海蓝无线随钻测量系统电池使用方法探究

2022-09-11

国产海蓝YST-38S、YST-48R和YST-48R-II无线随钻系统采用高能锂电池为井下仪器供电。为保证定向钻井施工的持续性, 无线随钻仪器需要足够的电量以支持其测斜工作的正常进行。受尺寸、仪器功耗以及工艺的限制, 目前该系统采用的专用电池供井下仪器持续工作最多250小时左右, 与每躺钻钻进时间为同一数量级。为提高电池使用率, 降低成本, 需要统筹兼顾, 合理安排, 准确评价剩余电量, 用最少的电池资源完测斜任务。

一、剩余电池电量评价方法

1. 数学建模

供电以后的海蓝无线随钻测量系统, 在需要测斜和定向时, 通过机械脉冲发生器激励泥浆脉冲, 利用泥浆脉冲上传数据。发送脉冲需要耗费比待机时更多的电量, 可将其放电过程分解为脉冲放电和背景放电, 总放电量为两者的线性叠加。其电路模型如下:

其对应放电数学模型为:

式中Qu为耗电量, qc, qp分别为背景放电电流和脉冲放电电流, Tp, Tt分别为脉冲放电时间和背景放电时间。以此数学模型为基础, 建立如下现场使用的电池电量评价数学模型:

式中Ql为剩余电量, 单位安时 (Ah) ;Q250为电池的总电量, 单位安时 (Ah) ;Qu为已经消耗的电量, 单位安时 (Ah) ;K为电量系数, 电池剩余电量总是表示为K倍的Q250;Tc为电池最长待机时间, 单位小时 (h) ;Te为等效待机时间, 等效为待机后的施工总时间, 单位小时 (h) ;Tp为发送脉冲总时间, 单位小时 (h) ;Tt为仪器供电总时间, 单位小时 (h) ;qp为发送脉冲时的放电电流, 单位安培 (A) ;qc为待机时的放电电流, 单位安培 (A) ;k为qp与qc的比。qs1.0, qf1.0, qs1.5等表示采用不同性能和脉宽设置时对应的单位时间内脉冲放电消耗的电量。下标第一个英文字母表示性能, s表示“省电”, f表示“快速”, 后面的数字表示脉宽。

2. 电池剩余电量计算流程

电池剩余电量的准确计算是评价电池当前能量状态的最有效手段, 电池剩余电量作为一项非常重要的参数, 是下一步电池统筹使用的基础数据。

现场使用过程中, 准确真实记录相关配置参数 (脉宽、脉冲发送方式, 性能) 和所用电池型号, 以确定发送脉冲时的放电电流qp, 待机放电电流qc, 电池最长待机时间Tc, 以及发送脉冲总时间Tp和仪器供电总时间Tt。完成必要的数据准备后, 利用上述电池电量评价模型, 按照一下流程计算剩余电池电量:

最后, 将计算结果以及必要的参数进行记录, 备案。

二、电池使用的统筹规划

海蓝无线随钻测量施工中, 消耗电池产生的成本约占总成本的80%。为使电池使用最优化, 用最少的电池完成制定的任务, 需要科学有效的方法安排电池的使用。

运筹学中线性规划正是解决这一问题的有效方法。线性规划通常解决两个问题: (1) 当任务目标确定后, 如何统筹兼顾, 合理安排, 用最少的资源 (如资金、设备、原标材料、人工、时间等) 去完成确定的任务和目标。 (2) 在一定资源条件限制下, 如何组织安排生产, 获得最好的经济效益 (如产品最多、利润最大) 。无线随钻测量施工中, 面临的电池优化问题, 正是在已知电池资源限制, 使用约束条件的情况下, 求得使得电池使用量最小, 或电池使用率最高时的电池使用计划。

1. 实际问题分析描述

随钻测量电池的统筹优化, 其最终目标是在完成既定任务的前提下, 实现电池使用率的最大化或电池使用数量的最小化。

随钻测量以井队为服务对象, 作为配合服务方, 具有从属性, 电池的使用情况由钻进过程直接决定。本次钻井任务的下钻趟数, 每趟所需钻进时间和对随钻测量任务的要求, 综合决定电池的统筹安排。本次任务所用每节电池的能量, 每趟钻所需最少电池能量, 在施工前为确定参数;施工前, 依据每趟钻对随钻测量的时间要求, 确定每节电池可能的能量分配方案, 对某节电池对应的某一能量分配方案在实际施工中采用的次数视为变量, 由随钻操作人员控制, 并最终影响本次任务电池使用率和电池使用数量。设Qk为第k趟钻所需最少电池能量, Xij为第i节电池采用第j种能量分配方案的次数, CQkXij为地i节电池采用地j种能量分配方案在对应第k趟钻使用的次数, eij为第i节电池采用地j中能量分配方案时残留的电池能量, 编制电池下料表如下:

每趟钻所用电池的供电时间必须大于本趟钻随钻测量服务所要求的最小时间, 每节电池可在多趟中使用, 但必须保证每趟钻足够的供电时间;电池总数必须满足本次任务所有趟数的需求。

以上三点, 即为电池优化问题在线性规划框架下的主要目标, 主要变量和参数以及其相互关系与变化范围。

2. 线性规划方程的建立

(1) 目标函数

电池的优化以实现电池使用数量的最小化和电池使用率的最大化为最终目标。

设目标变量为Z, 电池使用数量可表示为:

其对应线性规划目标函数为:

电池使用率r表达式为:

(2) 约束方程

单节电池的能量分配方案满足了第一个约束条件—每趟钻所用电池的供电时间必须大于本趟钻随钻测量服务所要求的最小时间。第二个约束条件—电池总数必须满足本次任务所有趟数的需求由以下约束方程满足:

3. 方程求解

线性规划方程的求解一般采用图解法和单纯形法, 可利用相关专业软件进行现场求解, 得到决策变量值, 填入电池下料表, 作为电池统筹安排的依据。现场可一每趟钻或者每口井为一周期进行电池使用统筹优化, 以当前任务为活动对象, 获取相关参数, 编制电池下料表, 列出线性规划方程, 求解。

四、实践验证

新的电池电量评价方法和电池统筹方法在现场施工的运用, 提高了电池使用率, 结束了以往电池电量评价不准, 电池使用靠经验的历史。下表为2012年我公司无线随钻队伍在苏南地区施工中的电池统计表。

采用新方法后, 电池使用率平均提高30.57%, 每250仪器服务小时平均少消耗电池0.54个。

摘要:本文探究了如何运用运筹学中线性规划思想, 优化海蓝无线随钻测量系统电池使用, 并探究了该系统电池电量评价方法, 建立了相关数学模型, 现场取得良好效果。

关键词:无线随钻,电池使用,运筹学,线性规划,数学建模,电量评价

参考文献

[1] 《运筹学》教材编写组.运筹学.北京:清华大学出版社, 2005.

[2] 吴祈宗.运筹学 (第二版) .北京:机械工业出版社, 2009.

[3] 华中理工大学电子学教研室.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社, 2000.