油氣井射孔壓裂壓力測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

錢大偉　張曉東　孫明

摘 要：在石油開采中，需要對(duì)井下壓力變化情況進(jìn)行準(zhǔn)確測量，以優(yōu)化射孔工藝，提高油氣資源的產(chǎn)量。傳統(tǒng)機(jī)械式壓力計(jì)精度、靈活性及智能化水平較低，因此，本文設(shè)計(jì)了一種電子壓力計(jì)，希望能提高油氣井壓力測量的精度，為工藝改進(jìn)提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：油氣井；射孔工藝；壓力測試

1 概述

電子壓力計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械式壓力計(jì)具有精確度高、靈活性好和智能化優(yōu)點(diǎn)，因此更適合應(yīng)用于石油煤層氣開采領(lǐng)域的壓力測試。電子式壓力計(jì)的研究和使用，可為研究油氣井射孔壓裂動(dòng)態(tài)參數(shù)、優(yōu)化射孔工藝，進(jìn)一步完善藏氣層開裂機(jī)理，提高我國能源企業(yè)的產(chǎn)量提供有利的數(shù)據(jù)支撐。

2 油氣井壓力測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)境及功能分析 油井壓力測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)被測對(duì)象的環(huán)境和信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行全面分析：

2.1.1 使用環(huán)境分析。對(duì)壓力測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，首要問題是明確測試要求和測試環(huán)境，也就是儀器功能以及工作環(huán)境，因此，環(huán)境影響因素的分析是確保壓力測試系統(tǒng)精度，保障儀器功能有效發(fā)揮的前提。井下環(huán)境主要表現(xiàn)在壓力、溫度和沖擊三個(gè)方面。

首先，壓力環(huán)境可分為靜壓和動(dòng)壓兩種。液體、地層和上覆巖層壓力共同組成了靜壓，三種作用力分別與液體密度、下井垂直高度、巖石密度、孔隙大小以及沉積環(huán)境有關(guān)，一般井下壓力梯度可達(dá)到0.01MPa/m。動(dòng)壓是指射孔壓裂起爆瞬間，由于井內(nèi)氣體溫度急劇升高而產(chǎn)生的壓力，動(dòng)壓值大小在30MPa-200MPa之間，具體則由射孔彈的數(shù)量和射孔方式?jīng)Q定。動(dòng)壓上升瞬間完成，而高壓持續(xù)時(shí)間也不足1s；壓力測試系統(tǒng)的主要功能是采集下井過程中靜壓的變化情況以及射孔壓裂后產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓力變化曲線。其次，溫度環(huán)境。地層溫度隨地層深度的增加而升高，增加幅度為每下降100m，則溫度升高1-3℃，溫度過高，會(huì)影響測試系統(tǒng)的電路性能。

綜上所述，測試儀器外部機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下特點(diǎn)：體積小、耐高壓、耐高溫、耐沖擊、密封性強(qiáng)、操作簡單、可靠性高。

2.1.2 功能設(shè)計(jì)。壓力測試儀器需要記錄射孔工藝過程中的地面靜壓，下井、定位、射孔壓裂、壓力恢復(fù)多個(gè)過程的壓力變化曲線，需要測試系統(tǒng)具有智能化的采樣功能；射孔時(shí)壓力上升時(shí)間短，需要系統(tǒng)具有高速采樣功能；測試時(shí)間長，需要系統(tǒng)具有大存儲(chǔ)容量、低能耗、智能控制的功能；測試過程無法人工引線，需要系統(tǒng)具有高效的信號(hào)捕捉功能；測試環(huán)境惡劣，對(duì)傳感器和電子器件的性能要求較高，且需要可靠的灌封緩沖工藝；測試系統(tǒng)工作模式、采集結(jié)束回收后需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)回放分析等功能。

2.2 壓力測試系統(tǒng)組成及原理 壓力測試系統(tǒng)由上位機(jī)、壓力傳感器、測試電路模塊、高強(qiáng)度機(jī)械殼體以及高溫電池等組成。系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)定、回讀分析儀器中的數(shù)據(jù)功能主要由上位機(jī)（PC）中軟件實(shí)現(xiàn)；壓力傳感器是系統(tǒng)工作的關(guān)鍵部件，能對(duì)待測環(huán)境中的物理量進(jìn)行測量，同時(shí)將所得壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；壓力傳感器測量信號(hào)存儲(chǔ)在測試電路模塊中，該模塊包括模擬電路、數(shù)字電路和接口電路。模塊電路主要負(fù)責(zé)將壓力傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大處理，然后傳遞給A/D變換器；數(shù)字電路的功能則是將變換后的信號(hào)采集編碼存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中；接口電路則與上位機(jī)連接通信，設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)、數(shù)據(jù)回讀；測試系統(tǒng)能在井下惡劣環(huán)境中完成工作，主要是由于高強(qiáng)度機(jī)械殼體具有強(qiáng)化緩沖隔熱功能。各部分結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

2.3 壓力測試系統(tǒng)狀態(tài)流程設(shè)計(jì) 狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不僅是系統(tǒng)靈活性、適應(yīng)性、高性能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，還能有效縮短研發(fā)周期，減少由于環(huán)節(jié)漏洞導(dǎo)致的返工問題。常規(guī)存儲(chǔ)測試系統(tǒng)的狀態(tài)鏈為低功耗待機(jī)狀態(tài)→采集存儲(chǔ)態(tài)→信息保存態(tài)→數(shù)據(jù)讀出態(tài)；本文設(shè)計(jì)油氣井壓力測試系統(tǒng)時(shí)，利用常規(guī)測試系統(tǒng)的狀態(tài)鏈，然后結(jié)合具體的運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，設(shè)計(jì)出如下狀態(tài)流程：低能耗待機(jī)狀態(tài)→參數(shù)設(shè)定態(tài)→啟動(dòng)休眠態(tài)→待觸發(fā)高速采低速存態(tài)→觸發(fā)態(tài)（高速采高速存）→中速采樣→數(shù)據(jù)保持態(tài)→讀數(shù)狀態(tài)（或恢復(fù)到低能耗待機(jī)態(tài)）。

2.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 油氣井壓力測試系統(tǒng)是面向油井射孔壓力和煤層氣井高能氣體壓裂的一種測試儀器，該儀器的運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，對(duì)系統(tǒng)組成設(shè)備的性能要求較高。壓力測試系統(tǒng)的測量結(jié)果能為射孔器的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考，因此采取有效措施，提高系統(tǒng)硬件設(shè)備的運(yùn)行性能，確保測量結(jié)果的可靠性具有十分重要的意義。在對(duì)油氣井壓力測試技術(shù)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了具有存儲(chǔ)容量大、能耗低、體積小、功能靈活等特點(diǎn)的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.5 設(shè)計(jì)過程中其他注意事項(xiàng) 在設(shè)計(jì)過程中，存儲(chǔ)測試系統(tǒng)的有效待寬應(yīng)與信號(hào)源的有效帶寬匹配；模擬電路設(shè)計(jì)時(shí)則要注意適配電路的設(shè)計(jì)、模擬信號(hào)是否需要經(jīng)過濾波、環(huán)境或電源變化對(duì)測量精度的影響；數(shù)字電路設(shè)計(jì)時(shí)則要對(duì)主控芯片、觸發(fā)技術(shù)、負(fù)延遲技術(shù)、變頻采樣技術(shù)進(jìn)行科學(xué)選擇；測試系統(tǒng)的柔性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)提前規(guī)劃預(yù)留功能，延長測試系統(tǒng)的使用壽命。

3 結(jié)語

油氣井射孔壓裂測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要對(duì)儀器的運(yùn)行環(huán)境和功能進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上選擇和優(yōu)化系統(tǒng)工作原理及各部分組成，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)工作流程進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只是第一步，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用，還需要對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)，以確保系統(tǒng)能夠符合惡劣環(huán)境下的物理量的準(zhǔn)確測量，為油田企業(yè)開采工藝的改進(jìn)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖文聰.油氣井射孔壓裂壓力測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].中北大學(xué)，2015.

[2]張杰.石油井下測試系統(tǒng)的研究及數(shù)據(jù)處理[D].中北大學(xué)，2008.

[3]劉合，王峰，王毓才，高揚(yáng)，成建龍.現(xiàn)代油氣井射孔技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].石油勘探與開發(fā)，2014，06：731-737.

[4]趙純.微功耗小體積石油井下壓力測試系統(tǒng)研究[D].中北大學(xué)，2009.