煤層氣井壓裂動態(tài)壓力測試系統(tǒng)的設(shè)計

郝鑫剛 ，李新娥 ，崔春生

（1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，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，太原 030051）

我國煤層氣資源儲量非常豐富，位列世界第三位，但利用率很低，主要原因是我國煤層氣貯存的特殊性。為了提高煤層氣井的產(chǎn)能，必須對煤層進行壓裂以產(chǎn)生能連接天然裂縫、長度較大的裂縫[1-3]。高能氣體壓裂是利用火藥產(chǎn)生的高能高壓氣體對井下巖石進行作用，沿射孔孔眼壓裂出多個徑向裂縫，并由這些裂縫貫通連接更多的天然裂縫[4]。但由于目前對該技術(shù)的機理研究不夠深入，以及缺乏壓裂時關(guān)鍵的動態(tài)壓力數(shù)據(jù)，還沒有解決煤層氣井高能氣體壓裂技術(shù)的關(guān)鍵難題，增產(chǎn)效果也不明顯。

現(xiàn)針對煤層氣壓裂時的測試環(huán)境以及前代產(chǎn)品絕對壓力觸發(fā)方式存在穩(wěn)定性不足、受環(huán)境影響大，在測試時容易在壓裂脈沖信號到來前誤觸發(fā)的缺陷，設(shè)計了基于隨動觸發(fā)方式的煤層氣井高能氣體壓裂動態(tài)壓力測試儀（以下簡稱測壓儀），可以深入到煤層氣井下測試壓裂時壓力的實時動態(tài)變化數(shù)據(jù)。

1 測試系統(tǒng)的原理

測試系統(tǒng)主要由壓力傳感器、適配調(diào)理電路、采集存儲電路、電源模塊、機械外殼和上位機組成。測試系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)原理Fig.1 Principle diagram of the test system

測試前，根據(jù)本次測試要求通過上位機軟件對測壓儀進行觸發(fā)壓力等參數(shù)編程。測試時，適配調(diào)理電路對壓力傳感器輸出的模擬信號進行放大濾波處理，處理后的信號一方面經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后經(jīng)過負延時更新到MCU的比較器里跟設(shè)定的觸發(fā)壓力值進行比較，另一方面存入外部的大容量非易失Flash里，保證了數(shù)據(jù)的完整性。電源模塊經(jīng)過穩(wěn)壓器后提供適合MCU和Flash的穩(wěn)定電壓，保證系統(tǒng)的正常工作。測試完成后，上位機讀取Flash里數(shù)據(jù)并在軟件界面上顯示出擬合后的波形圖，上位機軟件可以對采集到的數(shù)據(jù)進行簡單的處理，以便直觀地對信號進行分析。

2 測壓儀的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

在煤層氣高能氣體壓裂這種高溫、高壓的惡劣環(huán)境下，最好的測試方法是動態(tài)存儲式測試[5-6]。動態(tài)存儲式測試技術(shù)的核心是測試儀可以放入被測環(huán)境中進行實時實況測試，而且測試儀本身不會影響到測試對象的正常工作。

本測壓儀針對壓裂時煤層氣井下的惡劣環(huán)境，進行了抗高溫、抗高壓和密封性設(shè)計。根據(jù)課題組多年經(jīng)驗，選取環(huán)氧樹脂5010-2%高溫材料采用真空灌封技術(shù)和在螺紋處添加2道高溫含氟密封O型圈，實際測試表明可以滿足高能氣體壓裂的要求。表1是測壓儀的性能指標。

表1 測壓儀性能表Tab.1 Performance parameters in pressure tester

2.1 隨動觸發(fā)技術(shù)設(shè)計

壓裂測試的核心要求是可以準確地捕捉到壓裂短時間內(nèi)完整的壓力變化數(shù)據(jù)，觸發(fā)技術(shù)是能否捕捉到壓裂信號的關(guān)鍵。對于高能氣體壓裂這樣的單次性瞬發(fā)信號[7]，觸發(fā)技術(shù)的不合理會使測試時出現(xiàn)壓裂信號未到時誤觸發(fā)或壓裂信號到時不觸發(fā)等情況，從而導(dǎo)致一次測試的失敗。

由于煤層氣井特殊的工作環(huán)境，井深不同、施工工藝不同都會導(dǎo)致壓裂前井內(nèi)靜壓的復(fù)雜變化，傳統(tǒng)的絕對壓力觸發(fā)技術(shù)抗干擾能力不足，容易發(fā)送誤觸發(fā)或不觸發(fā)。本測壓儀設(shè)計了隨動壓力觸發(fā)技術(shù)，可以在復(fù)雜的壓力變化中準確捕捉到壓裂脈沖信號。其實現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 隨動壓力觸發(fā)流程Fig.2 Principle diagram of dynamic pressure test

隨動壓力觸發(fā)技術(shù)的實現(xiàn)需要包括ADC、FIFO、DAC和比較器多個模塊的精確配合。傳感器測得的實時壓力信號一方面直接給到比較器的輸入端，另一方面經(jīng)ADC12轉(zhuǎn)換后存儲到FIFO里。FIFO經(jīng)過Δt時間后更新DAC的數(shù)據(jù)，更新的數(shù)據(jù)為ADC12Δt時間前轉(zhuǎn)換的數(shù)字量Pt-Δt加上可編程的觸發(fā)壓力值P。這樣，在比較器的兩輸入端一直是實時壓力值Pt和隨動壓力值Pt-Δt+P進行比較。每次DAC更新后比較器都會判斷Pt是否大于Pt-Δt+P，如果連續(xù)成立3次，則說明此時的壓力相對Δt時間前產(chǎn)生了數(shù)值為P的劇變，可以認為采集的數(shù)據(jù)為壓裂時的脈沖信號，系統(tǒng)開始進入高速采集狀態(tài)。

2.2 自適應(yīng)采樣策略設(shè)計

由于施工工藝的原因，整個壓裂過程會持續(xù)較長時間，為防止數(shù)據(jù)冗余，需要根據(jù)不同階段數(shù)據(jù)特點調(diào)整采樣頻率[8]。本測壓儀采用雙430單片機的設(shè)計來實現(xiàn)自適應(yīng)采樣控制。主單片機的功能是控制整個系統(tǒng)工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)的存儲，從單片機受主單片機控制實現(xiàn)變頻采樣和ADC轉(zhuǎn)換。圖3為自適應(yīng)采樣策略流程。

圖3 自適應(yīng)采樣策略流程Fig.3 Diagram of the adaptive sampling strategy

系統(tǒng)的自適應(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)。上電開始采集后，TB中斷控制ADC12進行高速125 kHz采集，并把數(shù)據(jù)暫存入FIFO。在觸發(fā)之前，F(xiàn)IFO在半滿后把數(shù)據(jù)更新到比較器的DAC輸入端，同時每1 s讀2 B數(shù)據(jù)存到存儲器里，從而實現(xiàn)不失真1 Hz采樣；當接收到觸發(fā)信號后，系統(tǒng)進入高速采集狀態(tài)，以125 kHz的速度把數(shù)據(jù)直接送入存儲器里。觸發(fā)1 s后通過TA中斷控制ADC12進入500 Hz中速采樣，測試壓裂后井下壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)。

2.3 負延時設(shè)計

負延時技術(shù)的使用是為了完整地記錄整個壓裂過程的壓力變化。采用負延時技術(shù)可以采集到壓裂前極短時間內(nèi)的壓力變化數(shù)據(jù)。根據(jù)采樣策略，測試系統(tǒng)在采集過程中需要進行變速采樣，傳統(tǒng)的負延時設(shè)計會在變速時丟失數(shù)據(jù)，本測壓儀采用FIFO來實現(xiàn)負延時的設(shè)計，可以進一步保證數(shù)據(jù)的完整。根據(jù)系統(tǒng)需要和編程狀態(tài)時序?qū)IFO的半滿可編程容量設(shè)置為2 KB，當存入數(shù)據(jù)達到2 KB時，F(xiàn)IFO就會輸出一個下降沿觸發(fā)主單片機中斷來處理數(shù)據(jù)。其處理流程如圖4所示。

圖4 負延時設(shè)計流程Fig.4 Diagram of negative delay

單片機進入到FIFO半滿中斷后，先清除1 KB的數(shù)據(jù)，然后讀2 B數(shù)據(jù)通過隨動觸發(fā)技術(shù)更新到比較器的輸入端。在FIFO中一直至少有1 KB的數(shù)據(jù)存留，當某時接收到壓裂脈沖信號，F(xiàn)IFO中的存留數(shù)據(jù)作為高速數(shù)據(jù)直接存入存儲器里，即至少保留了觸發(fā)信號前1 KB的數(shù)據(jù)。這樣就實現(xiàn)了負延時的功能。

3 實測數(shù)據(jù)與分析

所研制的煤層氣井壓裂動態(tài)壓力測試系統(tǒng)在某煤礦共進行了4次測試，均可靠采集到數(shù)據(jù)，圖5是其中一次典型的實測曲線，該煤層有著我國煤層的典型特點，埋藏淺、滲透率較低，只有（0.01～1.0）×10-15m2，解吸壓力2.5 MPa，但含氣量較高，達到了10.8 m3/t。擬采用復(fù)合射孔技術(shù)對煤儲層進行增產(chǎn)改造，并通過測試壓裂時的動態(tài)壓力數(shù)據(jù)來分析本次作業(yè)效果。

圖5 某煤層氣井下復(fù)合射孔實測曲線Fig.5 Composite perforating measured curve in a coal-bed methane well

本次測試的射孔層深1100 m，周圍液體為清水，射孔器長3 m，含彈每米16發(fā)，相位角為90°，每發(fā)射孔彈裝藥28 g RDX，射孔器內(nèi)部裝有3 kg的推進劑。從圖5曲線可知煤層氣井內(nèi)靜壓達到了11 MPa。t1時間段是射孔階段，壓力脈沖是射孔彈內(nèi)的炸藥爆炸產(chǎn)生的高速金屬射流以及生成氣體劇烈膨脹，繼而從射孔器的孔眼中噴出，從而形成一個壓力脈沖。峰值壓力達到了60 MPa，持續(xù)時間約為0.9 ms。t2時間段為高能氣體壓裂階段，復(fù)合射孔器內(nèi)部推進劑被點燃爆燃的火藥產(chǎn)生大量高溫高壓氣體，這部分高溫高壓氣體作用于煤層以產(chǎn)生多個徑向裂縫，可以極大地提高煤層氣產(chǎn)能。由曲線可以看出燃燒持續(xù)時間10 ms左右，峰值壓力達到20 MPa。

4 結(jié)語

本文根據(jù)煤層氣井壓裂時特殊的高溫高壓環(huán)境和壓裂信號的特點，并針對前代產(chǎn)品絕對壓力觸發(fā)技術(shù)穩(wěn)定性不足的缺陷，設(shè)計了基于隨動壓力觸發(fā)技術(shù)的煤層氣井壓裂動態(tài)壓力測試系統(tǒng)。目前已在煤礦進行了多次實際測試，測得了可靠的數(shù)據(jù)。

通過分析實測數(shù)據(jù)，可以得到結(jié)論：煤層氣井壓裂時的壓力峰值為20 MPa左右，持續(xù)時間小于10 ms，相對相同藥量下的石油井下復(fù)合射孔壓裂來說峰值偏低且持續(xù)時間較短。除了煤巖的脆性大、硬度低等特點外，煤層氣井下壓裂技術(shù)的不成熟也是主要原因；以實測壓力數(shù)據(jù)為依據(jù)對射孔壓裂技術(shù)和工藝進行研究，為加快壓裂技術(shù)發(fā)展和壓裂器的性能優(yōu)化提供了可靠的理論依據(jù)，對提高煤礦經(jīng)濟效益和煤層氣采收率有著重要意義。

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節(jié)能為離散行業(yè)自動化創(chuàng)造新機遇

全球化的發(fā)展下，各個行業(yè)的市場不斷擴大，同時也不斷涌現(xiàn)出新興產(chǎn)業(yè)。離散制造業(yè)在半導(dǎo)體、航空航天等行業(yè)的增長下不斷發(fā)展，為市場經(jīng)濟發(fā)展創(chuàng)造新機遇。近日，ARC集團發(fā)布《離散行業(yè)自動化與軟件支出全球市場研究報告》，對離散制造業(yè)市場進行分析。

離散制造業(yè)在2014年經(jīng)歷了小幅增長。盡管北美地區(qū)持續(xù)恢復(fù)和擴張，這一增長勢頭受到歐債危機和中國經(jīng)濟增長放緩的抑制，資本設(shè)備投資受到拖累，降低整體增長。歐元與日元兌美元匯率持續(xù)走低轉(zhuǎn)換成市場負面影響，從而導(dǎo)致更低增長。

然而，亞洲、東歐和拉美地區(qū)不斷壯大的中產(chǎn)階級創(chuàng)造了日益增長的需求，從電子消費品到汽車，再到白色家電?！笆袌鰧⒗^續(xù)擴大，盡管中國增速進一步放緩，半導(dǎo)體、航空航天與國防，以及塑料和橡膠是帶動市場的高增長行業(yè)?！盇RC最新《離散行業(yè)自動化與軟件支出全球市場研究報告》作者Himanshu Shah分析道。

全球化趨勢在全球化環(huán)境推動下，工業(yè)企業(yè)投資應(yīng)用于不同行業(yè)新的自動化設(shè)備，企業(yè)面臨提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗、減少產(chǎn)品可變性、降低產(chǎn)品成本、節(jié)省工廠運營開支、同時提高投資回報率的挑戰(zhàn)，來爭奪全球市場。

節(jié)能倡議倡導(dǎo)節(jié)能成為共識，從地方政府到國家政府，消費者對工業(yè)運營的認知，推動自動化設(shè)備的應(yīng)用，大幅降低全球能源消耗。

自動化與安全制造業(yè)自動化與機器安全的融合已成為目前的大趨勢。更多的機器正在集成安全和運動技術(shù)，為自動化供應(yīng)商增加其在機器上的收入份額創(chuàng)造了機會。

醫(yī)療行業(yè)采用自動化自動化正開始滲透到醫(yī)療行業(yè)中的手術(shù)和診斷環(huán)節(jié)。隨著越來越多的自動化設(shè)備應(yīng)用于微創(chuàng)外科手術(shù)的診斷設(shè)備，癌癥治療放射，以及其他應(yīng)用的整體管理，維護需求增加。

盡管離散行業(yè)制造過程的自動化支出整體預(yù)測積極，諸多因素仍會導(dǎo)致風險的增加，本報告中將就此加以分析。