油井射孔壓力測(cè)試儀

張紅艷，崔春生，馬鐵華

(1.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西太原 030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；3.中北大學(xué)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)

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油井射孔壓力測(cè)試儀

張紅艷1，崔春生1，馬鐵華2,3

(1.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西太原 030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；3.中北大學(xué)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)

射孔時(shí)的瞬態(tài)壓力會(huì)對(duì)射孔槍和油井井壁套管產(chǎn)生巨大的沖擊，沖擊力可能對(duì)井壁套管造成不可修復(fù)的破壞，嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致油井報(bào)廢，造成巨大浪費(fèi)。為了研究射孔壓力變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了射孔壓力測(cè)試儀，該儀器以CPLD為控制核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯控制功能。通過分析射孔槍上相鄰兩射孔彈爆炸的時(shí)間間隔確定了儀器的采樣頻率，依據(jù)被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了編程自適應(yīng)分段均勻采樣策略。使用該測(cè)試儀對(duì)不同射孔工藝過程進(jìn)行了測(cè)試，獲得了大量壓力曲線，為研究射孔工藝機(jī)理、評(píng)價(jià)射孔施工效果以及促進(jìn)新的射孔產(chǎn)品研發(fā)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

動(dòng)態(tài)測(cè)試;油井;射孔壓力;采樣策略;自適應(yīng)

0 引言

射孔是石油勘探與開發(fā)過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)油井鉆探完成后，因?yàn)榫谔坠芎吞坠芡夤叹嗟淖钃?，地層中的石油不?huì)自動(dòng)流出，要進(jìn)行射孔作業(yè)[1-2]。采用專門儀器設(shè)備將射孔槍輸送至井下預(yù)定深度，射孔槍內(nèi)裝填火藥或推進(jìn)劑，引爆射孔彈，在含油段井壁上射開孔，使地層中的原油流入油井[3-4]。射孔時(shí)的瞬時(shí)壓力會(huì)對(duì)射孔槍和井壁套管產(chǎn)生巨大的沖擊，如果沖擊過大，可能對(duì)井壁套管造成不可修復(fù)的破壞，嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致油井報(bào)廢，造成巨大浪費(fèi)[5-6]。因此，為了制定合理的射孔工藝并保證射孔作業(yè)的安全，必須了解射孔時(shí)的壓力變化規(guī)律。

我國(guó)石油分布的地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)射孔工藝要求高，獲取幾千米深的石油井下的射孔壓力具有很大難度[7]。因此必須研制耐高溫、高壓，抗高沖擊和高可靠性的射孔壓力測(cè)試儀。

1 射孔壓力測(cè)試環(huán)境分析

射孔作業(yè)過程比較復(fù)雜，如圖1所示，可以分為下井、射孔和壓裂、壓力恢復(fù)3個(gè)階段。

(1)下井過程。下井時(shí)需要通過電纜將射孔槍置于油井中所需進(jìn)行射孔的位置，根據(jù)井深的不同下井所需要的時(shí)間也不一樣，對(duì)于2 km深的油井，下井時(shí)間約20 min。這段時(shí)間內(nèi)井下的壓力包括靜液壓力、上覆巖層壓力、底層壓力和基巖應(yīng)力。在射孔前，在射孔位段這3種壓力的總值變化率為0.05 MPa/s，這3種壓力統(tǒng)稱為井下靜壓。

(2)射孔過程。當(dāng)射孔槍被置于預(yù)定的位置時(shí)就可以通過導(dǎo)爆索引爆射孔彈，引爆后，射孔彈中炸藥產(chǎn)生的高能氣體能在槍與井壁之間產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)高壓。射孔過程瞬時(shí)完成，爆炸時(shí)產(chǎn)生的壓力上升時(shí)間很快，上升沿較為陡峭。

(3)壓力恢復(fù)階段。隨著射孔彈內(nèi)炸藥和火藥產(chǎn)生的高能氣體對(duì)于油層的作用，高溫高壓氣體會(huì)隨井液一起進(jìn)入射孔孔眼,并不斷地向油氣層推進(jìn)，這樣會(huì)增強(qiáng)油層的滲透性使液體從油層中滲出，這時(shí)同樣會(huì)有緩慢的壓力變化。

綜上，射孔壓力測(cè)試環(huán)境十分惡劣，可能的環(huán)境有：高沖擊(可達(dá)到10 000g)，瞬時(shí)高溫(可達(dá)2 000 ℃)，持續(xù)高溫(可達(dá)200 ℃以上)，高壓(達(dá)到200 MPa)，強(qiáng)振動(dòng)等，測(cè)試持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。因此，測(cè)試儀的量程要寬，要有良好的頻率響應(yīng)特性，同時(shí)要具有快速綜合處理數(shù)據(jù)的能力及高可靠性。此外，由于受井筒尺寸限制，測(cè)試儀體積必須盡量小。

圖1 射孔槍井下作業(yè)示意圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

測(cè)試儀主要由耐高溫高強(qiáng)度殼體、壓力傳感器、電路模塊及電池組成，原理框圖如圖2所示。

圖2 石油井下射孔壓力測(cè)試儀原理框圖

壓力傳感器選擇的是HKM-375M-20000A型壓阻式壓力傳感器，具有量程高、耐高溫、可抗高沖擊、動(dòng)態(tài)性能良好等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。殼體采用超高強(qiáng)度鋼制造，經(jīng)熱處理達(dá)到額定強(qiáng)度，以保護(hù)傳感器及電路在高溫高壓環(huán)境下不受損壞。電路模塊是核心部件，由放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)器、邏輯時(shí)序控制電路、電源控制器及接口電路等組成。電路以CPLD作為控制芯片，采用硬件描述語(yǔ)言和原理圖設(shè)計(jì)輸入相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字部分的所有邏輯控制，內(nèi)部功能圖如圖3所示。電池選用的是鋰-亞硫酰氯耐電池，工作電壓幅值為3.3～3.6 V，能在高溫環(huán)境下給電路穩(wěn)定供電。

圖3 CPLD內(nèi)部功能圖

2.2 采樣策略設(shè)計(jì)

采樣策略是指儀器在一次測(cè)試過程中系統(tǒng)行為的描述，是依據(jù)對(duì)被測(cè)信號(hào)特征估計(jì)，綜合考慮測(cè)量時(shí)間、存儲(chǔ)容量等因素來確定的[10-11]。

射孔過程中，相鄰兩射孔彈爆炸的時(shí)間間隔可以為確定系統(tǒng)采樣頻率提供依據(jù)。槍身內(nèi)主要由聚能射孔彈、彈架以及連接射孔彈的導(dǎo)爆索組成，如圖4所示。由圖4可知，每發(fā)射孔彈由導(dǎo)爆索連接，相鄰兩個(gè)射孔彈相位角為90°，射孔彈長(zhǎng)度與彈架外徑相仿，導(dǎo)爆索將射孔彈以螺旋狀形式連接起來。聚能射孔彈結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖4 射孔彈連接實(shí)物圖

圖5 聚能射孔彈結(jié)構(gòu)示意圖

螺旋線連接示意圖如圖6所示，射孔槍直徑為d，兩個(gè)射孔彈之間導(dǎo)爆索的長(zhǎng)度可由式(1)求出。

(1)

式中：ac為兩射孔彈的垂直距離；bc為圓弧長(zhǎng)度，可用公式nπd/360計(jì)算；n為圓弧對(duì)應(yīng)的角度，n=90°。

圖6 螺旋線連接示意圖

目前射孔槍滿彈時(shí)，裝彈密度一般為16發(fā)/m,即ac=62.5 mm。普遍使用的射孔槍槍架直徑d為62 mm，由式(1)可得兩個(gè)射孔彈間導(dǎo)爆索長(zhǎng)度L為79.2 mm。

相鄰兩射孔彈爆炸的時(shí)間間隔即長(zhǎng)度為L(zhǎng)的導(dǎo)爆索燃燒完的時(shí)間，導(dǎo)爆索是通過炸藥燃燒的，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的炸藥傳爆速度為7 308～8 012 m/s[12]，這里取7 900 m/s。則相鄰兩射孔彈引爆的時(shí)間間隔為

因此，相鄰兩射孔彈爆炸時(shí)的壓力信號(hào)頻率為100 kHz。工程上，系統(tǒng)的采樣頻率至少是被測(cè)信號(hào)頻率的10倍，因此，要準(zhǔn)確測(cè)試每發(fā)射孔彈射孔時(shí)所產(chǎn)生環(huán)空壓力的大小及脈沖寬度，測(cè)試儀的采樣頻率應(yīng)為2 MHz。

為達(dá)到最佳測(cè)試效果，根據(jù)被測(cè)對(duì)象變化規(guī)律，射孔壓力測(cè)試儀采用編程自適應(yīng)分段均勻采樣策略，即通過事先編程，把整個(gè)數(shù)據(jù)采集記錄過程分為若干個(gè)均勻采樣階段，每一階段的開始時(shí)間、采樣頻率、存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被測(cè)信號(hào)的變化規(guī)律自適應(yīng)調(diào)整。

測(cè)試儀的采樣過程分為3個(gè)階段：

(1)壓力測(cè)試儀隨射孔器下井的過程中，壓力變化緩慢，采用低速采樣模式，下井前，結(jié)合射孔段的深度，通過計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)試儀預(yù)編程。編程設(shè)置壓力閾值，當(dāng)環(huán)境壓力小于壓力閾值時(shí)，采樣頻率為0.008 Hz，當(dāng)超過壓力閾值時(shí)，采樣頻率為2 MHz，數(shù)據(jù)抽點(diǎn)存儲(chǔ)，按1 Hz抽點(diǎn)，存儲(chǔ)容量為8 kB；

(2)射孔瞬間，射孔爆炸沖擊波脈寬為ms級(jí)，壓力信號(hào)突變幅值大于5 MPa，測(cè)試儀變?yōu)楦咚俨蓸幽Ｊ?，采樣頻率為2 MHz，存儲(chǔ)容量為248 kB；

(3)射孔結(jié)束后，壓力進(jìn)入恢復(fù)過程，測(cè)試儀進(jìn)入中速采樣階段，壓力變化過程相對(duì)緩慢，采樣頻率為500 Hz。存儲(chǔ)滿256 kB后測(cè)試儀又進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

測(cè)試儀工作狀態(tài)圖如圖7所示，使用時(shí)測(cè)試儀通過篩管與射孔槍連接同時(shí)下井，完成壓力信號(hào)的采集與存儲(chǔ)，試驗(yàn)后回收測(cè)試儀，讀取測(cè)試數(shù)據(jù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、操作簡(jiǎn)便、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

圖7 測(cè)試儀工作狀態(tài)圖

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

測(cè)試儀研制成功后，在大慶、遼河等油田得到了廣泛應(yīng)用，測(cè)取了大量不同射孔工藝的壓力曲線。

圖8是127 mm常規(guī)射孔的實(shí)測(cè)曲線，作業(yè)井為注水井，井深2.1 km，射孔段1.69 km，低滲砂巖構(gòu)造，套管鋼級(jí)J-55，套管規(guī)格139.7 mm，壁厚7.72 mm，射孔厚度2 m。裝彈密度16發(fā)/m，彈型DP44RDX-3，射孔彈含RDX 38 g。從曲線可以看出：射孔爆炸前，井下靜壓為18 MPa，峰值壓力為78 MPa，峰值持續(xù)時(shí)間為0.272 ms。在峰值過后產(chǎn)生了一段負(fù)壓，負(fù)壓持續(xù)0.35 ms，其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短與射孔器的長(zhǎng)度和射孔深度等有關(guān)。在負(fù)壓之后，由于井底反射回來的沖擊波，以及液柱回落又使壓力回升至40 MPa左右，并緩慢降低，最后恢復(fù)至靜壓。

圖8 常規(guī)射孔壓力曲線

圖9是外徑102 mm內(nèi)置式復(fù)合射孔器的實(shí)測(cè)曲線，井深2.05 km，低滲砂巖構(gòu)造，井內(nèi)液體為清水，套管鋼級(jí)J-55，套管規(guī)格139.7 mm，壁厚7.72 mm，射孔厚度2.5 m，裝彈密度16發(fā)/m，射孔彈類型為DP44RDX-3；各射孔彈之間安放推進(jìn)劑藥餅，裝藥總重量1.4 kg。從圖中看出：在射孔段1.7 km處，靜壓為23 MPa，射孔炸藥爆炸壓力峰值為72 MPa，壓裂壓力峰值為70 MPa，持續(xù)時(shí)間為8 ms。

圖9 復(fù)合射孔及頻譜分析

圖10是某油氣井射孔曲線，井深2.35 km，井內(nèi)液體為清水，水面與井口平，射孔段在1.9 km，3 m多脈沖增效復(fù)合射孔器，射孔密度16發(fā)/m，油井套管鋼級(jí)J-55，套管規(guī)格139.7 mm，壁厚7.72 mm，射孔厚度3 m，每發(fā)射孔彈預(yù)裝火藥30 g(射孔彈兩側(cè)各含有15 g)。從圖中可看出水下靜壓值約為24 MPa，第一個(gè)壓力峰值約為93 MPa，峰值持續(xù)時(shí)間為8 ms；第二個(gè)壓力是由于二級(jí)火藥壓裂產(chǎn)生的，壓力峰值為52 MPa，峰值持續(xù)時(shí)間為5.8 ms；由于兩級(jí)火藥的燃速不同，使得兩個(gè)壓裂峰值產(chǎn)生大約為50 ms的時(shí)間差。

圖10 多脈沖射孔及頻譜分析

通過實(shí)測(cè)壓力曲線可知，不同的射孔工藝產(chǎn)生的壓力峰值、峰值個(gè)數(shù)、作用時(shí)間、壓力上升的速率均不同。

4 結(jié)論

本文所述的射孔壓力測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)了射孔過程動(dòng)態(tài)壓力的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)，系統(tǒng)采用了編程自適應(yīng)分段均勻采樣策略，根據(jù)被測(cè)信號(hào)特征，把整個(gè)數(shù)據(jù)采集記錄過程分為若干個(gè)均勻采樣階段，每一階段的開始時(shí)間、采樣頻率、存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù)根據(jù)被測(cè)信號(hào)的變化規(guī)律自適應(yīng)調(diào)整。射孔過程中相鄰兩射孔彈爆炸的時(shí)間間隔為確定系統(tǒng)采樣頻率提供了依據(jù)。射孔壓力的準(zhǔn)確測(cè)量為評(píng)價(jià)射孔施工效果、深化射孔工藝機(jī)理研究及促進(jìn)新的射孔產(chǎn)品研發(fā)提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。該測(cè)試儀也可用于水文、水利、地質(zhì)鉆探的井下壓力測(cè)試。

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OilWellPerforationPressureTestInstrument

ZHANGHong-yan1,CUIChun-sheng1,MATie-hua2,3

(1.SchoolofComputerandControlEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2.ScienceandTechnologyonElectronicTest&MeasurementLaboratory，Taiyuan030051,China;3.KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement(NorthUniversityofChina),MinistryofEducation,Taiyuan030051,China)

The transient pressure produced in the process of perforation has some impacts on perforating gun and oil well casing pipe,and the impact may cause irreparable damage to oil well casing pipe.Severe damage may lead to the well scrapped,even cause huge waste.The pressure test instrument was designed in order to study the change rule of perforating pressure.The instrument took CPLD chip as the control core,and the digital logic control function of the system was realized.The system sample frequency was determined through analyzing the explosion time interval between adjacent two perforating charge.The adaptive piecewise uniform sampling strategy was designed based on the characteristics of the measured signal.The tester was used to test different perforating process and a lot of pressure curves were obtained.These data provide basis for the mechanism study of perforating technology and the effect assessment of perforating construction and promote research and development of new perforating product.

dynamic test;oil well;perforation pressure;sampling strategy;adaptive

2014-10-24 收修改稿日期：2015-03-18

TH

A

1002-1841(2015)08-0026-03

張紅艷(1978—)，講師，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器。E-mail:snow-zhang@163.com 崔春生(1981—)，講師，博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器。E-mail:zhanghongyan@nuc.edu.cn