油井压力测试系统可靠性分析范文

《传感技术学报》2015年第十二期

摘要：

目前用于测试射孔压裂时动态压力数据的石油井下压力测试系统得到了广泛的应用，但对其可靠性的分析研究还是空白。针对这一问题，采用可靠性框图分析技术对测试系统的可靠性进行分析。通过深入分析系统的组成结构和逻辑功能关系，建立测试系统的可靠性框图模型。在此基础上，依据元器件应力分析方法对可能引起系统故障的元器件的失效率进行逐个分析和计算，最后得到测试系统的失效率和平均无故障工作时间。研究结果为测试系统的可靠性评估提供了理论依据。

关键词：

测试计量仪器；失效率；可靠性框图模型；系统可靠性理论；射孔压裂；压力测试

射孔压裂是提高油气井产量的重要手段，由于我国油气储层地质条件复杂，对射孔压裂工艺的要求更高，测试射孔压裂过程中的动态压力数据对评判射孔效果和改进射孔工艺具有重要意义［1-3］。油井压裂动态压力测试系统是一种主要用来测试射孔压裂过程中动态压力数据的高精度测试系统。在测试时常常伴随着着高温、高压和高冲击等复杂的恶劣性环境，对系统的可靠性提出了很高的要求，而且每口井的射孔压裂费用很高且具有唯一性，所以要求测试必须保证成功率，因此对测试系统的可靠性进行分析显得尤为重要了。尽管目前对油井压力测试系统在实际应用中的可靠性一直没有进行相关的分析评估，但国内外用于分析其他系统可靠性的方法是多种多样的［4-6］。传统的可靠性框图技术［7］具有简单、实用的特点，是复杂系统的可靠性分析中常用方法之一。因此，本文可靠性框图技术的基础上，深入分析测试系统的组成结构和逻辑功能关系后，建立测试系统的可靠性框图模型，基于元器件应力分析法［8］和电子设备可靠性预计手册［9］，对测试系统的应用可靠性进行评估。

1测试系统和研究方法

1.1测试系统石油井下测压系统主要由压力传感器、适配调理电路、数据采集电路、数据存储电路、电源模块、机械外壳和上位机组成。图1测试系统原理图。适配调理电路对压力传感器采集到的模拟信号进行放大滤波处理，处理后的信号一方面经ADC转换成数字信号后经过负延时后更新到单片机的比较器里通过随动触发技术跟设定的触发压力值进行比较，另一方面存入外部的大容量非易失Flash里，保证了数据的完整性。电源模块经过稳压器后提供适合MCU、Flash和FIFO的稳定电压，保证系统的正常工作。上位机在测试前根据本次射孔压裂要求对测压器进行触发压力等参数编程，在测试完成后读取数据并在软件界面上显示出拟合后的波形图。

1.2可靠性框图技术可靠性框图RBD（ReliabilityBlockDiagram）是研究系统可靠性的一种重要技术和工具。简单地说，是用框图的形式将系统各个组成部分之间的逻辑关系表示出来，可靠性框图就是表示这些逻辑关系的工具，这种分析方法就叫做可靠性框图技术［7］，其主要的性能指标有可靠度R（t）、累计失效概率F（t）、失效率λ和平均无故障工作时间MTBF。可靠性框图最基本的结构模型是串联系统、并联系统两种，其他的结构模型都是在这两种结构组合基础上衍生出来的。下面对这两种结构模型做简单介绍。①串联系统：如果整个设备系统是由m个单元（即分机、分系统或元件）组成，有且只要其中任意一个单元失效。即只有当系统的每个单元都不失效，系统才能不失效。这种系统称为串联系统［8］。其结构模型如图2所示。假设串联系统中的m个单元是相互独立的，每个单元的可靠度为Ri，根据概率乘法法则，系统的可靠度的数学模型Rs可写成。②并联系统：如果设备系统是由m个单元组成，只要其中任意一个单元能正常工作，整个系统就可以正常工作。换句话说，只有m个单元都失效，则系统才失效。这样的系统称为并联系统。其结构模型如图3所示。

2测试系统的可靠性框图模型

可靠性框图技术是系统安全性、可靠性评估和风险评价中常用的一种方法。可靠性模型是为了预计和估算系统可靠性而建立的数学模型［10］。可靠性框图模型是基于系统及其设备中各部件之间关系及其连接方式的静态抽象模型。其假设系统组成部件之间的失效行为相互独立，在此基础上对系统中各模块和部件的静态可靠性进行分析，即不考虑部件之间故障的相关性及系统状态变化的动态特性［11］。该方法建模和求解过程较为简单和直观，便于求得精确解。正确建立模型是可靠性框图分析技术成功的前提［12-13］。一个完整的复杂系统通常包含几个子系统，而每一个子系统由若干个功能模块组成，每一个功能模块又包含很多元器件。石油井下测试系统是由若干个功能模块和许多的元器件组成的。因此，建立可靠性框图模型首先要在结构上进行分解，再对各子功能系统或模块逐级分解，直到元器件层次，最后按功能对各个进行组合成系统。测压器的第Ⅰ级模型主要有机械壳体、定制电池、电路模块和接插件；将第Ⅰ级中的电路模块再进行细分，可得到第Ⅱ级模型包括集成芯片、阻容器件、连接导线和印制板焊盘；第Ⅱ级中的集成芯片又可细分为包含LP2985和LP2987、放大器INA128和稳压器3140、MSP430F1611、晶振、FLASH、FIFO的第Ⅲ级模型。将各个模块按功能联系起来可知系统属于典型的串行系统。图4为据此建立的石油井下测试系统可靠性框图模型。

3油气井测压器可靠性计算

根据可靠性框图模型采用元器件应力分析法对油气井测压器的可靠性进行评估预计。此时对每个电路的每个元器件进行逐个应力分析，查阅电子设备可靠性预计手册确定每个元器件的基本失效率，根据各元器件的实际工作环境和挑选等级选用不同的系数和失效率模型，对各部件基本失效率进行修正，这样求得每个元器件的使用失效率（即应用失效率）。最后，将各个元器件的使用失效率相加求得设备的失效率，从而对测压仪的可靠性进行了精确计算。在测试系统中，钛合金壳体在设计和制造过程中综合考虑了环境因素和故障/失效状况［14］等对产品可靠性具有主要影响的信息，在多次试验验证以及油气井实测中未出现失效的现象，故可以认为其可靠度为1。由图4可知油气井测压器的可靠性模型为串联模型，故其系统总失效率与平均无故障工作时间计算公式为。

4结论

为了确保油井压力测试系统的测试成功率，需要进行可靠性的综合评估，本文运用可靠性框图技术针对测试系统建立了可靠性框图模型，基于系统可靠性理论和应力分析方法对可能引起故障的元器件逐个进行定量分析和计算，得到以下结论：①通过对单一元器件的可靠性进行分析计算，可知选用高可靠性的元器件，在某种程度上能反映系统的可靠性情况；②测试系统的平均无故障工作时间MTBFS=645h，跟据单次测试平均时间Td=4h可知，系统平均无故障工作次数为156次，满足可靠性指标要求；③运用可靠性框图技术对油井压力测试系统进行可靠性分析是有效可行的，与实验和实际测试结果相符合，为测试系统的可靠性评估提供了理论依据。

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作者：郝鑫刚 李新娥 崔春生 肖文聪 单位：中北大学电子测试技术国家重点实验室 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室