油井压力测试系统可靠性分析.docx

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1、油井压力测试系统可靠性分析摘要：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。通过深化分析系统的组成构造和逻辑功能关系，建立测试系统的可靠性框图模型。在此基础上，根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根据。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，

2、对射孔压裂工艺的要求更高，测试射孔压裂经过中的动态压力数据对评判射孔效果和改良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经过中动态压力数据的高精度测试系统。在测试时经常伴随着着高温、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，因而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

3、方法之一。因而，本文可靠性框图技术的基础上，深化分析测试系统的组成构造和逻辑功能关系后，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和电子设备可靠性估计手册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拟器里通过随动触发技术跟设定的触发压力值进行比拟，另一方面存入外部的大容量非易失Flash里，保证了数据的完好

4、性。电源模块经过稳压器后提供合适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RBDReliabilityBlockDiagram是研究系统可靠性的一种重要技术和工具。简单地讲，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Rt、累计失效概率Ft、失效率和平均无故障工作时间MTBF。可靠性框图最基本的构造模型是串联络统、并联

5、络统两种，其他的构造模型都是在这两种构造组合基础上衍生出来的。下面对这两种构造模型做简单介绍。串联络统：假如整个设备系统是由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。即只要当系统的每个单元都不失效，系统才能不失效。这种系统称为串联络统8。其构造模型如图2所示。假设串联络统中的m个单元是互相独立的，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。并联络统：假如设备系统是由m个单元组成，只要其中任意一个单元能正常工作，整个系统就能够正常工作。换句话讲，只要m个单元都失效，则系统才失效。这样的系统称为并联络统。其构造模型如图3所示。2测试系统的可靠性

6、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。可靠性模型是为了估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外围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互相独立，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。该方法建模和求解经过较为简单和直观，便于求得准确解。正确建立模型是可靠性框图分析技术成功的前提12-13。一个完好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

7、个功能模块和很多的元器件组成的。因而，建立可靠性框图模型首先要在构造上进行分解，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。测压器的第级模型主要有机械壳体、定制电池、电路模块和接插件；将第级中的电路模块再进行细分，可得到第级模型包括集成芯片、阻容器件、连接导线和印制板焊盘；第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的第级模型。将各个模块按功能联络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

8、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估计。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估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，进而对测压仪的可靠性进行了准确计算。在测试系统中，钛合金壳体在设计和制造经过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，在屡次试验验证以及油气井实测中未出现失效的现象，故能够以为其可靠度为1。由图4可知油气井测压器的可靠

9、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，得到下面结论：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；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，知足可靠性指标要求；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

10、测试结果相符合，为测试系统的可靠性评估提供了理论根据。参考文献：1崔春生.油气井复合射孔/压裂经过动态信息获取方法和理论研究D.太原：中北大学，2012.2肖文聪，马铁华，崔春生，等.基于模拟油井的井下测试仪温度修正校准方法J.传感技术学报，2014，279：1293-1297.3XiaoZL，FanYJ，ChenJB.MechanismandApplicationEffectofCompoundPerforationFracturingTechnologyinLowPermeabilityReservoirC/AppliedMechanicsandMaterials.2014，675：150

11、0-1504.4李媛媛，李亚洲，胡丽琴，等.激光雷达测量系统故障树分析J.红外与激光工程，2009，382：335-339.5MuhammadHashim，HidekazuYoshikawa，TakeshiMatsuoka，etal.QuantitativeDynamicReliabilityEvaluationofAP1000PassiveSafetySystemsbyUsingFMEAandGO-FLOWMethodologyJ.JournalofNuclearScienceandTechnology，2014，513/4：526-542.6RidwanMI，YenKL，MusaIA，et

12、al.ReliabilityandAvailabilityAssessmentofTransmissionOverheadLineProtectionSystemUsingReliabilityBlockDiagramC/2010IEEEInternationalConferenceonPowerandEnergyPECon，IEEE，2010：964-969.7包薇.可靠性分析技术一可靠性框图RBDJ.家用电器科技，20024：19-23.8卢昆祥.电子设备系统可靠性设计与试验技术指南M.天津：天津大学出版社，2011：62-71.9中国人民当兵的人总装备部.GJB/Z299C2006电子设

13、备可靠性估计手册S.北京：总装备部，2006.10温小云，师宇杰，牛忠霞，等.系统可靠性模型综述J.电子产品可靠性与环境试验，2005，233：57-62.11卢彦玲，李新娥，王亚军.可靠性框图在电子测压器可靠性分析中的应用J.探测与控制学报，2013，4：44-48.12袁燎原，章卫国，刘志君，等.容错传感器系统分层组合可靠性建模方法J.传感技术学报，2014，274：529-535.13JinJ，PangL，ZhaoS，etal.QuantitativeAssessmentofProbabilityofFailingSafelyfortheSafetyInstrumentedSystemUsingReliabilityBlockDiagramMethodJ.AnnalsofNuclearEnergy，2015，77：30-34.14谢里阳.机械可靠性理论、方法及模型中若干问题评述J.机械工程学报，2014，5014：27-35