（机械电子工程专业论文）压裂用自主式电子压力计数据系统研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 压裂用自主式电子压力计数据系统研究 机械电子工程 陈韶舒( 签名) 徐建宁( 签名) 摘要 压裂工艺是油田开发的关键环节，在低渗透油气田的有效增储增产方面起着举足轻 重的作用。因此，对压裂作业过程的评价具有重大的意义。获得准确可靠的压裂压力数 据成为关键。 电子压力计是集压力测试、存储、回放功能为一体的高精度仪器，可用于获取压裂 作业过程中的压力和温度信息，从而可以分析和评估压裂效果，提高压裂理论水平。 目前，我国生产的电子压力计整体性能不高，与国外产品存在着较大差距。为了改 变现状和满足国内不断扩大的需求，开发高性能电子压力计具有重要意义。 本文首先概述了井下电子压力计技术国内外研究现状和发展趋势；其次，进行了压 裂用自主式电子压力计数据系统的描述，对系统各部分的功能以及井下数据采样策略进 行了简要介绍，并阐述了数据系统井下仪器数据获取、转换和存储的过程以及u s b 转串 口的通信接口设计；然后，介绍了数据系统的地面回放系统部分，重点论述了数据回放 软件的设计思想和设计过程；紧接着，针对串行通信和系统精度问题给出了具体的方法； 最后，对压裂用自主式电子压力计数据系统的温度性能进行测试，并给出了测试结果以 及现场应用情况。 论文结尾，作者对压裂用自主式电子压力计数据系统设计过程进行了总结，提出了 下一步的研究和改进方向。 关键词：压裂；电子压力计；井下仪器；数据回放 论文类型：应用研究 u s u b j e c t ：t h er e s e a r c ho nd a t as y s t e mo fs e l f - a u t o m a t i ce l e c t r o n i cp r e s s u r eg a u g e f o rf r a c t u r i n g s p e c i a l t y ： m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：c h e ns h a 。s h u ( s i g n a t u r e ) c ke 5i 鱼竖b 望 i n s t r u c t o r ：x uj i a n n i n g ( s i g n a t u r e ) a b s i r a c t f r a c t u r i n gt e c h n o l o g yi sk e yt o o i lf i e l dd e v e l o p m e n ta n dp l a y sac r u c i a lr o l ei n i n c r e a s i n gp r o d u c t i o na n d r e s e r v o i ro fl o wp e r m e a b i l i t yo i l g a sf i e l de f f e c t i v e l y t h e r e f o r e ，t h e e v a l u a t i o no ff r a c t u r ep r o c e s sh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e t h ek e yl i e si no b t a i n i n ga c c u r a t ea n d r e l i a b l ed a t ao ff r a c t u r ep r e s s u r e e l e c t r o n i cp r e s s u r eg a u g ei sd e s i g n e dt oc o m b i n ep r e s s u r es u r v e y , s t o r a g ea n dp l a y b a c k t o g e t h e ra sah i g h p r e c i s i o ni n s t r u m e n t i tc a n b eu s e df o ro b t a i n i n gp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e i n f o r m a t i o no ff r a c t u r ep r o c e s sw h i c hc a na n a l y z ea n de v a l u a t et h ef r a c t u r i n ge f f e c ta n d r a i s i n gt h el e v e lo ff r a c t u r et h e o r y a tp r e s e n t , h o m e m a d ep r o d u c t sh a v el o w e ro v e r a l lp e r f o r m a n c et h a nt h o s ei m p o r t e d a b r o a d i no r d e rt oc h a n g et h es t a t u sq u oa n dt om e e tt h eg r o w i n gd o m e s t i cd e m a n d , i ti s i m p o r t a n tt od e v e l o ph i g h - p e r f o r m a n c ee l e c t r o n i cp r e s s u r eg a u g e f i r s t l y , t h i sp a p e rg i v e sa g e n e r a lo v e r v i e wo fr e s e a r c hs t a t u s a n dd e v e l o p m e n tt r e n d sc o n c e r n i n gt h ed o w nh o l e e l e c t r o n i cp r e s s u r eg a u g et e c h n o l o g y ；s e c o n d l y , i td e s c r i b e st h ed a t as y s t e mo fi n d e p e n d e n t e l e c t r o n i cp r e s s u r eg a u g eu s e di ns t i m u l a t i o nt r e a t m e n t ，p r e s e n t st h ef u n c t i o n so fv a r i o u sp a r t s o ft h es y s t e ma n dt h eu n d e r g r o u n dd a t as a m p l i n gs t r a t e g yb r i e f l y , e l a b o r a t e sd o w nh o l ed a t a a c q u i s i t i o n , c o n v e r s i o na n ds t o r a g ep r o c e s s e sa n du s b t os e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e d e s i g n ；t h e n ，t h eg r o u n dp l a y b a c ks y s t e mi si n t r o d u c e d ，w i t he m p h a s i so nd a t ap l a y b a c k s o f t w a r ed e s i g na n dd e s i g np r o c e s s ；f o l l o w e d ，s p e c i f i cm e t h o d so fs e r i a lc o m m u n i c a t i o na n d s y s t e mp r e c i s i o ni s s u ea r eg i v e n ；f i n a l l y , t h ep a p e r t a k e sat e s to fi t st e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ， a n dg i v e st h et e s tr e s u l t sa n df i e l da p p l i c a t i o n a tt h ee n d ，p a p e rs u m m a r i z e st h ed e s i g np r o c e s so fd a t as y s t e mo fi n d e p e n d e n te l e c t r o n i c p r e s s u r eg a u g ef o rf r a c t u r i n g a n dp u t sf o r w a r dt h ed i r e c t i o no ff u t u r er e s e a r c ha n d i m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：f r a c t u r e ；e l e c t r o n i cp r e s s u r eg a u g e ；d o w n h o l ei n s t r u m e n t ；d a t ap l a y b a c k t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y h i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：瞧韶整日期：2 q q 生6 吕兰旦 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名：日期：歹衫0 ， 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 缸、一、 ，盈孙一龃憋 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的目的、意义和来源 在油田勘探开发过程中，油井测试发挥着不可或缺的作用，测试的内容之一就是测 压。所得的压力资料是油田勘探开发过程中一项极其重要的资料。压裂工艺是油田开发 的关键环节。压裂对提高改善油气井产能有着重要影响。测取压裂过程中的动态压力值 具有重要意义，可用于评价压裂的施工效果；结合其他测试参数确定地质效果；还可用 于研究压裂的工艺机理，有利于我国压裂理论水平的提高。因此，我们需要借助各种精 密的压力测试工具，来获得精确的压裂过程压力资料【l 】。 电子压力计是获取油井井底压力和温度资料的仪器。目前，用于井下压力测试的主 要工具为电子存储式压力计，其测量程序在测井前预制并写入井下微处理器中，测井作 业中的测量数据则储存在井下仪器的存储器里，测井结束后，将仪器提出地面，然后进 行数据回放。 随着石油工j i k 的不断发展，对电了压力计的性能要求越来越商，研制高精度电子压 力计成为测井仪器发展的重点。基于以上需求分析，研制了压裂用自主式电子压力计， 分析其数据系统组成，并设计了压力资料获取的井下仪器、接口电路、数据回放软件， 最后对压力资料进行处理以提高系统精度。 该课题属于“机械电子工程 学科，项目来源“长庆油田油气工艺技术研究院自主 存储式压裂作业井下参数测试技术研究 。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 在长期的发展过程中，油田压力测试经历了地表压力测试和井下压力测试，由于施 工排量、液体粘度和砂比的变化会引起沿程摩阻和液柱重量的变化，这将导致地表压力 波动较大，难以获得准确的压力资料，使裂缝延伸情况判断及压后分析结果误差较大， 因此井下压力测试成为油田压力测试的发展趋势【2 】。 井下压力测试工具的设计与研制源于上个世纪中期，如今已经相当的精确。目前， 常用的井下压力测试工具可分为机械式和电子式两种，而电子压力计以精度高、录取数 据准确及使用直观等特点，受到广大油田工程技术人员的欢迎。电子压力计已经取代机 械压力计成为井下压力测试工具的主流。井下存储式电子压力计就是电子压力计中的一 种。 随着上个世纪九十年代国外电子压力计的引进，国内电子压力计陆续发展起来。由 于国外的产品普遍采用加密技术，不能对其深入了解，国内厂家只能对电子压力计进行 自主研发。1 9 9 4 年国产市场出现第一支电子压力计。如今，国内有几十家单位从事电子 压力计的开发、生产和销售工作。 曲安石油人学硕士学位论文 f 4 前，由于国内生产的传感器和电子元器件性能水平不高，材料及生产工艺也达不 到要求，使得国产电子压力计的整体性能水平较低。因此，在高精度电子压力计市场上， 国外产品仍然占据领先位置。但国产电子压力计也有其特点首先价格低廉，其次回放 软件是中文的，方便了国内用户的使用，因而同产电子压力计也越来越多的得到了油井 工程人员的青睐h 。 存储式电子压力计具有良好投资价值和发展前景。我们可以利用国内外成熟的软硬 件技术来研制低成本、高精度、具有中文操作界面的存储式电子压力计。这将有利于国 内厂家在较短的时间内打破园外家在井下电子压力计领域的垄断，减小与国外先进产 品间的差距，是国内生产厂家和研制单位在该顿域赶超国外先进技术并发展国产电子压 力计的大好机会。 目前，国内的电子压力计的需求潜力很大，而且存储式电子压力计具有生产成本低、 系统精度高、使用方便、可靠等特点，因此在将来的国内电子压力计市场上存储式电子 压力计必将占主导地位p 】。 1 2 1j ：h k 力测试国外发展现状 在8 0 年代初期，国外大的在油公司就研制出了井下测雎仪器。其中比较有名的公司 有美国正s 公司、p i o n e c r p s 公司和p e a a e x 公司等，它们的产品在行业中一直处于领先地 位。下面对其中几种产品作下简单介绍。 1 、美国i e s 公司s e r i e s 2 0 0 系列产品。用于采集压力和温度数据可以在高冲击的 环境中工作，采用了变速采样的壤略，自动完成高速采样、继而中速、最后低速的转换 过程。测压范围为0 - - 1 0 5 m p a 。测温范围为- 4 0 1 2 0 。存储容量1 m 个数据点。该仪 器配套使用的读数和分析软件如下图： i e ss n 什w ar r 图卜1s r i e s 2 0 0 系列产品的读数和分析鞍件 2 、先锋公司( p i o n e e r p s ) p p s 2 8 。测压范围最高到2 0 0 0 0 p s i ( 1 3 7 m p a ) ，压力精 度可达0 , 0 2 fs ，分辨率o0 1 p s i ，允许过压1 0 5 fs ；壤高温度为1 5 0 c ，温度精度 4 - 00 1 ，允许过温1 1 0 fs 。存储容量5 0 0 0 0 0 点。采样周期1 秒1 8 小时。 第一章绪论 厨晕 图1 2p p s 2 8 并下压力测试系统 3 、h a l l i b u r t o n 公司的m p l t 2 ”。测压范围最高到1 5 0 0 0 p s i ( 1 0 3 m p a ) ，压力精 度00 2 f s ；最高温度1 7 7 ，温度精度00 1 。存储容量8 m b 或1 6 m b 。采样周期 0 1 秒1 秒。 4 、m i c r o s m 矾公司的s g 一1 0 0 。测压范围最高到6 $ m p a ，压力精度0 0 5 f s ，测 压分辨率02 5 p s i ：最高温度1 4 9 c ，温度精度- + 03 。存储容量1 2 0 0 0 个点。采样周期 2 秒西4 分钟。 5 、美幽p a n e x 公- jm o d e l 系列洲压仪器。测压测量范幽0 3 5 7 0 1 1 2 m p a ，上作 温度测量范围一2 0 ( 2 1 5 0 。c 。测压精度o0 2 f s ，雎力灵敏度o0 1 p s i ：测温精度1 ， 温度灵敏度00 l 。 1 2 2 井下压力测试国内发展现状 国产电子压力计追求低成本，目前产品大多是对进口压力计的简单模仿。而且由于 国产传感器和高温电子元器件的水平不高，使用材料一般等原因，导致了国产电子压力 计的性能水平较低川。国内生产公司主要有江汉石油仪器仪表有限公司、西安首创科技 工程公司、北京华油先锋石油装备技术有限公司( p s e ) 、成都四方石油科技开发公司、 沈阳天宇测控技术有限公司、上海神开科技工程有限公司( 原上海石油仪器厂) 等。下 面是对几种国产电子压力计的介绍。 1 、b m p 2 5 3 8 型高精度存储式电子压力计。常用于测试油、水、气井的压力和温度， 尤其适用于井艰流压及压力恢复的澳i 试。压力范围为0 , - 4 0 7 0 m p a ，精度_ 4 - 00 5 fs ： 温度范围为0 c 1 2 0 ，精度04 ，最高工作温度可达1 2 0 。最大存贮容量为1 0 0 0 0 个数据点。 2 、s e i 系列存储式电子压力计。适合于多种油气田勘探开发工艺下的井下压力温度 测量。s e i 系列仪器的最大压力范圈为0 7 0 m p a ，压力准确度为00 5 fs ，压力分辨 率为o0 0 2 fs ；温度范围为0 1 5 0 。c ，温度误差o5 c ，分辨率o0 1 。存储容 量为2 0 8 0 0 0 组数据点。 3 、北京华油油气技术开发有限公司开发的电子压力计。培高工作压力2 0 3 m p a ，最 高工作温度1 9 5 ( 2 ，压力计的下井深度可达6 8 0 0 m 。 西安石油大学硕士学位论文 虽然国外生产的电子压力计性能优良，精度可达满量程的0 0 2 5 - - 0 0 5 ，分辨率达 到满量程的0 0 0 0 1 - - - 0 0 0 0 2 ，采样速度为1 3 秒每一个数据，还可根据实际情况由计 算机编程确定采样密度等，但是它们的价格相当昂贵，仪器维护相当困难，且操作软件 不是中文的，不方便国内用户的现场操作【4 j 。 国产电子压力计通常通过采用高价格、高精度传感器等硬件来提高系统精度，而不 是采用软件处理的方法，这导致国内产品成本过高且不能很好地体现高精度的传感器的 优点。 存储式电子压力计是在测井前先把作业计划预制并写入井下微处理器中，然后下井， 仪器按照预制的程序完成数据测量和存储工作。但由于环境和自然条件的影响，实际作 业过程常会与作业计划有较大差异，使得需要采样、存储的实际压裂作业段并没有落在 原来计划的时间段上，导致采样周期过长、甚至没有采上数据。 针对上述不足，提出了压裂用自主式电子压力计，将人工智能技术融入井下仪器， 使井下仪器能够自主识别压裂作业过程，并利用国内外成熟的软硬件技术来提高系统精 度。主要有以下几点： 1 、自主研发的电子压力计成本低，精度高，采全录准，在压裂作业中能稳定、可靠 地运行； 2 、开发具有自主版权的电子压力计数据回放软件，操作界面为中文，方便用户的现 场操作； 3 、采用数字滤波技术和温度补偿技术，降低重复性误差和温度变化对系统所带来的 非线性误差，提高电子压力计的精度。 1 - 3 论文的主要内容 压裂用自主式电子压力计采用压阻式压力传感器和铂热电阻温度传感器作为测压和 测温元件，对测试结果进行变换后存储于内部存储器中。通过u s b 口与p c 机通信，利 用基于中文w i n d o w s 操作平台的数据回放软件来完成工作参数的设置、采样数据的回 放、采集调试及数据文件操作、数据处理和绘图等功能。 论文在大量查找资料的基础上，介绍了压裂工艺在油田开发中的重要作用和国内外 电子压力计产品并指出国内产品需要改进的地方，对压裂用自主式电子压力计数据系统 进行了研究。结合本文，主要有以下内容： 1 、绪论。介绍了国内外电子压力计的研究现状和发展趋势，对比国内产品和国外产 品，提出了压裂用自主式电子压力计，给出了本文的主要内容； 2 、电子压力计数据系统组成。首先概述了压裂工艺在低渗透油气田开发中的应用和 评价方法，然后对电子压力计数据系统进行描述，给出了组成部分的功能，最后详细说 明了井下仪器部分和通讯接口设计； 3 、地面回放系统设计。介绍了地面回放系统的组成，然后详细给出了数据回放软件 4 第一章绪论 的程序编制； 4 、地面回放系统通信和数据处理。对串行通信设计和实现方法进行了介绍；对系统 精度问题进行了分析，介绍了数据滤波方法和温度补偿方法，最后给出了数据系统的处 理流程； 5 、数据系统性能测试与应用。提出一种电子压力计的温度性能测试方案，然后对电 子压力计的温度特性进行了测试。应用于实际压裂过程，工作良好； 6 、总结。 西安石油大学硕士学位论文 第二章电子压力计数据系统组成 2 1 压裂工艺概述 2 1 1 中国低渗透油气的现状 以陆相沉积为主是我国含油气盆地所特有的现象，广泛存在储层物性较差的特点， 因而产生了大量的低渗透油气资源。我国的低渗透油气资源主要集中在：塔里木、鄂尔 多斯、四i l 海、陆相叠合的沉积盆地；松辽陆相沉积盆地；中、小湖相沉积盆地。 经过多年持续不断的努力，我国在低渗透油气资源勘探方面获得了重大进展，发现 了大量的低渗透油气资源。在国土资源部和国家发改委对油气资源新一轮的评价中，我 国的石油资源量为1 0 8 6 亿吨( 不含台湾和南海) ，其中低渗透资源5 3 7 亿吨，占总量的 4 9 ；我国累计探明石油地质储量为2 8 7 亿吨，其中低渗透为1 4 1 亿吨，占总量的4 9 2 。 我国天然气资源量为5 6 万亿立方米，其中低渗透为2 万亿立方米，占总量的4 2 8 ；我 国累计探明天然气6 4 2 万亿方，其中低渗透为4 1 万亿方，占总量的6 3 6 。我国低渗 透远景资源量分别为5 3 7 亿吨和2 4 万亿立方米，分别占油气远景资源总量的4 9 和4 2 8 【6 】。 严格意义上讲，低渗透是针对储层物性特征的概念，用来形容渗透性较低的储层， 还可称之为致密储层。广义上讲，低渗透可包括低渗透油气藏和低渗透油气资源。一般 的含义是指低渗透油气藏。 低渗透油田的特点： l 、储层物性差、渗透率低，原生孔隙度低，孔隙结构复杂，分选差，胶结物含量高； 2 、砂泥岩层交互，粘土含量高，非均质性严重； 3 、束缚水饱和度高，原油物性好； 4 、毛管力对渗流有明显影响，具有非达西流特征； 5 、启动压力随渗透率的降低而降低； 6 、存在天然缝隙，在一定压力下张开，加剧地层非均质性； 7 、采油速度低( 1 5 ) ； 8 、储层水动力连通性差，单井控制的泄油面积小。 低渗透油田的开采规律： 1 、自然产能低，一般需要进行储层改造。低渗透油田由于岩性致密、孔喉半径小、 渗流阻力大，因而导致油井自然产能低。 2 、天然能量不足，地层压力下降快。根据统计，低渗透油藏一般每采出1 地质储 量，地层压力下降值为3 io m p a ；部分高压异常油藏每采出1 地质储量地层压力下降 在1 0 m p a 左右，有的甚至达1 5 m p a 。 3 、中低含水期是可采储量的主要开采期； 6 第二章电子压力计数据系统组成 4 、聚收率低。低渗透砂岩油减采收率对比为：国外达到2 0 5 0 ；国内平均达到 2 33 ；中石油为2 42 ；中石化为2 12 。 目前，低渗透开采已经成为油气储量增加的主要组成部分。在低渗透资源开采技术 方面我国推行多种技术研究和创新，进行规模有效开发，采用一系列先进的开发配套技 术，使得中低渗透产量在我国油气产量构成中的比例逐年提高。随着勘探和开采技术的 发展以及对油气资源需求的不断增加，实现这类低渗透油气藏经济有效开发，不仅关系 到中国石油的可持续发展，更关系到国家的能源战略安全及国民经济的持续、稳定、健 康、快速发展。因此，“十一五”期间乃至今后很长一段时间内，低渗透油气赫的有效开 发和安全环保利用，将足我国石油需要长期关注的工作重点，更是采油采气工程的工作 重点。 2 1 2 压裂工艺介绍 压裂是指用压力将地层压开一条或几条水平的或垂直的裂缝，并用支撑剂将裂缝支 撑起来，减少油、气、水的流动阻力，沟通油，气，水的流动通道，从而达到增产增注 f 由h 的。 水力压裂利用地面高压泵组，将高粘度液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井 中，在井底憋起高压；当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底 附近地层产生裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井 后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填 砂裂缝， 囝2 1 水力压裂施工固 水力压裂增产增注的原理： 1 、改变流体的渗流状态：使原来径向流动改变为油层与裂缝近似的单向流动和裂缝 近似的单向流动和裂缝与井筒问的单向流动，消除了径向节流损失，降低了能量消耗。 西安石油大学硕士学位论文 2 、降低了井底附近地层中流体的渗流阻力：裂缝内流体流动阻力小。 近三十年来，水力压裂技术得到快速发展，取得了众多科研成果，形成适用于不同 温度条件的压裂液体系、适合不同闭合压力条件的支撑剂系列，研制出高性能的施工设 备，创建了新的设计模型和分析、诊断方法，使压裂工艺技术日趋完善，现己成为油田 开发过程中不可缺少的一项工艺技术。 2 1 3 压裂工艺在改善低渗透油气田中的应用 1 9 4 7 年在美国进行了首次水力压裂增产技术；上个世纪6 0 年代，压裂主要作为单 井的增产、增注措施；7 0 年代，进入低渗油田的勘探开发领域，使许多没有工业开采价 值的低渗透气田，成为具有相当可采储量和开发规模的大油气田；其后，随着工艺技术 发展和对油藏地质研究的不断深入，压裂工艺技术的应用领域也不断拓宽，特别是用于 调整层间矛盾、改善驱油效率及低渗油田的整体优化压裂开发，使压裂工艺技术成为提 高采油速度和采收率及改善油田开发效益的重要手段。 美围石油储量的3 0 是通过压裂改造才达到经济丌采条件；北美通过压裂增加1 3 0 1 0 8 m 3 ；我国已探明低渗透地质储量约为5 0 多亿吨，只有通过压裂改造才具备工业开 采价值。 从1 9 5 5 年至2 0 0 6 年底，我国压裂酸化作业2 4 万井次以上，共增油1 2 7 亿吨以上 ( 平均单井5 3 0 吨) ；近十年来，年压裂酸化作业9 0 0 0 井次左右，年增油量5 9 5 万吨( 平 均单井7 0 0 吨) 。压裂工艺在实现有效增储增产方面举足轻重。 2 1 4 水力压裂效果评价 水力压裂效果评价包括三个方面：实际的裂缝状况、压后产量情况以及经济效益。 评价的意义在于：主压裂前( 小型压裂) 获取参数、用以指导主压裂设计；施工结束后 确定裂缝的几何尺寸；便于与设计对比，同时为预测压后产量提供输入参数；产量评价 即是计算经济指标、优化压裂规模。评价的结果可以验证或修正水力压裂中使用的模型、 选择压裂液、确定加砂量、加砂程序、采用的工艺以及开发方案等，进而降低压裂成本 和提高油气采收率，达到合理高效开发油气田的目的。 水力压裂效果评价的手段瞵j ： 1 、直接测量的缝隙绘图技术( 测量裂缝尺寸、方向) ，如微地震裂缝描述、地面 地下测斜仪裂缝描述、同位素测试、z e r ow a s h 示踪技术等。 2 、间接测量分析，根据裂缝模型进行测量，这一方法成本低，包括压裂压力分析、 压裂试并分析、压后产量历史拟合等。 很多缝隙绘图技术通常在完成全部压裂施工后才是可用的，往往提供的资料有限： 复杂的微地震裂缝描述的观察范围很有限，而且价格昂贵，阻碍了它的大规模使用，比 较而言，压裂施工中或压裂后的压力分析是评估压裂过程和水力裂缝的最有效可行的方 8 第二章电子压力计数据系统组成 法。它的基本原理是施工压力决定了水力裂缝的起裂和在三维空间的延伸，且地层的滤 失性与停泵后压力的下降速度相关。 所以，对于压裂施工过程，一般采用压力曲线来分析井下裂缝的延伸情况和地层的 滤失性。压裂压力曲线是指压裂施工过程中压力与时间的变化关系，它反映了压裂液与 地层的相互作用和裂缝的延伸状况。施工排量、液体粘度及砂比的变化将导致沿程摩阻 和液柱重量的变化，常常使得地表的压力波动较大，不能准确反映井下裂缝的延伸情况， 分析结果误差大2 8 】【2 9 】。井下压力是最真实可靠的数据来源，更能真实反映压裂过程中裂 缝的延伸情况和地层的滤失性，通过对井下压力的拟合，就可以分析描述实施压裂施工 所形成的裂缝形态和参数【l j 。 我们设计的压裂用自主式电子压力计就是用来测量井下压力，本论文主要内容就是 电子压力计数据系统研究。压裂施工前，先对电子压力计进行设置，然后放入压裂施工 管柱中下到井下；压裂施工开始后，电子压力计对压裂施工过程动态监测，实时采样压 力、温度数据并存储到外部存储器中；施工完成后，电子压力计从压裂管柱中取出，利 用地面回放系统对压力、温度采样数掘进行回放和处理。 2 2 电子压力计数据系统 压裂用自主式电子压力计数据系统包含两部分：井下仪器对压力、温度数据进行采 集存储；地面回放系统对压力、温度数据进行传输、回放和处理。具有如下特点： 1 、测量参数点数多 每次测量的参数越多，获得的信息越丰富，则对压裂施工过程的了解越透彻，反映 压裂过程中裂缝的延伸情况。采样间隔最小为1 s 。 2 、多测量参数 要求测量的参数包括：压力和温度两种，均为动态参数，被测量的介质为液体。 3 、参数变化范围宽 电子压力计的参数变化范围很大，压力的变化范围为：o i o o m p a ，温度的变化范围 为：3 0 1 2 5 ，极限温度可达1 5 0 。 4 、参数测量环境条件差 井下仪器工作在几千千米的地下，所受的压力很大，需要整个系统的耐压性能良好； 随着井下仪器下入深度的不断增加，以及压裂过程中产生的高温和系统本身长时间运行 必然产生的热量，需要系统具有良好的耐高温性能。这对电子压力计所用的传感器、数 据采集系统等提出了更高的要求。因此采用的绝大多数元件均符合高标准温度和压力范 围，以满足实际恶劣环境下的工作要求。 5 、大容量的数据存储空间 根据压裂施工的实际情况，电子压力计要在井下工作较长时间，数据存储空间要大。 系统的数据存储传输采用串行1 2 c 总线，具有速度高、占据i o 资源少、稳定可靠等优 9 西安石油大学硕士学位论文 点。数据存储器采用串行数据存储器2 4 l c l 0 2 5 。每片存储器的存储容量为1 0 2 4 k b ，8 片存储器级联达到8 m b ，且可扩展1 9 】。 6 、测量数据可靠性要求高 要求测量结果记录真实准确、克服设定操作失误或因压裂作业等待时间过长造成的 数据记录不全、避免常规作业中长电缆传输的电磁干扰和信号失真等问题。因此我们采 用人工智能技术自主识别压裂作业过程，在井下完成数据采样并存储到存储器。 7 、测量数据精度高 由于环境影响、元器件产生噪声等原因，造成数据系统存在较大误差，需要采用滤 波及菲线性和温度补偿等措施，提高测量精度。 8 、数据回放软件为中文操作界面，方便用户使用，具有自主版权。 2 2 1 电子压力计数据系统描述 首先，获取数据信号。利用温度、压力传感器把温度、压力信息转换成电信号。 其次，对数据信号进行变换。把温度、压力电信号送入后面的信号变换电路实现变 换。在传感器和p i c 之间加上信号变换电路主要实现以下几点：l 、信号电平调整。对传 感器的输出信号电平进行调整，使调整后的信号电平在a o 转换芯片的量程内变动；2 、 阻抗变换。传感器与a d 转换芯片之间阻抗往往不匹配，直接连接两者将导致传感器输 出信号波形失真，a d 转换得不到真实的信号。 然后进行数据的采集和存储。这一部分主要完成信号的数字化和数字信号的存储。 由于井下环境条件恶劣，不论采用有线传输还是无线传输，都存在很大的缺陷。所以， 我们利用大容量的e e p r o m 存储器来实现井下存储，先把采集到的数据存储到存储器中， 等数据采集全部完成之后，再通过数据回放软件回放数据。 最后把采集存储电路与数据回放软件通过接口电路连接。通过接口电路不仅可以设 定和读取井下仪器的参数，还可以实现存储器中的数据回放，对井下采集的数据进行保 存、绘制曲线及数据处理n 们。 由上面的分析可知数据系统包括：传感器信号、电信号变换、采集存储数据、通过 接口电路传输数据、数据回放软件几部分。可以用图2 - 2 表示。 获取传感 器信号 对传感器电信 号进行变换 对信号采 集与存储 通过接口电 路传输数据 对数据进行 回放和处理 图2 - 2 数据系统的组成部分 在整个设计过程中，无论是从元件的选取还是在软件的设计上，都是本着能最大限 度地提高数据系统的精度、可靠性、使用方便设计思想进行的。为此，主要采取以下方 法予以实现：l 、采用多种数据处理的硬件和软件方法，克服数据系统的各种误差以提高 精度【3 0 】；2 、数据存储采用1 2 c 总线技术，提高了存储速度，同时也提高了仪器的可靠性； i o 第二章电子压力计数据系统组成 级联存储器扩大存储容量；3 、采用基于w m d o w s 操作系统的中文数据回放界面；4 、采 用u s b 转串口模块电路，方便用户的使用。 在设计压裂用电子压力计数据系统时，将其分为井下仪器部分和地面回放系统部分。 2 2 2 井下仪器功能介绍 井下仪器部分采用c 语言来开发，包含如下功能：设置看门狗，读取r s 2 3 2 端口信 息，判断工作模式，确定是与上位机进行通信的工作模式或者进入井下数据采集存储工 作模式。在与地面回放系统通信的工作模式下，c p u 根据指令执行命令；在井下数据采 集存储工作模式下，根据压力变化的梯度，通过逻辑判断确定工作在压裂过程的哪个时 段，从而确定采样周期，并把采集的数据存储在e e p r o m 中，看门狗复位。如图2 3 所 示。 图2 - 3 数据系统井下仪器部分功能 井下仪器部分原理框图如图2 4 所示。 压力温度传 感器模拟信号 模拟信号 转换电路 e e p r o m 数 据存储模块 p i c 单 片 机 u s b 转串 口模块 ( u s b 接 口) 图2 4 数据系统井下仪器部分原理框图 据回放软件 茜安石油大学硕士学位论文 2 2 3 地面回放系统功能介绍 地面回放系统是数据系统的人机接口和操作界面。数据回放软件基于w i n d o w s 操作 系统，采用d e l p h i 软件来开发实现，包含功能如图2 5 所示。 井下仪器 部分 厂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i ： 地面回放系统部分 ： il 引鬻产陪f 赢 厂 口口阳广 闻 压力数据以及井下仪器设置参数和标定系数等，如表2 1 所示。 表2 - 1 数据系统通信模块交换的数据 名称取值范围 压力数据0 12 5 m p a 采集数据 温度数据 3 0 - 1 2 5 下入深度 3 0 0 5 ；0 0 0 m 压裂液( 相对) 密度 0 8 4 预测地层压力 2 6 m 咿a 设置参数 预测地层破裂压力 2 0 4 0 m p a 最小采样周期1 s 最后写地址 压力传感器标定系数1 o 标定系数 温度传感器标定系数 1 0 2 2 4 井下数据采样策略 存储式井下压力计由于存储容量有限，一般的办法是按照事先计划的作业安排，分 为几个不同采样周期的时间段来保存数据以节约存储空间。因为作业的复杂性，常常会 在计划外的时间段进行作业，导致数据采不全、采不准。 为了保证在压裂作业工作周期内，采样并存储足够多的有用信息，确保采全、录准， 考虑采取压裂过程识别与自主存储关键技术措施：对压裂工艺过程的下压裂管柱、压裂 作业、排出压裂残液、起出压裂管柱等作业过程的温度、压力记录数据和数据曲线进行 深入研究，分析得出压裂作业过程识别的特征参数，提出一种自识别密集采样技术，使 1 2 第二章电子压力计数据系统组成 系统能够自主识别压裂作业开始和结束的特征，在压裂作业过程中减小采样周期，增加 采样次数。 根据压裂过程中的信号特点，压裂工艺过程可分为下压裂管柱时段、压裂作业时段、 排出压裂残液时段、起出压裂管柱时段。不同的时段，采样周期不同，分别为1 2 0 s 、l s 、 3 0 s 和6 0 s 。具体实现为在井下数据采集存储工作模式下，根据压力梯度的变化，通过逻 辑判断确定工作在压裂过程的那个时段，从而确定采样周期进行数据的采样存储。 2 3 数据系统井下仪器部分 2 3 1 数据信息获取 这部分主要是指传感器( s e n s o r o r t r a n s d u c e rs e n s e ) 。传感器是一个把被测的非电量 变换成电量的装置，是一种获取数据的手段，因而它在非电量电测系统中占有重要的地 位。传感器获取数据的正确与否，关系到整个数据系统的精度。传感器具有输出电信号 微弱、输出信号与噪声混杂、易受外界环境变化的影响的特征。选择传感器时，要考虑 测量数掘精度要求、被测量的变化范罔、被测对象所处的环境条件、以及对传感器体积 和整个检测系统的成本等的限制。在本数据系统中，由于工作环境恶劣，所需测量的压 裂过程中的压力和温度值大，精度要求高，因此我们需要慎重选择传感器【l 们。 压力传感器种类繁多，按工作原理可分为压阻式、电容式、电感式、压电式等。其 中，压阻式压力传感器是压力测量领域应用较多的传感器之一。它采用集成电路工艺， 在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻并组成电桥电路，当不受力作用时，电桥处于平衡 状态，无电压输出；当受到压力作用时，电桥失去平衡而输出电压，且输出的电压与压 力成比例。由于采用半导体材料硅制作，对温度比较敏感，需要采用温度补偿以减少误 差【1 1 】。本系统采用m p m 2 8 3 型压阻式压力敏感元件，测量范围为o 3 5 1 0 0 m p a ，工作 温度范围为4 0 。c + 1 2 5 。c ，宽温度( 1 0 + 8 0 ) 零点和温度补偿，基本满足系统需求。 温度测量方法有热电偶、热敏电阻、热电阻、辐射式等多种。本系统采用陶瓷铂热 电阻p t l 0 0 0 作为温度敏感元件。p t l 0 0 0 型陶瓷铂热电阻，在2 0 0 8 5 0 。c 范围内是精度 最高的测温传感器之一，与热电偶、热敏电阻相比较，铂的物理、化学性能非常稳定， 尤其是耐氧化能力很强，离散性很小，精度最高，灵敏度也较好，具有信号强、精度高、 稳定性和复现性好的特点，阻比为1 3 8 5 ，误差士o 0 0 1 。 2 3 2 数据信号转换 由于传感器的输出的模拟信号通常比较微弱，不能直接用来显示、记录及进行a d 转换，需要有一个环节，把微弱的信号放大调整到能与a d 转换器的输入电压相匹配的 幅度。而且传感器工作在复杂而恶劣的环境里存在较大的共模干扰，同时温度、压力信 号参数不一致需提供不同量程的放大器，因而设计程控测量放大器放大信号。单片机编 1 3 西安石油大学硕士学位论文 程可控制a d g 7 1 9 模拟开关，选择不同的反馈电阻，从而达到改变放大器增益的目的。 2 3 3 数据信号采集存储 数据系统采用微芯公司出品的微控制器p i c l 8 f 2 5 2 作为核心控制芯片。单片机上集 成c p u 、数据存储器r a m 、程序存储器r o m 或e p r o m 、定时计数器及各种输入输出 接口等众多功能部件。 单片机是井下仪器的核心，协调电路各个模块的工作，采集数据进行a d 转换并存 储到外部数据存储器中，与上位机通信，实现数据的采集、存储及传输数据等功能。 p i c l 8 f 2 5 2 通过多通道1 0 位a d 转换器进行数据的a d 转换，通过带有s p i 和1 2 c 的 同步串行端口s s p 对数据进行存储，同步异步接收发送器u s a r t ( u s a r t s c i ) 与上 位机进行通信传输数据。 2 3 4 数据存储器阵列 由于井下仪器部分数据量大，仪器容积小且工作环境温度高，因此选择e e p r o m 作 为存储的介质。e e p r o m 具有并行和串行两种数据传输方式，考虑钊串行1 2 c 总线连线 简单，选用串行方式。它只需通过数据线s d a 和时钟线s c l 就可实现e e p r o m 与单片 机之间的数据交换。m i c r o c h i p 公司的2 4 l c l 0 2 5 串行e e p r o m 具有传输率高、低功耗、 可百万次擦写、工作电压范围宽、工作温度可达1 2 5 等特点，可作为井下仪器的存储 芯片。 井下仪器的总存储量达到8 m b ，因单个2 4 l c l 0 2 5 芯片的存储容量仅有1 0 2 4 k b ，需 要级联8 个芯片形成存储器阵列，单片机通过1 2 c 总线对存储器阵列读取或写入数据。 如果需要进一步扩大存储容量，可通过增加存储芯片和1 2 c 总线来实现【1 2 1 。 2 4 井下仪器数据通信接口设计 计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通信和并行通信二种 方式。其中，串行通信方式硬件线路少、软件实现简单、成本低，特别是在远程传输时， 可以避免多条线路特性的不一致，因而被广泛采用。 串行通信是指计算机主机与外设之间以及主机系统与主机系统之间数据的串行传 送，使用串行通信时，发送和接收到的每一个字符实际上都是一次一位的传送的，每 位为1 或者为0 。串行通信可以分为同步通信和异步通信两类。 异步串行通信具有异步和串行两个特点。有两个比