雙通道超臨界CO2煤層氣井壓裂器測試系統(tǒng)設(shè)計

劉 丁 崔春生 李新娥 王志強

（1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

雙通道超臨界CO2煤層氣井壓裂器測試系統(tǒng)設(shè)計

劉 丁1，2， 崔春生1，2， 李新娥1，2， 王志強1，2

（1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

針對應(yīng)用超臨界CO2新技術(shù)的煤層氣井壓裂器發(fā)熱藥量、液態(tài)CO2量和膜片厚度的優(yōu)化問題，需要有可靠的溫度和破膜壓力數(shù)據(jù)作為支撐，由于目前的測壓系統(tǒng)只能測量壓力，因此設(shè)計雙通道煤層氣井壓裂測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用隨壓力變化速率進(jìn)行變速采樣的自適應(yīng)采樣技術(shù)和通過設(shè)定變化速率閾值來觸發(fā)的隨動觸發(fā)技術(shù)，能夠更為準(zhǔn)確地捕獲到完整數(shù)據(jù)，通過記錄地址的方式實現(xiàn)多次采集，為多次實驗提供便利。測壓系統(tǒng)的壓力量程為0～210 MPa，溫度量程為0～1000℃，在膜片厚度2.5mm、液態(tài)CO2量1.45kg、發(fā)熱藥量120g下測得最高溫度40℃，最大壓力122MPa，實測證明：該系統(tǒng)為超臨界CO2煤層氣井壓裂器的優(yōu)化問題，提供可靠、全面的數(shù)據(jù)依據(jù)。

煤層氣井壓裂器；高能氣體壓裂技術(shù)；自適應(yīng)采樣；隨動觸發(fā)

0 引 言

煤層氣是一種高效、無污染、儲量豐富的新崛起資源。我國對于煤層氣的開采效率卻是很低，究其原因是由于我國煤儲層的特殊構(gòu)造。目前，煤層氣的采集主要有水力壓裂和高能氣體壓裂兩種方式。由于我國的煤儲層具有低滲透率、低孔隙度和低原始地層壓力的特點，大大提高了水力壓裂的成本，降低了開采效率而高能氣體壓裂技術(shù)能夠產(chǎn)生沿著射孔眼多個徑向的裂縫，且成本低，因此該技術(shù)對提高我國煤層氣開采量具有重要的意義[1-4]。鑒于我國對該技術(shù)的研究尚不深入，尤其是缺乏壓裂時的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，因此設(shè)計了雙通道超臨界CO2煤層氣井壓裂器測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以隨高能氣體壓裂器深入地下，采集溫度和壓力關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

1 測試原理與系統(tǒng)設(shè)計

超臨界CO2壓裂器是通過引燃發(fā)熱藥產(chǎn)生的高能氣體給液態(tài)CO2加熱加壓，CO2在一定條件下產(chǎn)生相變，進(jìn)入超臨界狀態(tài)。利用CO2在超臨界狀態(tài)下具有流體和氣體特性的特點，以及液態(tài)CO2在發(fā)生相變時產(chǎn)生的高壓作用在壓裂器膜片上，壓力達(dá)到一定值時，CO2沖破膜片使煤層產(chǎn)生多徑向裂縫，高效地驅(qū)替出煤層中的甲烷[5-7]。壓裂器結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 壓裂器結(jié)構(gòu)圖

該測試系統(tǒng)包括壓力、溫度傳感器，信號調(diào)理電路，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊，電池，耐高溫高壓的真空環(huán)氧樹脂灌封技術(shù)以及上位機。測試系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)框圖

測試儀上電后，電池通過主控模塊對各模塊供電。在進(jìn)行測試之前，上位機可以對觸發(fā)壓力值、采集次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行編程，以便配置測試裝置的工作狀態(tài)。參數(shù)配置完成后，開始測試，由溫度和壓力傳感器測出的模擬信號經(jīng)調(diào)理模塊進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與存儲，其中控制模塊實現(xiàn)對采集狀態(tài)、采集速度的控制以及和上位機之間數(shù)據(jù)的交互。測試完畢后，由上位機讀取存儲模塊的數(shù)據(jù)，并且可以對其進(jìn)行簡單的處理，方便數(shù)據(jù)查看。

2 測試系統(tǒng)的性能指標(biāo)

由于該壓裂器采用高能氣體壓裂的方式，因此測試系統(tǒng)要工作在高溫高壓的環(huán)境中，基于本實驗室多年對惡劣環(huán)境下動態(tài)測試系統(tǒng)的研究，以及需要對射孔過程的動態(tài)壓力和溫度的采集，因此選用了動態(tài)存儲的方法。針對測試系統(tǒng)的工作環(huán)境進(jìn)行設(shè)計，選用屈服極限為2000MPa的18Ni馬氏體時效鋼作為殼體材料，選用9002GA/B型環(huán)氧樹脂作為灌封材料，并用兩道含氟密封O型圈對螺紋處進(jìn)行密封，對電池進(jìn)行灌封處理，增強其抗高溫高壓的能力。經(jīng)過實際測試，達(dá)到了各項測試要求。表1為測試系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

3 測試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 觸發(fā)方式

測試系統(tǒng)最重要的指標(biāo)是準(zhǔn)確地采集到數(shù)據(jù)，因此測試系統(tǒng)的觸發(fā)方式極為重要，既不可誤觸發(fā)，也要捕捉到壓裂時瞬變壓力和溫度的完整數(shù)據(jù)。由于煤層氣井的特殊環(huán)境，井深不同，煤層內(nèi)的靜壓也會不同。采用絕對壓力觸發(fā)，容易導(dǎo)致誤觸發(fā)，從而采集到的數(shù)據(jù)不完整或沒采到，因此本測試系統(tǒng)改進(jìn)之前的絕對壓力觸發(fā)采用隨動觸發(fā)的的方式,它是根據(jù)井下壓力變化的快慢來判斷是否觸發(fā)，當(dāng)壓力變化率達(dá)到一定值時，進(jìn)入觸發(fā)狀態(tài)。

表1 性能指標(biāo)

系統(tǒng)開始工作后，比較器會引入兩路信號，其中一路為實時壓力信號P0，另一路則通過緩存模塊（FIFO），將Δt時間之前的壓力值P1接入，然后通過比較兩者之間差值是否大于觸發(fā)壓力值P，來判斷是否觸發(fā)，如公式P0＞P1+P。如果滿足該公式，則進(jìn)入觸發(fā)狀態(tài)，否則繼續(xù)比較直到觸發(fā)。觸發(fā)原理框圖如圖3所示。

圖3 觸發(fā)原理框圖

3.2 采樣策略

測試儀隨著壓裂器進(jìn)入較深的井下，由于下井過程較為緩慢，而高能氣體射孔壓裂時，壓力和溫度發(fā)生瞬變，如果保持一種采樣速率會導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余，因此設(shè)計了自適應(yīng)采樣方式。由采樣定理可知采樣速率需要大于被測頻率的2倍，工業(yè)級的一般為5～10倍[8-13]。因此下井過程中采樣速率為1Hz（低速）；觸發(fā)后為高能氣體的脈沖信號，頻率范圍由經(jīng)驗公式可以得出，其中T為脈沖寬度，已知脈沖寬度在毫秒級，由此可推測出頻率在8Hz～10kHz之間，所以觸發(fā)后采樣速率為100 kHz（高速）；脈沖信號過后，會存在較長的恢復(fù)期，此時壓力和溫度的變化就會相對緩慢，因此采用500Hz（中速）的采樣速率。

圖4 流程圖

該功能是由主從兩片430單片機來實現(xiàn)，開始采集后主單片機來判斷觸發(fā)并控制另一片的采集狀態(tài)，從單片機則控制采集速率，將數(shù)據(jù)存入Flash存儲芯片內(nèi)，采集完成后會判斷觸發(fā)次數(shù)，未達(dá)到次數(shù)進(jìn)入低速采集等待觸發(fā)，達(dá)到后結(jié)束采集。流程圖如圖4所示。

3.3 存儲方式

根據(jù)采樣策略可以知道如果只存儲觸發(fā)后的數(shù)據(jù)，會有部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，因此采用了負(fù)延時技術(shù)保證數(shù)據(jù)的完整性。由于采樣速率的變化，傳統(tǒng)的負(fù)延時技術(shù)容易丟失數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用了FIFO芯片來進(jìn)行負(fù)延時，保證了數(shù)據(jù)的完整。

對FIFO芯片編程當(dāng)存儲的數(shù)據(jù)達(dá)到2KB時，會發(fā)出半滿標(biāo)志，PAF端口由高變低，單片機接收到該電位變化時會進(jìn)行觸發(fā)狀態(tài)的檢測，如果未觸發(fā)，則先清除1 KB的數(shù)據(jù)并讀取2 B數(shù)據(jù)送到比較器進(jìn)行隨動觸發(fā)的判斷；如果觸發(fā)，則進(jìn)入觸發(fā)狀態(tài)，F(xiàn)IFO內(nèi)的數(shù)據(jù)直接進(jìn)入Flash芯片。因此，該負(fù)延時技術(shù)至少有1KB的緩存數(shù)據(jù)。已知被測信號脈沖為毫秒級，所以足以保證數(shù)據(jù)的完整性。系統(tǒng)還設(shè)置了多次存儲，當(dāng)完成一次存儲后，如果未達(dá)到采集次數(shù)則會記錄當(dāng)前的存儲地址，下一次采集直接跳轉(zhuǎn)到該地址繼續(xù)存儲。負(fù)延時流程如圖5所示。

4 灌 封

測試儀器中的電路需要灌封處理，考慮到惡劣的工作環(huán)境，必須要選擇耐高溫高壓的材料，因此選擇了9002GA/B灌封材料。灌封材料主要起緩沖作用，減小高壓對電路的損壞。為了增強緩沖效果，本次灌封采用了真空灌封技術(shù)，去掉由于操作原因產(chǎn)生的氣泡，從而排除氣泡干擾，增強效果。

圖5 負(fù)延時流程圖

圖6 實驗數(shù)據(jù)

5 實測數(shù)據(jù)與分析

針對超臨界CO2煤層氣井壓裂器的優(yōu)化進(jìn)行過多次模擬實驗，主要是不同裝藥量、不同CO2量以及不同厚度的膜片。某次模擬實驗在空曠的場地進(jìn)行，溫度為27℃。圖6是該實驗的數(shù)據(jù)，試驗?zāi)て穸?.5mm，液態(tài) CO2量 1.45kg，發(fā)熱藥量120g，實驗結(jié)果膜片成功沖破。

當(dāng)溫度和壓力值分別達(dá)到31.26℃、72.9 atm（1atm=101.325kPa）時，CO2會處于超臨界狀態(tài)，正是利用此狀態(tài)來達(dá)到壓裂的目的。由實驗結(jié)果可以看出，在40 ms左右壓力達(dá)到了峰值122 MPa，溫度較壓力上升的慢，在80ms左右達(dá)到了40℃，利用壓力和溫度存在的時間差，液態(tài)CO2可以順利進(jìn)入裂縫驅(qū)替出煤層氣。煤體的破裂壓力為25 MPa，成功壓裂煤體。從圖中看到，在150 ms左右壓力下降到該值，因此壓力作用時間約為110 ms。壓力沒有迅速下降是由于壓裂器長筒型殼體對CO2噴射速度的限制導(dǎo)致；發(fā)熱藥的迅速燃燒會釋放大量的熱，液態(tài)CO2在相變和噴射過程中，會吸收大量的熱，從而兩者的變化達(dá)到平衡，因此出現(xiàn)了溫度較為平緩的部分。

6 結(jié)束語

本文針對超臨界CO2煤層氣井壓裂器利用CO2的相態(tài)變化設(shè)計了該測試系統(tǒng)。較之前的單通道測壓器，該系統(tǒng)采用隨動觸發(fā)和自適應(yīng)采樣技術(shù)可以多次更準(zhǔn)確地采集全方面完整的溫度壓力數(shù)據(jù)。多次模擬實驗結(jié)果表明，該測壓系統(tǒng)為壓裂器的優(yōu)化提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，對壓裂器下一步的發(fā)展提供了方向。

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（編輯：徐柳）

Design of the double channel test system for fracturing device of coal-bed methane well with supercritical CO2

LIU Ding1，2， CUI Chunsheng1，2， LI Xin'e1，2， WANG Zhiqiang1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory for Instrument Science and Dynamic Test of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

With regard to the optimization of the calorific value，liquid CO2amount and thickness ofdiaphragm ofcoal-bed methane wellfracturing device with the new supercriticalCO2technology，reliable temperature and diaphragm cracking pressure data shall be taken as the basis.Because current pressure measurement system could only measure the pressure，the double channel test system of coal-bed methane fracturing device is designed.The system adopts the adaptive sampling technology that has adaptive sampling according to the change rate of pressure and the dynamic triggering technology that triggers by setting the rate of change of the threshold to capture complete data more accurately.The system realizesthe repeated acquisition by recording the address，which facilitates the implementation of several experiments.The pressure range of the test system is 0-210 MPa， the temperature range is 0-1 000℃ and the maximum temperature is 40℃and the maximum pressure is 122 MPa when the diaphragm thickness is 2.5 mm，the liquid CO2amount is 1.45kg and the calorific value is 120g.Results show that the system provides overall and reliable data basis for the optimization of the fracturing device for coal-bed methane well with supercritical CO2.

coal-bed methane fracturing device； high energy gas fracturing technology； adaptive sampling；dynamic triggering

A

1674-5124（2017）11-0079-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.016

2017-02-13；

2017-04-19

山西省煤層氣聯(lián)合研究基金資助項目（201301210）；山西省回國留學(xué)人員科研資助項目（2014052）

劉 ?。?993-），河北保定市人，碩士研究生，專業(yè)方向為動態(tài)測試與智能儀器。