（测试计量技术及仪器专业论文）四通道石油井下测试仪的研究.pdf

中北大学学位论文 摘要 本文在存铸涮试系统理沦的基础上，探羽了存储渊试琴统的设计、复杂采样策豁的 设计和溺试、传感器和电路的静、动态标定和校准等问题，研究了千米油井恶劣环境下 的动态参量的测试技术的总体方案和设计原理，并分析了四通道石油井下测试仪具体碗 件电路的设计，最后成功的应用在大庆、辽河、中原等油田的测井实验中。 本文主要阐述了以下四个方面的问题： 藩先，猩分析生产测井和射孔技术，特别是被溯信号特点的基础上，提出了石油井 下测试动态参量的总体设计方案，并简要介绍了i 激测试仪器的机械结构和电路模块缀 成。 其次，深入探讨了存锯测试系统的系统殴计、采捞策略设计、状态设计、电源管理、 皴发噻路设计等稽关理论，提出了鲤通逶石濑劳f 测试仪蛉技术指标，并分柝了此测试 系统的硬件电路设计、时序逻辑的仿真和软件程序的设计等。 爵次，对于传感器和电路的静、动态标定和校准，特别是利用落锤和模拟油井实验 渡鼹逊行动态的校准等问题进行了较详细的论述。 最后，在细心研究采样策略的过程中，解决了变频采样时出现的问题，并依此提出 了科学、可靠的采样策略，又通过解决集成电路超温艘范围使用的问题，使得四通道石 油莠下测试仪得以在油豳实用化。 关键词：存储测试，油井测试仪，采褥策略，动态绞准 中北大学学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ef o u rc h a n n e l so i l w e l ld o w n h o l et e s tg a u g e x i n y u l ij i n g z u b a s e do nt h et h e o r yo ft h es t o r e dt e s t i n ga n dm e a s u r i n gs y s t e m ( s t m s ) ，t h ep a p e r d i s c u s s e dt h ed e s i g no ft h es t m s t h ec o m p l e xs a m p l i n gs t r a t e g y , t h es c a l ea n dc a l i b r a t i o no f t h es e n s o ra n dt h ec i r c u i ti nt h es t a t i ca n dd y n a m i cc o n d i t i o n r e s e a r c h e da b o u tt h ew h o l e s c h e m ea n dd e s i g nt h e o r yo ft h em e a s u r i n gt e c h n o l o g yo fd y n a m i cp a r a m e t e r si nt h e d o w n - h o l ea t r o c i o u sc i r c u m s t a n c e s a n a l y z e dt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ef o u r c h a n n e l so i l w e l ld o w n h o l et e s tg a u g e ，w h i c ha p p l i e dt ot h ew e l ll o g g i n gs u c c e s s f u l l y s u c ha sd a q i n g ，l i a o h ea n d z h o n g y u a no i lf i e l d s h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h ef o u rp r o b l e m sa sf o l l o w s ： f i r s t l y ，i td e v e l o p e dt h ed e s i g ns c h e m eo ft h em e a s u r i n gt e c h n o l o g yo fd y n a m i c p a r a m e t e r si nt h eo i l - w e l lw h i c hi sb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ew e l ll o g g i n ga n dp e r f o r a t i o n t e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es i g n a lw h i c hi sm e a s u r e d t h e ni ti n t r o d u c e d t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dt h ec i r c u i to f t h et e s tg a u g e s e c o n d l y , r e s e a r c h e da b o u tt h et h e o r yo ft h ed e s i g no ft h es y s t e m ，t h es a m p l i n gs t r a t e g y , t h es t a t e ，t h ep o w e rm a n a g e m e n ta n dt h et r i g g e rc i r c u i t p u tf o r w a r dt h es p e c i f i c a t i o no ft h e f o u rc h a n n e l so i l w e l ld o w n - h o l et e s tg a u g e ，a n di n t r o d u c e dt h ed e s i g no ft h ec i r c u i t ，t h e s i m u l a t i o no f t h es e q u e n t i a ll o g i ca n dt h es o f t w a r e ， t h i r d l y , s c a l e da n dc a l i b r a t e dt h es e n s o ra n dt h ec i r c u i ti nt h es t a t i ca n dd y n a m i c c o n d i t i o n ，e s p e c i a l l yt h ec a l i b r a t i o nu s i n gi nt h ed r o ph a m m e ra n dt h es i m u l a t i v eo i l w e l l e x p e r i m e n t a le q u i p m e n ta r es t u d i e di nd e t a i l l a s t l y ，s o l v e dt h ep r o b l e mt h a tc a u s e db yt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nw h e ns a m p l i n g ，a n d t h es c i e n t i f i ca n dr e l i a b l es a m p l i n gs t r a t e g yi sd e v e l o p e d m e a n w h i l e ，t h es y s t e ms o l v e dt h e u s i n gp r o b l e mo ft h eo v e r t e m p e r a t u r eo ft h ei n t e g r a t e dc i r c u i tt h a tm a k e st h et e s tg a u g e p r a c t i c a l i t ya p p l i e di no i l w e l l k e yw o r d s ：s t o r a g em e a s u r e m e n t ，o i l w e l lt e s tg a u g e ，s a m p l i n gs t r a t e g y , d y n a m i cc a l i b r a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期：文f 才 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：乞垦丝三日期：乏堑：! ：堕 导师签名： 日期：逆望：! ：丝 中北大学学位论文 1 1 本课题的来源、目的及意义 1 绪论 油气田勘探过程中，在找到具有；i 2 q k 价值的油气层后，要用一切手段从每一口探井 取得油气层的各类信息，以便认识储层特征并做出评价。这类信息大体可以分为静态和 动态两种，测井所提供的静态信息约占油气藏整体信息量的亿分之十左右，静态信息的 抽样代表性对油气藏描述要求而言是太低了。 作为动态信息的试井资料则在较大程度上克服了这一缺点，通过试井作业取得的资 料，是唯一在油气藏处于流动状态下所获取的信息，资料的分析结果也最能代表油气藏 的动态特性。结合油气层的静态信息资料，通过分析试井操作所提供的动态信息呵以深 入了解储层结构、油气层流动特性，从而为大规模的油气藏模拟提供基础资料。 试井是一门新兴的综合性科学。试油测试工艺技术的发展经历了三个阶段，即以常 规试油为代表的第一阶段，以地层测试器试油为代表的第二阶段，以地层测试器、电予 压力计和三相分离器等技术综合应用的第三阶段。 试井理论半个世纪以来有了很大的发展。试井的日的之一就是确定油井的地层压 力。而这其中的射孔工艺是关键环节，有效的射孔孔眼对于正确评价油。i 层是至关重要 的。射孔时和压裂恢复过程的压力数据是油气田开发过程中的一项极为重要的资料。它 是研究油气层特征，掌握油气层动态，检查地面采油工艺流程的重要手段。为此，必须 借助于各种精密的压力测量仪表，以获得相当精确的压力资料【2j 。 油气井的井底压力是通过井下压力计( d o w n h o l ep r e s s u r eg a u g e ) 来获得，如何利 用井下压力计准确测量出井底压力随时间变化的规律，是压力试井能否成功的关键，而 压力计的性能则直接哭系到试井作业的质量。井下测压仪表主要有机械式和电子式两 种。根据感压元件和记录方式的不同，机械式井下压力计可以分为三种：( 1 ) 弹簧管式 井下压力计；( 2 ) 弹簧式井下压力计：( 3 ) 其他型式机械压力计。电子压力汁测试系统 按其工作方式不同又可以分为地面直读式电子压力计测试系统、井下储存式电子压力计 测试系统以及直读储存式电子压力计测试系统。 机械压力计可以记录井下压力、流量、温度等参数变化的动态特性，但是它的精度 中j e 大学学位论文 和分辨率均要低于电子压力计。一般机械压力计的精度比电子压力计约差2 0 倍，分辨 率约差几百倍甚至更多，莲力记录冀豹存储点数缀少，投本不能葙泡子压力讣捆眈。6 0 年代朱，美国h p 计算机公司研制成功了世界上篇一支石英晶体电子压力计，测量精度 达到0 0 2 5 ，灵敏度达至lo 0 0 0 1 4 m p a ，采样频率达1 个测点，s 。这样就显薯的提高l 试井分析的有效性。 睡蓠，电子式压力计由予测试成功率高，数据准确可靠，两逐渐为油碍掰接受，蘑 机械式井下压力计慢慢被取代。随着工程技术的不断革新，对油井测压的方式和精度， 特别是在这_ 种高温高压的恶劣环境下监铡并完整的记录射孔( 包括射孑l 前的环境参数稳 射孔詹压力恢复过程的记录) 或压裂过程，提出了越来越高的要求。所以进行油气劳电 子式压力计的研究工作，在民用方面具有十分重大的意义，并且研制成功以后，会有广 阔的市场前景。 基于以上的分析，中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室动态测试技术研 究室甏大庆油疆、辽河油黼、胜利涌濒等油l = 毯铡劳公司的委托，结合自身研究方向的饶 势，开发了一系列石油井u f 测试仪器，并取得了较大的成果。 1 ，2 国内外研究现状及发鼹趋势 2 国外的疆究琨挟 l 、美国i e s 公司推出的s e r i e s2 0 0 系列离冲击，麓逮采样的愿力加速度计，如图 1 1 。它不仅可以记录压力和温度数据，也可 三l 在高冲击的环境中王侔。它的优点在于 体积小，抗高冲击( 可以抗最大加速度为土5 0 ，0 0 0 9 的冲击) ，可以实现高速采样( 高速 豹采襻频率可运1 1 5k h z ) 。 盈l ，1i e s s m 一2 1 2 爨压力加速魔汁 中j 0 大学学使论文 宦蘩取蜜遂采榉蹙略，营先是低速采褥，然后当压力脒 中或是加速黢或媳搬动来到 时，仪器自动完成高遮继而中速最后回到低速采样q 转换，这个进程可黻重复藏至存储 器被记满为止。静态时测藤范围o 1 0 5 m p a ，可过载到2 1 0 m p a 。测温范闱4 1 2 0o c ， 籁响0 - 1 0 ，0 0 0 i z ，体眠时功耗5 0 0 u a ，采样孵功耗 m a 。存镶容量1 酣个羧携纛。 ! 、o w e n 公司麓高逮激蕹记录致h s d r - 1 7 0 0 - 0 2 a - 0 4 a 。它包括多令受控予齑速聚 黧模块瓣传戆嚣。这令工澳是在翘面独立操作麓。它疑翅足隧整s t i m g u r , s l e e v e 籀工其 一起测试诞滚淤势压力，溢渡和麴速度黪。它可用作测量压力、温度的两通邀和溯蜃压 力、温度、离低鬃挥加速魔的四通道使用。测雁范鼷0 2 8 0 m p a ，测温范强一4 0 - 1 2 3o c 。 传感器豹频响0 - 1 0 0 册妇，帔器的频响0 1 0 ，0 0 0 h z 。存储容量1 m b y l e 。 3 、蔫国p a r t a 公司研制生产的m o d e l 系列产龋中测压仪器主要有两类：m r o 椰 s r o 。m r o ( m e m o r y r e a d - o u t ) 是存储式的漓并仪器；s r o ( s u r f a c er e a d ，o u t ) 蹩蠹 搂式豹灞劳往嚣，1 1 _ 戳实现实时传输。p a n e x l 4 2 0 - 1 0 1 愁毒傣式电子压力谤溺试系绞。 m o d e l4 2 5 0 是罄于石英掘荡传感器构造的蕊浚式静并下压力、温震探淫器，数字 储号传输易于信号处壤并髓减少了长导线的嗓声予挽。静鑫辩测艇范圈 - 3 5 m p 锺7 0 m p a 1 1 2m p a ，2 5 0 m w 靛骶功耗，溺压精度士9 + 0 2 f s ，腥力爰敏缝o o lp s i ，压力移遗 痰嫠惑器都是石英振荡嚣，测滋疆菠re ，温痰灵敏塞o 。o 。c ，工作滏发越围- 7 0 1 5 0 。e ，蒋稷t 9 + 0 5 m m o dx4 8 ，2 6 c m ，熏2 ，3 奴。其实秘爨惩翻1 童。 黻1 2m o d e l4 2 5 0 型靛嚣实辚蕊 p a n e x 系磁起一辩溉葛j - 魄蘧鸯读又爵井下储存数据斡铰器。它暴雨磊茨电容式压 力传感器。匿授部分镦予元件聪，棱厢网个压力传感嚣，可疆成遗丽黉读式或势下储 存式役表。这祷仪囊凝：薄勰翅溅、离防麓能力。p a n e x 系列压力诗的测滠爨程最大可 选o 2 。o 。c 。i a n e x l3 2 0 足熄丽直读式井下电予压力潺座谤，它的压力量程最大的达 中北大学学位论文 到0 1 4 0m p a ，测压精度土o 0 2 5 f s ，分辨率为0 0 0 0 1m p a ，测温量程0 1 6 3 o c ，测温 精度0 3 3 。c ，分辨率为o 0 1 。c 。p a n e x l 4 2 0 - - 1 0 1 足井下存储式电子压力计，压力最 大量程1 0 3 4 2 4m p a ，测压精度士0 0 2 5 f s ，分辨率6 8 9 4 9p a ，测温量程o 1 6 3 oc ，分 辨率为o 0 3o c 。 4 、华泰油田新技术有限公司( 河北廊坊) 代理的加拿大某公司生产的两类具有世 界先进技术的压力计。每一类分几种产品，但都有直读式和存储式两种不同的产品，这 两种压力计的实物图如图1 - 3 所示。 图1 3d d i 直读存储电子压力计和p p s 直读存储电子压力计 性能指标：可以测量压力和温度。测压范围0 7 0 m p a 1 4 0m p a 等多种。测温范围 有o 1 5 0 o c 1 7 7oc 等多种。但是采样频率只有1 0 h z 。它与计算机的接口是串行口或 是u s b 口。其中，p p s 3 1 0 0 有井口电子压力计的无线接收。 6 、美国g r c ( g e o p h y s i c a lr e s e a r c hc o r p o r a t i o n ) 公司生产的e m s 一7 0 0 ，e p r g 一3 0 0 均是井下存储式电子压力计。 e p g 一5 2 0 型是地面直读式电子压力计，压力量程最大为1 0 3 4 2 4 m p a ，测压精度为 士0 0 8 f s ，分辨率为o ，0 0 0 1m p a ；测温量程为0 - 1 7 7 。c ，测温精度为l oc ，分辨率为 0 0 0 6 。c 。e m s - - 7 0 0 是井下存储式电子压力计，压力最大量程1 0 3 4 2 4m p a ，测压精 度士0 0 4 f s ，分辨率 6 8 9 4 9p a ，测温量程o 1 4 9 oc ，分辨率为士1 0 c 。e p r g 3 0 0 型与 e m s 7 0 0 型相比，指标稍低。 7 、其他：如美国的h e w l e t t p a c k a r d 公司的h p 系列、法国f l o p e t r o l 公司的t p t 型 和c r g 型、美围n ls p e r r y s u n 公司的s r p g 型等等都是地面直读式电子压力计；l y n e s 公司的d m b 和d m r 系列、美国j o h n s t o n m a c c o 公司的j - 3 0 0 、法国f l o p e t r o l 公 巾北大学学位论文 司的s s d p 系列等等都是井卜存储式电子压力计。 1 2 2 国内的研究现状 1 、两安石油学院研制的“井下储存式电子压力计”是一种静压计。这个系统由井 下仪器和以袖珍计算机p c - - e 5 0 0 为主的地面回收系统组成。其功能是采集、存储、处 理、绘制压力恢复m 线、打印及求得桐应的解释结果。井下仪器丰要采用双单片机实现 低功耗没计，i u 长时问采集井下压力、温度数据，为电池供电仪器的长时间j 作提供了一 种可行方法。地面部分采用微机对井下仪器进行参数设置，数据同放及处理，并将结果以 图形方式锓示输山。 主要性能指标：量程0 4 0 m p a ，精度o 2 ，测量工作时间：1 5 4 0 天，测量参数 是压力和温度，上作环境温度8 5 。c i jj 。 2 、大庆石油学院的郭福田介绍了一种油田井下使用的存储式电子压力计的总体设 计。该压力计分为井卜仪器部分和地面处理部分，电路是由单片机构成的，处于全程工 作状态，定h j 对主单片机产生复位信号，使主单片机完成一次数据采集，然后又进入休眠 状态。当手单片机进入休眠状态后，除时钟电路还在继续工作外，系统的其它部分进入掉 电状态。掉电状态是由时钟电路控制的，时钟电路的工作参数由主单片机进行设置【4 j 。 3 、天滓商学院的姚素芬研制了一种智能刑压力测试装置( 静压计) 。它采用存储技 术把绎放大后的被测信号直接存储在存储器中，从而大大提高了测试精度。同时该装置 还采取了低温漂、高增益、耐高温、低功耗等关键技术。它并自带专用的数据通讯接口， 无需任何其它设备也无需引线便可实时记录石油井下数千米，各种地质油层条件下的压 力曲线川。 4 、北京华油油气技术开发有限公司拥有各种电子压力计一百余支，最高工作压力 2 0 3m p a ，最高工作温度1 9 5 oc ，工作方式有地面直读和井下存储两种，并有多台电缆、 钢丝绞车和井口防喷装置，可完成压降测试、压力恢复测试、探边测试、十扰测试、脉 冲测试、生广测井等作业。存以往的试井作业中：压力计最大下井深度达6 8 0 0 m ，井下 最高压力达1 5 2m p a ，井下最高温度达1 6 5 0 9 。c 。 5 、北京紫贝龙科技有限责任公司的b m p 2 5 3 8 型高精度存储式电子压力计是一种 中北大学学位论义 用钢丝下井的测试仪器，可同时记录井下压力和温度两个参数。主要用于测试油、水、 气井的压力和温度，特别适用十井眼流压和压力恢复的测试b m p 2 5 型可用作环空测试。 主要功能为自动测试并记录井内某一时刻的j 玉力值和温度值。通过编程，可采用自动方 式址录数据或采用常规方式记录数据，仪器可采用延时肩动或压力启动两种方式。通过 p c 机将数据回放出来，显示于屏幕上并可进行存盘和打印，在屏幕上可看所有的测试 数掘和压力曲线、温度曲线。 主要技术指标：压力测量范围：0 - 4 0m p a j 7 0m p a ，精度士0 0 5 f s ，仪器外径： q ) 2 5 m m ，( p 3 6 m m ，仪器长度：9 4 0 m m ，温度测量范围：0 - 1 2 0 oc ，精度o 4 ，最高工 作温度：1 2 0 o c ，最大存贮容量：1 0 0 0 0 个数据点( 温度、压力) 。 1 2 3 油井测试仪器的发展趋势及研究此课题的必要性 综合国内外的研究现状，不难发现油井测试仪器在现阶段的发展趋势主要表现在： l 、电子式，特别是存储式石油井下测试仪器将占主导地位； 2 、传感器技术的革新和测量精度、灵敏度等的不断提高也将根本性的提高测试仪 的测量精度； 3 、随着光纤技术，f l a s h 存储技术，无线传输技术，无损数据压缩技术等新技术的 问世和应用，油井测试仪的功能更加强大，操作更加方便； 4 、将各种高级编程语言应用于测试系统软件的丌发，提高了应用的广泛性和灵活 性，使其不断向系统化、智能化仪器方向发展【6 i 。 因此，我们提出了自主研制丌发u q 通道石油井下测试仪的必要性问题：目前，国外 先进的油井测压器测试原理比较科学，技术指标基本能满足现代试井测试的要求，而且 测试效果比较令人满意，但是存在的主要问题是价格比较昂贵，而且有的也不容易引进； 国内生产的电子压力计虽然也有自己的特点，相对于以前确实有了较大的进步，但是出 于大部分仪器只能测试油井的静压，即油井的静态压力参数的测量，这对于准确完善的 反映均质或非均质系统的动态特征的试井要求是不能满足的，特则是射孔压裂以及压力 恢复等动态过程的测试，是国内仪器比较欠缺之处。即使是动态测试仪器，测压范【刿最 大1 i 过只有o 7 0m p a ，不能测试压裂过程产牛的大约为1 5 0m p a 的压力；另一方而， 6 中北大学学位论文 在动态测试的，1 程中，有些参数的变化是在瞬间完成的，所以这时候必须有较高的采样 频率才能完成对此过程数据的完黎记录。基于以上问题，我们就迫切需要开发一种新型 载井下测试仪以解决以，t 面临韵溺题。 1 3 本课题的研究内容和方法 本课题主爱研究在于米油井下这种高温、高压、高冲击的恶劣环境下的多参量的动 态存诺测试技术曩在传统豹存德测试基础上，通过对芯片及成型电路进纷各静恶劣巧 境的摸钕测试髓筛选，实现了对井下瓣孔过程的压力、稻速度、湿度等参赣的动态测量， 再通过电路模块的封灌技术和机械壳体的保护措施提高了在此环境下测试系统的存活 性和可靠性，最终完成并下射孔中信息的动态测取。 1 4 论文的主鬟内鸯 本文在存储测试技术，特别是新概念动态测试技术的基础上，论述了千米油井恶劣 环境下的动念参量的测试技术的设计原理和总体方案，并成功的应用在新孤四通道石油 井下测试仪的设 中当中，重点阕逐了此测试系统的硬件电路的设计，综台本文，主要有 以下内窖： ( 1 ) 论述了测试仪的总体设计方案和系统组成； t 2 ) 分析了测试系统的设计理论和设计理念，并潜重分析了硬件电路的设计，包 括模拟电路没计、数字电路的设计及其时序仿真、软件没计等等： ( 3 ) 堑点对测试仪蟾定搽、校罐秘实测数据遴簿了分垂厅； ( 4 ) 重点剖聿斤了在研究过程中采取的采样案略的优劣及其原因和设计过程中解决 的关键技术，并提出了可行性的技术改进内容。 中北大学学位论文 2 四通道石油井下测试仪的总体设计 四通道石油井下测试仪，是动态测试技术在民用领域的个重要应用。这个测试系 统是基于对被洲信号的特点和所处环境做出充分的了解和分析，进而达到既能准确、可 靠的测量被测参量，又能对被测体产生的影响降低到最小的总体测试要求而设计的。 2 1 测试对象的性质、特点及测试要求 2 1 1 生产测井及射孔技术简介 油田投入开发之前，整个油层处于均匀受压状态，这时油层内部各处的压力称为原 始地层压力。油田投入开发之后，采油、注水使原始地层压力的平衡状态被破坏，地层 压力的分布状况发生变化。在同一水动力系统内，流体压力与深度的关系受油藏邻近的 水压所控制，某一地层深度的水压为【8 】： 舻。“。z s c 越， 其巾z 深度，单位m ； p w 压力，单位p 。； 协忽) 。水的压力梯度，决定于其化学成分( 矿化度) ，对于纯水 其值为9 8 0 6 6 5p “m ，对于地层水其典型值为1 0 1 7 9 9p “m 。 工程测试中的压力实际上是物理学中的压强，指作用在单位面积上的压力，这种压 力是由于分子的重量和分子运动对器壁撞击的结果。在物理学中常用绝对压力，而仪表 测得的压力称为表压，绝对压力( p ) 、表压( p * ) 与大气压力( p 她) 之问的关系为： p 亍p + p ，c( 式2 2 ) 压力测量分两种类型，一种是梯度测量，即在流体流动或关井条件下沿井眼测量某 一日的深度上的压力；另一种是静态测量，即仪器静止，流体可以流动也可以是在关井 条件下。生产测井通常是以第一种测量方式采集数据，试井压力分析通常以第二种方式 完成采集数据。前一种方式所测压力数据主要用于套管、油管流动状态分析，试井分析 中北大学学位论文 测量( 静态测量) 主要用于确定储层参数【8j 。 在石油开采过程中，当油井钻探完成后，要进行射孔作业，即用射孔枪在井壁金属 管护套和水泥护层上射孔，从而使地层中的原油流入油井。射孔对油田生产来说尤为重 要，射孔的效果直接影响着油井的产量，对于注入剖面和产出剖面来说，生产测井的主 要目的之一是确定射孔层的产液量和吸入量，以及不同流体的含量。 射孔技术的发展经历了二三个阶段：第一是早期的机械射孔枪阶段，第二是子弹射孔 枪阶段，第三是目前几乎所有完井都使用的聚能射孔枪阶段。聚能劓孔弹的设计也是从 早期的棒载式喷射弹发展到目前使用的高效、高能的聚能射孔弹。 目前主要采用i 种基本的射孔方法：即过套管电缆射孔枪射孔，过油管射孑l 枪射孔 和油管传输射孔。辽河油田和大庆油田主要采用的是电缆套管射孔技术。电缆套管射孔 枪劓孔是一种标准的射孔技术。在f 油管和安装井1 2 1 装置之前，用电缆把套管射孔枪下 到产层的位置，然后点火射孔。 聚能射孔弹由外壳、炸药、雷管以及金属聚能罩等四部分组成，结构如图2 1 所示。 蠼蚱 导厚辜 目元 王休炸药 最能罩 幽2 i 聚能弹结构不恿蚓 把聚能射孔弹装进射i l 枪后，沿着枪身拉一条导爆索，使它的每个射孔弹的起爆部 分相接。载目的层段，通电引爆电雷管引燃导爆索，导爆索冲击波前传播速度大约是 7 0 0 m s ，压力约为1 5 2 0g p a 。这个波前将引燃炸药，在聚能罩锥顶前达到最大速度和 压力，速度达到8 0 0 0 m s ，压力为3 0g p a 。在这样的速度和压力下，射孔弹的外壳和聚 能罩只能产生很小的机械阻力，其外壳向外推出，聚能罩朝着射孔弹对称轴向内崩碎。 在聚能罩锥项附近中点处，其压力可增加到1 0 0g p a 。这将把金属分为两种轴向流，向 前运动的喷射流和相对于冲击点向后运动的段塞流。在聚能罩崩碎期间，这种喷射流和 段塞流累积形成一种连续的、快速运动的金属流。当喷射流前端冲击井壁时，将它们穿 透，同时在作用过程中消耗掉自身的能量。喷射流的后续部分继续进行穿透，一直到整 中北大学学位论文 个喷射流的能量消耗完为止。这利r 射孔是通过金属喷射流迫使底层向四周分丌完成的， 它不是一种燃烧、钻进过程，温度和爆炸气体对射孔没有贡献。聚能射孔理论假定金属 喷射流和储层岩石都可以看成流体。伯努力方程可用于喷射流与储层岩石问的相互作 用，研究指出用致密和较长的喷射流可增加总的射孔穿透深度【8 】。 聚能射孔弹安装在射孔前上即可对地层进行射孔作业。涉及到射孔枪有两个基本概 念：一个是射 l 密度，另一个是射 l n 位。单位长度上的射孔数目称为射孔密度：射孔 孔眼之间的夹角称为相位角。射孔作业的目的是在对产层损害较小的情况下，在产层和 井眼之问建立一个良好的流体通道，从而保证产层正常生产。因此射孔作、i p 尤为重要， 否则可能前功尽弃，甚至影n m g j 至l j 对油气藏的l 卜确评价。 在进行射孔作业时，穿甲弹爆炸会对射孔枪产：生很大的冲击，有时会造成枪体断裂。 射孔工艺是否合理直接影响石油产量的高低和射孔作业的安全。为了制定合理的射孔工 艺，需对射孔时穿甲弹爆炸对枪体产生的压力等参数进行测量。在压裂工艺中，既要有 足够大的压裂压力，又不能压坏井管，所以测量压力和冲击加速度等参数就显得十分必 要。 2 1 2 测试仪需满足的测试要求 所设计的石油井下测试仪需满足以下的测试要求： ( 1 ) 机械装置能耐高温、高压、高冲击，且操作简单； ( 2 ) 电路模块能在高温、高压的环境下正常工作，抓住可靠数据； ( 3 ) 所测物理量压力、加速度、温度等必须满足一定的精度要求； ( 4 ) 传感器须能承受高温高压、高冲击的恶劣环境，且要有较高的灵敏度和精度； ( 5 ) 电路设计必须合理，同时尽可能降低电池功耗： ( 6 ) 软件没计合理，界面友好，操作简便； ( 7 ) 对被测体产生的影响降低到最小，使现场操作简便易行； 它的主要技术特点是：无引线，置入式，实时性；能耐受井下高温高压等恶劣环境； 体积小，微功耗；噪声微小，精度高，抗干扰能力强；操作简便，可靠性高。 中北大学学位论文 2 2 测试仪的总体设计方案及系统组成 2 2 1 总体设计方案的分析和确定 基于以上分析，课题所研究的四通道石油井下测试仪须能在高温、高压、高冲击 的恶劣环境下工作，这就必须采用高强度的机械外壳以保护内部的电路，所以机械装置 的材料选用高强度合金结构钢3 5 c ，m 。s ，；所选用的传感器必须能在恶劣环境下证常工作 并有较高的灵敏度和精度，所以压力传感器选用压电式压力传感器k i s t l e r6 2 1 3 b 或压 阻式压力传感器k u l i t eh k m 系列；加速度传感器选用测量范围为士5 0 ，0 0 0g 。的一种国 产传感器；温度传感器选用测量范围为一5 5 1 5 0 o c 的a d 5 9 0 型高精度温度传感器； 本石油井- 钡e 试仪，用于石油油井射孑l 、高能气体压裂的压力测量，以及温度及加 速度测量，也可用于水文、水利、地质钻探的井下测试。它由压力传感器、适配放大器、 数据采集系统、电池、高强度的壳体组成。工作时无需引线，自动采集记录地面、射孔 压裂过程及射孔压裂后的恢复过程的压力、温度、加速度信号。具有抗干扰能力强、耐 高温、高压、操作简便、高精度驯【1 。1 等优点。 模拟电路部分：因为普通运放芯片不能在1 5 0 。c 下工作，所以运算放大器选用仪 表放大器1 n a l 2 8 和军品3 1 4 0 两种；并在必要的通道采用适配电路以增加带负载能力； 用于数字触发的c p l d 也是通过高温实验的x i l i n x 公司的芯片。 数字电路部分：四个通道分别测量压力、加速度、温度、仪器电池电压等四个参量。 首先，在下井前给仪器上电，使仪器的所有电路模块都开始j 作，且以低频采集地面状 况参数，即地表的静压、温度、加速度( 射孔之前的加速度为零) 以及下井之前的电池 电压值；记录到一定点数后，系统自动进入待触发状态，同时记录射孔发生之前井下液 面处的静态压力； 旦广：生足够大的射孔压力达到电路预先编程设定的触发电平值，自 动使系统触发进入高频采样状态，并全面记录射孔瞬叫的p - t ( 压力一时间) 曲线、a - t ( 加速度一时间) 曲线、t t ( 井温一时问) 曲线和v t ( 电池电压一时问) 曲线，而p - t 曲线是整个测试过程最重要的数据；当射孔结束后，系统自动变成低频采样状态，以较 长时间记录压力恢复过程中压力、温度、加速度、电池电压缓慢变化的过程。最后将仪 器提到地面进行读数，分析得到的四条曲线。 中北大学学位论文 2 2 2 测试仪的系统组成 四通道石油井下测试系统由机械结构和电路模块两部分组成。 2 2 21 测试仪的机械结构 测试仪的机械结构材料选用高强度合金结构钢3 5 c ，m s ，其结构示意图见图2 2 ， 实物图照片如图2 3 所示。它大致可以分为小炮头配接组件、外引读数u 组件、电路组 件、电池组件、压力传感器组件、温度传感器组件、加速度传感器组件等部分。 图2 2 四通道石油井下测试仪的结构示意幽 图2 3 四通道石油井下测试仪的实物照片 对于高温和高冲击的实验环境条件，机械结构很容易满足。关键的技术就在于如何 密封。为此，在所有具有螺纹的地方都添加两道高温含氟密封o 型圈，包括部件连接 处、传感器组件与主体连接处、读数口组件与主体连接处、两头的连接头与主体连接处 等等。这样的措施都是为了能有效的防止液体进入壳体内部影向测试系统的正常工作。 非常有创新意义的是，仪器的读数窗口外引到侧部，改变了原来在轴向顶端的结构， 使得仪器的读数和“上、下电”操作更加简便，同时也提高了测试系统工作的可靠性。 2 222 测试仪的电路模块 四通道石油井下测试仪的电路模块主要由压力、温度、加速度i 种传感器、模拟电 中北大学学位论文 路、数字电路、控制电路等部分组成。它的原理框图如图2 4 所示 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 f 四通道石油升下测试仪 高温电池 耐高温高强度壳体结构 l 一一j 图2 4 四通道石油井下测试仪原理框图 四通道石油井_ 卜测试仪可以同时自动测量和记录射孔、压裂过程中压力、温度和加 速度的变化曲线，并能记录仪器供电电池的电压值。这种测试仪的突出特点是： ( 1 ) 可以同时测量四个参量。仪器的四个通道分别测量并记录压力、枪体所受冲 击加速度、井温、供电电池电压随时间变化的动态过程。第四通道的测量是很有必要的， 它，1 i 仅可以随时测量电池的电量，为更换电池提供参考，而且可以检测电路模块的工作 状态是否正常。 ( 2 ) 采样策略的设计更贴近石油测井的要求，可以按照测井的不同需求，通过编 程以改变采样频率、采样时间、触发电平等参数。 ( 3 ) 精度高，使用方便，可靠性高，抗干扰能力强，是射孔、压裂工程中测量压 力、冲击加速度、井下温度等动态参数的理想仪器。 p q 通道石油井下测试仪的电原理框图如图2 5 所示。图中的p s 、t s 、a s 分别代表 压阻式压力传感器、压电式加速度传感器、温度传感器。 数据总线 图2 5 四通道石油井下测试仪的电原理框图 中l 大学学位论文 3 四通道石油井下测试仪的测试系统设计 3 1 被测储号的特点分析 当装有聚能射孔弹的射孔枪被下到预定深发时，即可进彳j 二射孔过程。点火线把点火 信号传到射孔枪，点燃起爆臀管，进而接连g 爆射孔弹，产生在艿壁和岩层上的预定要 求的孔敝。 射孔过程是瞬时完成的，大约只需臻h i s 级的时间。射孔时产生的压力假和持续 豹时闯与f 并深度、聿龟长、装洋鼗等有关。这一道程在国3 1 鳙示弱实灞盏线中鞠戬浇 明。 i 利31 某射孔压力信号的实测曲线 射我过程比较复杂，主瑟爨备以下耱点： ( 1 ) 测试过程是瞬态单次过程； ( 2 ) 多参数毒鞋要关联，县畜严穆的时闻裙关性，需嗣时精确测羹； ( 3 ) 模拟信息和数字信恩同时存在，大幅值瞬态射孔信号与微幅值缓变信号并存 同一过程的不同阶段中信号的i 嚼值相差近十倍既需要检测幅值，也需要汜录过程： ( 4 ) 测试环璃恶劣，高温、高压、强冲击掇动和高加速度等； ( 5 ) 测试空间小，并要求测试系统不得干扰被测系统工作，影响最小； 中北大学学位论文 射孔过程可以大致分为五个阶段：1 、在振荡前的一小段测试射孔前的流体静压值： 2 、引爆聚能射孔弹，射j l 弹的燃爆是在u s 的时间内瞬间完成的，燃爆可以产生一个最 大压力；3 、推进燃料气体的膨胀；4 、射孔流冲击岩壁，产生压裂的过程；5 、射孔后 的压力恢复过程，这个阶段相对较长，压力恢复时的变化是以小时为单位的。 3 2 测试方案的总体设计 在分析射孔过程压力信号变化特点的基础上，我们开始设计四通道石油井下测试系 统的实现电路，而此项工作又必须以理沦为基础。这些测试系统的设计理论始终贳穿和 指导着具体的设计过程。 测量是人们定量的认识世界的过程。当被测物理量在测量过程中保持静止不变，则 ， 把测量过程称为静态测量。静态测量的结果通常是得到一些数值。若被测物理量在测量 过程中不断变化着，那么测量结果就必然是得到一个随时间变化的变量，这样的测量过 程则称为动态测量。 所谓测试系统，是指为了完成某项测量所使用的一系列仪器。测试系统是为了完成 测试任务而构造的一个实体人工系统，其目的在于快速准确真实的将被测对象的有关信 息呈现给测试者，以减少测试者对被测对象观测的不确定程度，即获得信息。一般的测 试系统主要包括3 个部分：传感器、信号传输与记录系统、记录处理与再现系统j 。 3 , 2 1 存储测试理论 所谓存储测试，“足指在刺被测对象无影响或影响在允许范围的条件下，在被测体 内置入微型存储测试仪器，现场实时完成信息快速采集与存储，事后回收记录仪，由计 算机处理和再现被测信息的一种动态测试技术。”i i 存储测试的主要技术特点是，现场实时快速采集记忆，事后回收处理再现。实现动 态参数存储测试的技术关键在于研制能够在被测环境内f 常工作的，对被测对象工作无 影响或影响在允许范围内的数据采集与存储测试系统i3 1 。 存储测试系统是为完成存储测试目的而设计的物理系统，它工作在高温、高压、强 冲击振动、高过载等恶劣环境和紧凑设计条件下，自动完成被测信息的实时采集与存储 中北大学学位论文 记忆。例如，存储测试火炮膛压p t 曲线和全弹道过程弹丸飞行过载信息的存储测试 系统等。 作为一个系统，存储测试系统具有整体性、目的性、层次结构等一般系统的基本特 征。它包含以下皋本要素：( 1 ) 转换被测参数，并最小限度影响被n x , t 象的传感器或信 号接口模块；( 2 ) 快速数据采集与存储记忆器；( 3 ) 长时间信息保持单元；( 4 ) 与计算 机交换信息的接口电路；( 5 ) 保证电路系统正常工作的环境保护器：( 6 ) 方便回收的位 置指示器。 存储测试系统的主要特点是，独立自动的完成动态数据采集与存储记忆，特别是能 在多种恶劣环江和紧凑设计条件下完成动态参数测试，在军用和民用两大领域具有广阔 的应用前景l ”j 。 3 2 2 系统设计理论 3 2 2 1 一般系统论 系统定义为由若干个( 至少为两个) 相互作用的成分组成的整体。一股系统是指剥 离了具体组成和具体关系的抽象系统。这种系统具有所有可被称作系统的实体或过程集 合所共有的现象、性质和运动规律。一般系统属性包括关联性、层次性、完成性和有序 性。关联性是指系统成分间得相互关联和相互作用性。根据系统定义，系统中的任何一 个成分至少与系统中另外一个成分存在相互联系或相互作用关系。层次性是指子系统对 系统，子子系统对子系统，如此等等的嵌入性。任何系统( 宇宙系统除外) 不仅都有自 己的子系统，而且又都是另+ 个更大系统的子系统。完整性是指系统成分f a j 的捆绑程度， 即系统与环境或其他系统间的相互独立性。有时也是指n x , j 预期的功能系统成分、成分 问的关联和协调器组织能力的充分性。有序性是指系统成分、成分关联在空间、时间和 功能上的相对规定性【1 4 】【15 1 1 1 6 j 1 1 引。 3 2 2 2 系统设计的基本原则 对于不同的应用对象，系统设计的具体要求是不同的。但是，由于测试系统一般情 中j 大学学位论文 况下都魁幽硬件和软件两部分组成的，因此，系统设计的一魑基本原则是大体相同的， 下面从硬件没计和软件设计两方面介绍存储测试系统设计应遵循的基本原则。 1 、硬件设计的基本原则。 ( 1 ) 经济合理，具有较高款性价比，这是硬件设计中优先考虑的一个主要因素。( 2 ) 安全可靠。逸翳器材、元器件等要考虑环境豹温囊、滠发、压力等要求，以保证在爆定 的工俸环境下系统性能稳定、工作可靠。要有超量程弱过载僚护的考虑，保证输入、输 出通邋推常工作。( 3 ) 有足够的抗干扰能力。