電泵井永置式監(jiān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用

陳 辰廖細(xì)明褚萬泉祁芳芳

(1.西南石油大學(xué) 四川成都) (2.中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院 河南濮陽)(3.內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川內(nèi)江)

電泵井永置式監(jiān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用

陳 辰1廖細(xì)明1褚萬泉2祁芳芳3

(1.西南石油大學(xué) 四川成都) (2.中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院 河南濮陽)(3.內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川內(nèi)江)

電泵井永置式壓力/溫度測(cè)試系統(tǒng)是目前國內(nèi)僅有的既能測(cè)井下流壓、又能做壓力恢復(fù)測(cè)試的高精度測(cè)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了電泵井壓力溫度的高精度測(cè)試,并且用較簡單的方法實(shí)現(xiàn)了壓力數(shù)據(jù)的高精度傳輸,節(jié)約了成本。

電泵井;壓力;溫度;測(cè)試

0 引 言

油氣藏開發(fā)進(jìn)入中、后期,儲(chǔ)層和流體物性(孔、滲、飽等)均已發(fā)生較大變化,早期通過巖心實(shí)驗(yàn)、巖屑錄井、鉆桿測(cè)試及電纜地層測(cè)試等方法獲得的基礎(chǔ)資料都已不能滿足油氣開采的需要,須比較頻繁地進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)井和試井工作來獲得寶貴的油氣藏動(dòng)態(tài)信息。然而,這些措施不但要增加可觀的生產(chǎn)成本,而且在測(cè)試期間要停止生產(chǎn),嚴(yán)重影響油氣井的生產(chǎn)能力。因此,開發(fā)出了一種能夠長期在油氣井中可靠工作的永久式監(jiān)測(cè)技術(shù),在不影響油氣生產(chǎn)的前提下,連續(xù)監(jiān)測(cè)油氣藏的關(guān)鍵參數(shù)的變化情況(如流壓、溫度等),并通過試井解釋技術(shù),為油氣藏的持續(xù)開采提供科學(xué)設(shè)計(jì)依據(jù)的儀器——電泵井永置式壓力/溫度測(cè)試系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)的組成及原理

該測(cè)試系統(tǒng)由三大部分組成:井下壓力/溫度測(cè)試探頭;載波信號(hào)的傳輸;地面接收與控制裝置。而在這三部分中,井下壓力/溫度測(cè)試探頭是其核心部分。

井下探頭的工作原理為:通過高精度傳感器將井底壓力、溫度轉(zhuǎn)換成微電壓信號(hào),經(jīng)放大電路和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片變成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào),送入單片計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ),然后按照預(yù)定程序控制井下調(diào)制單元向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù),如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 井下探頭電子電路的設(shè)計(jì)

圖1 井下探頭工作原理框圖

井下探頭電子電路的設(shè)計(jì)原則分為降額設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)、漂移設(shè)計(jì)、潛電路分析和互連可靠性設(shè)計(jì)幾個(gè)方面。

1)降額設(shè)計(jì) 使元器件運(yùn)用于比額定值低的應(yīng)力狀態(tài)的一種設(shè)計(jì)。為了提高元器件的使用可靠性以及延長產(chǎn)品的使用壽命,必須有意識(shí)的降低施加在器件上的工作應(yīng)力(如:電、熱、機(jī)械應(yīng)力等)。降額的措施也隨元器件類型的不同而采用不同的規(guī)定,如半導(dǎo)體分立器件降額是使功耗低于額定值;接觸元件則必須降低張力、扭力、溫度和降低其它與特殊應(yīng)用有關(guān)的限制[2]。

2)熱設(shè)計(jì) 元器件的布局要求各耗能元器件間應(yīng)盡可能具有大的空間,應(yīng)保證熱敏元器件處于探頭的最冷區(qū)。元器件的安裝要使用短的通道以使傳導(dǎo)熱阻最小;采用大面積以使傳導(dǎo)熱阻最小;使用具有高傳導(dǎo)率的材料以使傳導(dǎo)熱阻最小。

3)冗余設(shè)計(jì) 是用一個(gè)或多個(gè)單元(系統(tǒng))構(gòu)成并聯(lián)形式,當(dāng)其中一個(gè)發(fā)生故障時(shí),其它單元仍能使系統(tǒng)正常工作的設(shè)計(jì)技術(shù)。在井下探頭中,對(duì)承受高電壓的井下電源整流電路和直接與高壓線路聯(lián)通的信號(hào)調(diào)制電路采用冗余設(shè)計(jì),提高井下探頭的使用壽命。

4)電磁兼容性設(shè)計(jì) 各級(jí)電路連接應(yīng)盡量縮短,高頻電路應(yīng)盡量避免平行排列導(dǎo)線以減少寄生耦合,設(shè)計(jì)各級(jí)電路應(yīng)盡量按原理圖順序布置,避免各級(jí)電路交叉排列;各級(jí)電路的元器件應(yīng)盡量靠近各級(jí)電路的晶體管,應(yīng)盡量使各級(jí)電路自成回路;各級(jí)均采用一點(diǎn)接地或就近接地,以防止地電流回路造成干擾,應(yīng)將大電流地線和小電流回路的地線分開設(shè)置,對(duì)于會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)電磁場(chǎng)的元件和對(duì)電磁場(chǎng)感應(yīng)較靈敏的元件,應(yīng)垂直布置、遠(yuǎn)離或加以屏蔽以防止和減少互感耦合;處于強(qiáng)磁場(chǎng)中的地線不應(yīng)構(gòu)成閉合回路,以避免出現(xiàn)地環(huán)路電流而產(chǎn)生干擾;電源供電線應(yīng)靠近(電源的)地線并平行排列以增加電源濾波效果。

5)漂移設(shè)計(jì) 產(chǎn)生漂移的主要原因是元器件的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)際數(shù)值存在公差、環(huán)境條件變化對(duì)元器件性能產(chǎn)生影響,或是使用在惡劣環(huán)境而導(dǎo)致元件性能退化等因素。通過在設(shè)計(jì)階段根據(jù)線路原理寫出特性方程,然后通過收集元器件的分布參數(shù)來計(jì)算它們的漂移范圍,使漂移結(jié)果處在設(shè)計(jì)范圍內(nèi),來保證設(shè)備正常使用。

6)潛電路分析 通過潛電路分析,消除電路中產(chǎn)生的不希望有的通路。它的存在會(huì)引起功能異?；蛞种普９δ堋?/p>

7)互連可靠性設(shè)計(jì) 在井下電路中,必須注意接插件的選型,印制電路板應(yīng)盡量采用大板或多層板,以減少接插點(diǎn);兩個(gè)插頭同時(shí)相對(duì)時(shí),應(yīng)采用將其中一個(gè)固定,另外一個(gè)浮動(dòng)的方式,來保證對(duì)準(zhǔn)和拔插;盡量采用機(jī)械固定方式;對(duì)于常插拔的部件,設(shè)計(jì)成單面走線[3]。

2.2 井下探頭外殼設(shè)計(jì)原則

選用高強(qiáng)度、耐腐蝕、易加工的阻磁金屬材料;最大直徑小于40mm,最大長度小于500mm;密封方式有效期大于400d,減振裝置抗沖擊量大于60t;連接方式必須滿足現(xiàn)場(chǎng)使用條件,無須大型設(shè)備配套使用。圖2所示為井下探頭的外殼原理圖。

2.3 探頭組成

井下探頭由多功能電源模塊,壓力、溫度傳感器,放大電路,模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換電路,單片計(jì)算機(jī)控制單元,調(diào)制發(fā)訊電路等組成。

1)多功能電源模塊 由于潛油電機(jī)存在星點(diǎn)不平衡交流電壓干擾,需將兩種電源信號(hào)統(tǒng)一整流、濾波、分壓和穩(wěn)壓,轉(zhuǎn)換成各種數(shù)值的精密直流電壓,電源模塊在高溫下的穩(wěn)定性是本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)之一。另外,還使用了瞬間放電保護(hù)技術(shù),用于消除高壓絕緣測(cè)試(2000V以上)對(duì)探頭帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

2)壓力、溫度傳感器 將井底壓力、溫度轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)電壓信號(hào)。藍(lán)寶石襯底擴(kuò)散工藝保證了壓力信號(hào)的測(cè)量精度,溫度測(cè)量則沿用了成熟的鉑電阻微功耗測(cè)量電路[4]。

圖2 井下探頭外殼原理圖結(jié)構(gòu)圖

3)放大電路 將傳感器的毫伏級(jí)信號(hào)放大成符合模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換要求的電壓信號(hào)。該部分電路主要采用了抗溫度飄移效果好的對(duì)稱耦合電路設(shè)計(jì),以抑制溫度變化對(duì)整體放大精度的影響。

4)模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換電路 將放大后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成高精度的標(biāo)準(zhǔn)電平值并輸入到單片計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集通道。

5)單片計(jì)算機(jī)控制單元 經(jīng)過運(yùn)算,將數(shù)字化的測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成高精度的控制指令,指揮調(diào)制發(fā)訊電路將測(cè)量信號(hào)傳向地面。單片計(jì)算機(jī)控制單元還負(fù)責(zé)整個(gè)井下探頭電路的開機(jī)自檢和冗錯(cuò)管理工作。

6)調(diào)制發(fā)訊電路 按照單片機(jī)的控制指令,按一定的頻率有序地發(fā)出高、低電流信號(hào),按照與地面儀器的約定,將測(cè)量信號(hào)精確傳輸?shù)降孛?。該部分電路不同于一般的低壓調(diào)制電路,其耐壓指標(biāo)在2000V以上,調(diào)制頻率還受到潛油電機(jī)定子繞組電感和長達(dá)2 000m以上的動(dòng)力電纜耦合電容等非線性參數(shù)的制約,通訊頻率帶寬十分狹窄。

3 儀器的室內(nèi)試驗(yàn)及達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

3.1 儀器的室內(nèi)試驗(yàn)

在高溫烘箱內(nèi)完成了井下探頭150℃耐溫試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求;在井下工具試驗(yàn)室完成了井下探頭50MPa耐壓高溫試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求;在中原油田作業(yè)一處電泵技術(shù)研究所實(shí)驗(yàn)井完成了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)模擬實(shí)驗(yàn),井下探頭測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,工作穩(wěn)定。

3.2 達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

(1)壓力:量程0～50MPa,測(cè)量誤差小于0.1%;

(2)溫度:量程 0～150℃,精度 ±1℃;

(3)井下壓力計(jì)耐溫:150℃;

(4)井下可靠置入連續(xù)工作時(shí)間大于400d。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

我們?cè)谥性吞锊捎鸵粡SW65-89井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),至今測(cè)試系統(tǒng)已安全運(yùn)行了400多天,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常理想。

從該井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的試井雙對(duì)數(shù)曲線(圖3)和Blasingame曲線(圖4)分析圖上看,導(dǎo)數(shù)曲線基本為一條水平線,反映不穩(wěn)定徑向流特征,類似于常規(guī)試井雙對(duì)數(shù)中的0.5水平線。由于測(cè)試時(shí)間短,導(dǎo)數(shù)曲線的晚期段沒有出現(xiàn)45°的上翹段(等同于常規(guī)試井解釋中的擬穩(wěn)定段),Fetkovich曲線(圖5)也反映了上述情況,Fetkovich曲線沒有交叉,說明還沒有達(dá)到擬穩(wěn)定流。

圖3 文65-89井生產(chǎn)數(shù)據(jù)雙對(duì)數(shù)曲線分析圖

圖4 文65-89井Blasingame曲線分析圖

圖5 文65-89井Fetkovich曲線分析圖

生產(chǎn)數(shù)據(jù)雙對(duì)數(shù)分析曲線與常規(guī)雙對(duì)數(shù)分析曲線的導(dǎo)數(shù)線都反應(yīng)了均質(zhì)油藏特征。采用均質(zhì)無限大模型,曲線擬合較好。前者解釋結(jié)果滲透率為4.34×10-3達(dá)西,表皮系數(shù)為-1.27;后者解釋結(jié)果滲透率為4.17×10-3達(dá)西,表皮系數(shù)為-0.042。從二者解釋結(jié)果對(duì)比來看,吻合性較好,表明儲(chǔ)層無污染、低滲透油藏。說明生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析技術(shù)是符合油田生產(chǎn)動(dòng)態(tài)實(shí)際。

5 結(jié)束語

該項(xiàng)目成果為電泵井不停產(chǎn)試井提供了經(jīng)濟(jì)、可靠的測(cè)試手段;為抽油機(jī)井和天然氣井的不停產(chǎn)試井工作奠定了可靠的基礎(chǔ),縮短了上述內(nèi)容的研發(fā)周期,節(jié)約了科研經(jīng)費(fèi);該項(xiàng)目成果經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都非常顯著,推廣價(jià)值極高。但是還存在一些不足,井下探頭耐溫指標(biāo)還未能達(dá)到國際最高水平(文獻(xiàn)記載為200℃)。

[1] 方舒東.永置式電泵井壓力溫度測(cè)試系統(tǒng)研制與應(yīng)用[J].油氣井測(cè)試,2006,15(1)

[2] 李益升.穩(wěn)壓元件可靠性降額設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),1994,43(6)

[3] 許幼玲.電子設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,13(4)

[4] 何道清.傳感器與傳感器技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2004

P631.8+3

B

1004-9134(2010)02-0028-03

2009-08-09 編輯:劉雅銘)

陳 辰,男,1983年生,西南石油大學(xué)07級(jí)在讀碩士,測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè),研究方向?yàn)榈厍蛭锾絻x器。郵編:610500