射孔壓力測(cè)試系統(tǒng)的研究

肖文聰，馬鐵華，崔春生，艾　良

(1．中北大學(xué)，電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　山西太原　030051；2．友華通信設(shè)計(jì)院，浙江杭州　310012)

0　引言

射孔壓力存儲(chǔ)測(cè)試儀(以下簡(jiǎn)稱測(cè)試儀)用于自動(dòng)測(cè)取油氣田開采過程中射孔槍下井、射孔和壓裂恢復(fù)整個(gè)施工過程的壓力數(shù)據(jù)，為高質(zhì)量打開油氣層，進(jìn)一步研究射孔工藝機(jī)理提供理論依據(jù)[1-3]。它主要由壓阻式壓力傳感器，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)電路，電源及高強(qiáng)度殼體組成。

1　測(cè)試儀需滿足的測(cè)試要求

簡(jiǎn)單來說就是要所設(shè)計(jì)的儀器必須能夠在高溫、高壓、高沖擊的油井中安全、可靠的取得射孔壓裂數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　測(cè)試儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

(1)傳感器須能承受高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境，且其工作頻帶需覆蓋被測(cè)信號(hào)(射孔壓力信號(hào))的有效帶寬，保證測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度。

(2)測(cè)試電路模塊必須能在以上所說的惡劣環(huán)境下正常工作，且能根據(jù)下井過程自動(dòng)完成自適應(yīng)采樣。

(3)電源模塊的可靠性和有效利用率是測(cè)試系統(tǒng)的能源基礎(chǔ)。

(4)機(jī)械裝置能耐高溫、高壓、高沖擊，且裝配簡(jiǎn)單，可操作性好，整個(gè)系統(tǒng)必須具有良好多密封性，防止井下的液體進(jìn)入電路，造成損壞。

2　系統(tǒng)關(guān)鍵可行性方案設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)參數(shù)存儲(chǔ)測(cè)試的技術(shù)關(guān)鍵在于研制能夠在被測(cè)環(huán)境內(nèi)正常工作，對(duì)被測(cè)對(duì)象工作無影響或影響在允許范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的測(cè)試系統(tǒng)[4]。由于測(cè)試系統(tǒng)必須被放置到被測(cè)環(huán)境中，所以對(duì)測(cè)試系統(tǒng)提出了苛刻的要求。

2．1傳感器的選擇

根據(jù)被測(cè)壓力信號(hào)的特點(diǎn)是上升沿陡、脈寬較窄、峰值較大，要求傳感器工作頻帶覆蓋被測(cè)信號(hào)的有效帶寬，滿足一定的靈敏度要求、環(huán)境溫度、抗沖擊性能要求等等。射孔和壓裂過程中的壓力信號(hào)是爆炸沖擊形成的脈沖信號(hào)，根據(jù)傅氏級(jí)數(shù)分析可知，脈沖信號(hào)的頻率范圍較寬，由以下經(jīng)驗(yàn)公式確定[5]：

(1)

式中T為沖擊波脈寬。

對(duì)已有數(shù)據(jù)分析可知火藥燃燒沖擊波脈寬為ms級(jí)的，由此可確定頻響集中在8 Hz～10 kHz，經(jīng)過比較選定了HKM-375M-20000A型壓阻式壓力傳感器。該傳感器量程高、耐高溫、可抗高沖擊、動(dòng)態(tài)性能良好，其主要性能指標(biāo)為見表1。

表1　傳感器性能指標(biāo)

2．2電路模塊關(guān)鍵設(shè)計(jì)

由于整個(gè)采樣過程是非常復(fù)雜的，實(shí)時(shí)調(diào)整采樣頻率及觸發(fā)點(diǎn)的判斷是完整記錄一條射孔、壓裂壓力變化曲線的關(guān)鍵。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)采樣策略以“低速(1 Hz)-高速(125 kHz)-中速(500 Hz)”的方式采集數(shù)據(jù)，根據(jù)下井及射孔過程的特點(diǎn)，利用MCU中斷控制與負(fù)延時(shí)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變頻采樣[6]。變頻采樣實(shí)現(xiàn)原理見圖2。

圖2　變頻采樣實(shí)現(xiàn)原理圖

利用單片機(jī)內(nèi)部12位A/D采集，單片F(xiàn)IFO實(shí)現(xiàn)負(fù)延時(shí)1K存儲(chǔ)空間，F(xiàn)IFO是先進(jìn)先出的特殊存儲(chǔ)器，確保記錄射孔觸發(fā)完整信號(hào)，TA 中斷控制著 A/D 的采樣頻率，TB控制從 FIFO 起始地址寫入Flash存儲(chǔ)器的速度，比較器同時(shí)接收由FIFO經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換的模擬量以及信號(hào)源，通過比較確定下井狀態(tài)及觸發(fā)信號(hào)，從而控制TA的采樣頻率。

2．3電源模塊的低功耗設(shè)計(jì)

由于存儲(chǔ)測(cè)試過程復(fù)雜，在選用油井專用的高溫鋰-亞硫酰氯電池的基礎(chǔ)上采用分時(shí)/分區(qū)電源設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗。主要依靠“開關(guān)”管理芯片及MCU自身活動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)。原理如圖3所示。

圖3　低功耗策略原理圖

2．4測(cè)試儀可靠性防護(hù)

為實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下壓力數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)，提高系統(tǒng)整體的抗高沖擊、密封性能是前提。課題組經(jīng)多年經(jīng)驗(yàn)，選取環(huán)氧樹脂 5010-2%高溫材料采用真空灌封技術(shù)，該材料具有高粘結(jié)性、膨脹系數(shù)小、高絕緣阻抗、耐高低溫等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際測(cè)試表明滿足測(cè)試儀需要。另外，為滿足測(cè)試系統(tǒng)密封要求，在所有具有螺紋的地方都添加兩道高溫含氟密封O型圈，能有效地防止液體進(jìn)入殼體內(nèi)部，保障測(cè)試系統(tǒng)的正常工作。

3　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

目前，此存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于大慶、遼河、長慶、玉門等油田，圖4為最新長慶油田實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖4　長慶油田射孔壓裂實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

通過分析該曲線，可以得到如表2所示的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

表2　數(shù)據(jù)分析結(jié)果

5　結(jié)論

研究射孔壓裂工藝對(duì)提高油田開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益，提高石油采收率有著重要意義。根據(jù)井下高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境，對(duì)測(cè)試儀的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為開發(fā)適用不同井下環(huán)境的射孔壓裂產(chǎn)品，加快射孔壓裂技術(shù)的發(fā)展提供了可靠的研究手段和依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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