常常伴隨著著高溫、高壓和高沖擊等復(fù)雜的惡劣性環(huán)境,對系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求,而且每口井的射孔壓裂費用很高且具有唯一性,所以要求測試必須保證成功率,因此對測試系統(tǒng)的可靠性進行分析顯得尤為重要了。盡管目前對油井壓力測試系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的可靠性一直沒有進行相關(guān)的分析評估,但國內(nèi)外用于分析其他系統(tǒng)可靠性的方法是多種多樣的[4-6]。傳統(tǒng)的可靠性框圖技術(shù)[7]具有簡單、實用的特點,是復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性分析中常用方法之一。因此,本文可靠性框圖技術(shù)的基礎(chǔ)上,深入分析測試系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和邏輯功能關(guān)系后,建立測試系統(tǒng)的可靠性框圖模型,基于元器件應(yīng)力分析法[8]和電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊[9],對測試系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性進行評估。
1測試系統(tǒng)和研究方法
1.1測試系統(tǒng)石油井下測壓系統(tǒng)主要由壓力傳感器、適配調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)存儲電路、電源模塊、機械外殼和上位機組成。圖1測試系統(tǒng)原理圖。適配調(diào)理電路對壓力傳感器采集到的模擬信號進行放大濾波處理,處理后的信號一方面經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后經(jīng)過負延時后更新到單片機的比較器里通過隨動觸發(fā)技術(shù)跟設(shè)定的觸發(fā)壓力值進行比較,另一方面存入外部的大容量非易失Flash里,保證了數(shù)據(jù)的完整性。電源模塊經(jīng)過穩(wěn)壓器后提供適合MCU、Flash和FIFO的穩(wěn)定電壓,保證系統(tǒng)的正常工作。上位機在測試前根據(jù)本次射孔壓裂要求對測壓器進行觸發(fā)壓力等參數(shù)編程,在測試完成后讀取數(shù)據(jù)并在軟件界面上顯示出擬合后的波形圖。
1.2可靠性框圖技術(shù)可靠性框圖RBD(ReliabilityBlockDiagram)是研究系統(tǒng)可靠性的一種重要技術(shù)和工具。簡單地說,是用框圖的形式將系統(tǒng)各個組成部分之間的邏輯關(guān)系表示出來,可靠性框圖就是表示這些邏輯關(guān)系的工具,這種分析方法就叫做可靠性框圖技術(shù)[7],其主要的性能指標(biāo)有可靠度R(t)、累計失效概率F(t)、失效率λ和平均無故障工作時間MTBF??煽啃钥驁D最基本的結(jié)構(gòu)模型是串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)兩種,其他的結(jié)構(gòu)模型都是在這兩種結(jié)構(gòu)組合基礎(chǔ)上衍生出來的。下面對這兩種結(jié)構(gòu)模型做簡單介紹。①串聯(lián)系統(tǒng):如果整個設(shè)備系統(tǒng)是由m個單元(即分機、分系統(tǒng)或元件)組成,有且只要其中任意一個單元失效。即只有當(dāng)系統(tǒng)的每個單元都不失效,系統(tǒng)才能不失效。這種系統(tǒng)稱為串聯(lián)系統(tǒng)[8]。其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。假設(shè)串聯(lián)系統(tǒng)中的m個單元是相互獨立的,每個單元的可靠度為Ri,根據(jù)概率乘法法則,系統(tǒng)的可靠度的數(shù)學(xué)模型Rs可寫成。②并聯(lián)系統(tǒng):如果設(shè)備系統(tǒng)是由m個單元組成,只要其中任意一個單元能正常工作,整個系統(tǒng)就可以正常工作。換句話說,只有m個單元都失效,則系統(tǒng)才失效。這樣的系統(tǒng)稱為并聯(lián)系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。
2測試系統(tǒng)的可靠性框圖模型
可靠性框圖技術(shù)是系統(tǒng)安全性、可靠性評估和風(fēng)險評價中常用的一種方法??煽啃阅P褪菫榱祟A(yù)計和估算系統(tǒng)可靠性而建立的數(shù)學(xué)模型[10]。可靠性框圖模型是基于系統(tǒng)及其外圍設(shè)備中各部件之間關(guān)系及其連接方式的靜態(tài)抽象模型。其假設(shè)系統(tǒng)組成部件之間的失效行為相互獨立,在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)中各模塊和部件的靜態(tài)可靠性進行分析,即不考慮部件之間故障的相關(guān)性及系統(tǒng)狀態(tài)變化的動態(tài)特性[11]。該方法建模和求解過程較為簡單和直觀,便于求得精確解。正確建立模型是可靠性框圖分析技術(shù)成功的前提[12-13]。一個完整的復(fù)雜系統(tǒng)通常包含幾個子系統(tǒng),而每一個子系統(tǒng)由若干個功能模塊組成,每一個功能模塊又包含很多元器件。石油井下測試系統(tǒng)是由若干個功能模塊和許多的元器件組成的。因此,建立可靠性框圖模型首先要在結(jié)構(gòu)上進行分解,再對各子功能系統(tǒng)或模塊逐級分解,直到元器件層次,最后按功能對各個進行組合成系統(tǒng)。測壓器的第Ⅰ級模型主要有機械殼體、定制電池、電路模塊和接插件;將第Ⅰ級中的電路模塊再進行細分,可得到第Ⅱ級模型包括集成芯片、阻容器件、連接導(dǎo)線和印制板焊盤;第Ⅱ級中的集成芯片又可細分為包含LP2985和LP2987、放大器INA128和穩(wěn)壓器3140、MSP430F1611、晶振、FLASH、FIFO的第Ⅲ級模型。將各個模塊按功能聯(lián)系起來可知系統(tǒng)屬于典型的串行系統(tǒng)。圖4為據(jù)此建立的石油井下測試系統(tǒng)可靠性框圖模型。
3油氣井測壓器可靠性計算
根據(jù)可靠性框圖模型采用元器件應(yīng)力分析法對油氣井測壓器的可靠性進行評估預(yù)計。此時對每個電路的每個元器件進行逐個應(yīng)力分析,查閱電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊確定每個元器件的基本失效率,根據(jù)各元器件的實際工作環(huán)境和挑選等級選用不同的系數(shù)和失效率模型,對各部件基本失效率進行修正,這樣求得每個元器件的使用失效率(即應(yīng)用失效率)。最后,將各個元器件的使用失效率相加求得設(shè)備的失效率,從而對測壓儀的可靠性進行了精確計算。在測試系統(tǒng)中,鈦合金殼體在設(shè)計和制造過程中綜合考慮了環(huán)境因素和故障/失效狀況[14]等對產(chǎn)品可靠性具有主要影響的信息,在多次試驗驗證以及油氣井實測中未出現(xiàn)失效的現(xiàn)象,故可以認為其可靠度為1。由圖4可知油氣井測壓器的可靠性模型為串聯(lián)模型,故其系統(tǒng)總失效率與平均無故障工作時間計算公式為。
4結(jié)論
為了確保油井壓力測試系統(tǒng)的測試成功率,需要進行可靠性的綜合評估,本文運用可靠性框圖技術(shù)針對測試系統(tǒng)建立了可靠性框圖模型,基于系統(tǒng)可靠性理論和應(yīng)力分析方法對可能引起故障的元器件逐個進行定量分析和計算,得到以下結(jié)論:①通過對單一元器件的可靠性進行分析計算,可知選用高可靠性的元器件,在某種程度上能反映系統(tǒng)的可靠性情況;②測試系統(tǒng)的平均無故障工作時間MTBFS=645h,跟據(jù)單次測試平均時間Td=4h可知,系統(tǒng)平均無故障工作次數(shù)為156次,滿足可靠性指標(biāo)要求;③運用可靠性框圖技術(shù)對油井壓力測試系統(tǒng)進行可靠性分析是有效可行的,與實驗和實際測試結(jié)果相符合,為測試系統(tǒng)的可靠性評估提供了理論依據(jù)。
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作者:郝鑫剛 李新娥 崔春生 肖文聰 單位:中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室 中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室