井筒流場參數(shù)測量微型芯片發(fā)展現(xiàn)狀分析

王 振 劉 偉 李 軍③ 李 牧 張瑞凇 張小軍

(①中國石油大學(北京)石油工程學院;②中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司；③中國石油大學(北京)克拉瑪依校區(qū)石油工程學院)

0 引 言

隨著勘探開發(fā)的不斷深入，地質(zhì)條件日益復(fù)雜，如安全密度窗口窄、井筒流體相態(tài)變化復(fù)雜、井壁穩(wěn)定性差等給鉆井安全帶來了一系列挑戰(zhàn)，而溫度、壓力等井筒流場關(guān)鍵參數(shù)的準確監(jiān)測是進行井筒安全判斷和壓力控制的基礎(chǔ)條件和重要依據(jù)。現(xiàn)有的井下隨鉆參數(shù)測量技術(shù)成本較高，且僅能測量儀器安裝位置參數(shù)，無法對井筒溫度場、壓力場進行系統(tǒng)分析，特別是在固井完井階段更加缺乏有效手段，亟需獲取一種全新的井筒流場溫壓參數(shù)測量技術(shù)，這對于保證施工安全、提高作業(yè)效率和降低生產(chǎn)成本至關(guān)重要[1]。

國際上最新發(fā)展的井筒參數(shù)測量微型芯片技術(shù)彌補了隨鉆測量技術(shù)的不足，可以在石油、天然氣鉆完井和天然氣水合物鉆采施工現(xiàn)場實現(xiàn)精度高、數(shù)據(jù)快、適用范圍廣的井筒流場參數(shù)監(jiān)測，幫助現(xiàn)場作業(yè)人員準確獲取井筒信息、判斷井下工況、合理處置井下復(fù)雜事故，有效應(yīng)對復(fù)雜地層工程技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外最早于2011年研究井筒參數(shù)測量微型芯片工具，主要是沙特阿美公司和美國Tulsa大學聯(lián)合研究。通過不斷地完善改進與升級，該工具能耐壓103 MPa、耐溫150℃，并成功實現(xiàn)了井上應(yīng)用。國內(nèi)主要研究單位是中石化工程院，目前也已有成熟的工程樣機實現(xiàn)了上井應(yīng)用，但在耐壓耐溫指標級別上還與國外產(chǎn)品存在一定的差距。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

沙特阿美公司和美國Tulsa大學聯(lián)合研制的井筒參數(shù)測量微型芯片至今共發(fā)展了三代產(chǎn)品，如圖1所示，其在傳感器模式、外層保護材料、外形、電池容量、數(shù)據(jù)初始化和傳輸方式、耐溫耐壓級別等方面完成了大量的研究攻關(guān)和改進升級，具體參數(shù)如表1所示。室內(nèi)實驗條件已經(jīng)能夠在最大壓力103 MPa、溫度150℃時仍保持完整性和良好的工作性能[2-3]。

第三代產(chǎn)品將溫度和壓力測量分離為兩個單獨的系統(tǒng)，每個系統(tǒng)都有一個單獨的高精度傳感器，設(shè)計用于溫度或壓力測量，以解決傳感器之間相互干擾問題，提高測量精度。同時，第三代微型芯片產(chǎn)品應(yīng)用了新型無線初始化模塊，可以使用無線方法初始化微型芯片，不僅節(jié)省時間，而且在現(xiàn)場使用更加便捷。第三代微型芯片電池的工作溫度范圍更廣，能在高溫環(huán)境下發(fā)揮更好的性能，常溫情況下電池壽命可延長到28h以上，在高溫條件下也可以工作6 h，完全保證了微型芯片在井筒環(huán)境中的運移壽命。

圖1 沙特阿美公司第一代和第二代產(chǎn)品

表1 國外三代微型芯片產(chǎn)品參數(shù)對比

沙特阿美公司和美國Tulsa大學研制的微型芯片共上井實驗4次，在接單根時通過注入系統(tǒng)將微型芯片放入鉆桿內(nèi)，在出口振動篩處安裝磁條用于回收循環(huán)出井的微型芯片。通過三代產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和封裝材料的不斷改進，微型芯片的回收率不斷提高，其中第三代產(chǎn)品回收率達到了70%，但是在加入鉆柱旋轉(zhuǎn)的條件下，外形完整回收率只有30%(表2)。因此，需要在微型芯片形狀、工具架構(gòu)和封裝材料等方面進行研究，提高微型芯片強度，增加回收率和完整性。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2012年，中石化工程院在國內(nèi)率先開展了井筒微型芯片研制[4-5]，共開發(fā)出三代產(chǎn)品，如圖2所示。

中石化工程院開發(fā)設(shè)計的第三代微型芯片直徑7.5 mm，測量溫度可達到100℃，測量壓力可達到70 MPa。壓力和溫度傳感器相互獨立，壓力傳感器測量精度偏差在1%之內(nèi)，溫度傳感器測量精度達到±1℃。數(shù)據(jù)傳輸采用無線射頻技術(shù)，方便數(shù)據(jù)的讀寫，在數(shù)據(jù)采集工作開始時，無線射頻將會被關(guān)閉以降低功耗。封裝材料使用抗高溫高壓材料，所制備的保護殼抗開裂和抗冷熱沖擊性能優(yōu)異。

表2 國外三代產(chǎn)品下井實驗回收情況

圖2 中石化研制的三代微型芯片產(chǎn)品樣機

中石化工程院將微型芯片用于油井、頁巖氣井以及煤層氣井等5口井，成功在這些井中測得了井筒溫度曲線[6-7]，并利用時間分配法對深度進行定位，獲得了不同深度段對應(yīng)的井筒溫度。

2 技術(shù)原理

井筒流場參數(shù)測量微型芯片主要由傳感器、處理器和封裝外殼組成[8]，如圖3所示。在實驗或現(xiàn)場使用時，首先將微型芯片通過啟動器進行數(shù)據(jù)重置，然后與鉆井液從鉆桿內(nèi)一起注入。經(jīng)過鉆頭水眼，并隨鉆井液經(jīng)環(huán)空返回至地面，最后在地面通過特殊裝置進行回收[9]，技術(shù)原理如圖4所示。當微型芯片穿過井筒時，它將測量整個井筒的溫度和壓力，并將數(shù)據(jù)存入存儲器中，地面回收后將存儲器中的數(shù)據(jù)下載以得到測量的井筒溫度和壓力。通過下載得到的溫壓數(shù)據(jù)，現(xiàn)場地面工程師就可以進行數(shù)據(jù)分析，及時調(diào)整鉆井參數(shù)，防止井下復(fù)雜事故的發(fā)生。

圖3 微型芯片結(jié)構(gòu)示意

圖4 技術(shù)原理

3 關(guān)鍵技術(shù)

目前，國內(nèi)微型芯片技術(shù)尚有較大的差距，主要體現(xiàn)在微型傳感器和封裝技術(shù)上，國內(nèi)設(shè)計的微型芯片尚不能應(yīng)用于高溫高壓井，封裝技術(shù)尚處于國外第二代技術(shù)水平，因此這方面研究是微型芯片在惡劣的井下環(huán)境中保持性能必須經(jīng)歷的一個階段。同時，國內(nèi)外均缺乏有效的運動深度定位方法和誤差補償方法，無法將時間參數(shù)轉(zhuǎn)化為井深參數(shù)，因此需建立準確的溫度壓力場，加強這方面的研究。此外復(fù)雜識別預(yù)警對微型芯片現(xiàn)場實時判別復(fù)雜工況具有重要意義，由此可實時判別異常類型，發(fā)出異常預(yù)報，從而達到對井下復(fù)雜情況科學實時監(jiān)測預(yù)報的目的。

3.1 微型傳感器選型

作為微型芯片系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分之一，傳感器不僅決定了測井精度，而且在系統(tǒng)的電源管理中起著重要的作用。

溫度傳感器是最早應(yīng)用的一類傳感器，工業(yè)中常見的溫度傳感器技術(shù)包括集成電路、熱敏電阻、電阻式和熱電偶傳感器。微型芯片中一般采用集成電路溫度傳感器，與其他傳感器相比，它的尺寸很小，可以節(jié)省印刷電路板的空間，同時具有低功耗的特點，工作電流較低，可延長電池的使用壽命。除此之外它的精度較高(0.5℃)，適合遠距離測量和控制，不需要進行非線性校準[10]。

MEMS壓力傳感器主要分為電容型、壓阻型、壓電型、應(yīng)變型、光纖型等，常用的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，其基本原理是利用壓力對薄膜造成的應(yīng)力形變效應(yīng)進行檢測。由于井筒尺寸的限制，壓力傳感器的設(shè)計和實現(xiàn)難度更大，不僅需要滿足尺寸小、遲滯效應(yīng)小、高量程、抗高溫的使用性能要求，同時還需要具有比較好的抗腐蝕性和抗氧化性[11]。

3.2 封裝技術(shù)

微型芯片在井筒環(huán)境中運移需要承受高溫、高壓和氣體腐蝕，同時還要能夠承受鉆柱沖擊和研磨，這就要求封裝材料能夠?qū)?nèi)部電路和元件進行保護，免受高壓壓縮、化學侵蝕、沖擊力損壞和鉆柱磨損。除此之外，微型芯片還要隨著鉆井液一起移動，封裝后的密度應(yīng)接近鉆井液密度。

由于金屬材料密度大，微型芯片封裝后密度較大，目前常采用環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、硅膠和陶瓷等非金屬復(fù)合材料來進行封裝。非金屬材料不但密度小，抗壓強度能達到幾十兆帕至幾百兆帕，耐高溫達到200℃以上，同時可以承受鉆井液腐蝕，保護內(nèi)部元器件[12]。

3.3 誤差補償方法

由于微型芯片體積小、傳感器組件集成密集，易受到井下溫度、壓力變化的影響，以及與井壁、鉆桿的碰撞摩擦影響，導(dǎo)致測得的數(shù)據(jù)會有一定誤差。微型芯片的主要誤差源可以分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差。系統(tǒng)誤差包括零點誤差、非線性誤差、動態(tài)響應(yīng)誤差等，屬于確定性誤差，可以通過實驗分析進行建模補償；隨機誤差主要包含隨機漂移、白噪聲、偏差不穩(wěn)定性等，其產(chǎn)生于傳感器自身或測量過程中的一些不確定的或人為無法控制的隨機因素，一般是通過濾波來盡量減少隨機誤差[13]。為了減小計算誤差，提高計算精度，需要建立微型芯片誤差補償方法。

3.4 時深轉(zhuǎn)化方法

微型芯片記錄了以時間為序列的溫度、壓力數(shù)據(jù)，但以井深為序列的溫壓數(shù)據(jù)才是進行評價最直接的參數(shù)。因此，需要將時間參數(shù)轉(zhuǎn)化為井深參數(shù)，用來準確評價不同井深的溫度、壓力[14]。目前時深轉(zhuǎn)化主要有以下方法：

一種是采用估算的方法，即根據(jù)鉆井液流量和巖屑遲到時間反推微型芯片在井筒中的深度位置，也可通過一種理論方法計算微型芯片的深度，通過對井筒結(jié)構(gòu)建模，劃分不同井段，給出每一個井段的體積、井筒環(huán)空內(nèi)外徑尺寸，根據(jù)鉆井液流量和井內(nèi)物理參數(shù)，獲取各個井段的運動狀況和在環(huán)空內(nèi)所受的壓力，從而采用時間分配法或者速度、壓力計算法得到在井筒中所在的深度。另一種方法是使用磁傳感器來準確定位微型芯片的位置，在微型芯片內(nèi)加入磁信號檢測電路，同時每隔一段距離在鉆桿上貼上磁條，當微型芯片隨鉆井液流經(jīng)磁條時就能捕捉到磁信號，根據(jù)磁條的位置可以推算微型芯片在井下的位置。

但是，井底環(huán)境比較復(fù)雜，估算法、運移速度計算法確定鉆井微型芯片的精度較低，而磁定位法需要在鉆桿上貼磁條，在工程應(yīng)用中較為繁瑣，只是處于理論研究狀態(tài)。因此，在應(yīng)用過程中需要解決微型芯片的井深定位難題，建立全井筒溫度壓力場。

3.5 復(fù)雜識別預(yù)警

鉆井過程中，井下各種工程異常會引起溫壓數(shù)據(jù)的波動或變化。微型芯片可建立井下復(fù)雜工況特征數(shù)據(jù)提取和反演方法，進一步深化和分析研究各種工程異常與溫壓數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，形成基于溫度、壓力場的井下復(fù)雜早期預(yù)警方法，現(xiàn)場實時判別異常類型，發(fā)出異常預(yù)報，達到對井下復(fù)雜情況科學實時監(jiān)測預(yù)報的目的。由此充分發(fā)揮微型芯片的優(yōu)勢，在鉆井異常向鉆井事故演變的過程中識別事故苗頭，及時做出調(diào)整，避免復(fù)雜事故的發(fā)生。

4 結(jié)論和建議

(1)微型芯片具有功耗低、體積小和重量輕的特點，與傳統(tǒng)的測量技術(shù)相比，可以實現(xiàn)全井筒溫度壓力的快速采集。

(2)微型芯片在上井實驗中存在回收率低和破損等問題，因此需要在微型芯片形狀、工具架構(gòu)和封裝材料等方面進行研究，提高微型芯片強度，提高回收率和完整性。

(3)為了進一步優(yōu)化性能，充分發(fā)揮微型芯片的優(yōu)勢，需要開展誤差補償方法、時深補償方法和復(fù)雜早期預(yù)警等關(guān)鍵技術(shù)研究。

(4)微型芯片的應(yīng)用受到鉆井井筒結(jié)構(gòu)的限制，用于大斜度井和水平井段，或者裂縫和溶洞發(fā)育的地層時，返回地面的可能性較小。但是對于直井、套管井以及井漏不是很嚴重的井況，其應(yīng)用前景廣闊。