（机械电子工程专业论文）压裂用自主式井下电子压力计系统设计研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 压裂用自主式井下电子压力计系统设计研究 机械电子工程 丁文波( 签名) 徐建宁( 签名) 凼 物拶 摘要 油井地层压力和温度的测量是水力压裂作业时关键工艺之一。常规的存储式电子压 力计在测量井下压力、温度时常常会出现实际作业过程与作业计划差异较大的情况，使 得需要加密采样、存储的实际压裂作业段并没有落在原计划的时间段上，导致采样周期 过长、甚至没有采上数据，本文针对该问题提出自主存储式电子压力计系统。将模式识 别技术融入井下仪器，以井下压力、压力梯度作为特征参数来判定压裂作业所处时段， 根据不同的作业时段确定采样频率，确保数据能“采全、录准 。 文章从方案的选择、设计指标及关键的技术难点三方面着手，确定系统的总体方案， 重点对系统井下仪器部分的硬件、软件设计，并在充分考虑仪器所处的恶劣工作环境后， 设计仪器的外壳，包括耐压、密封设计。最后，进行室内模拟实验和现场应用试验，实 验结果表明系统硬件工作正常，软件设计合理，具有工作可靠、采样数据全、重复性好、 精度高、存储量足的优点。能够满足压裂作业环境下的井下测试要求，对压裂作业效果 分析评价、改进压裂作业工艺具有指导意义。 关键词：水力压裂：自主式电子压力计；单片机 论文类型：应用技术研究 i i 英文摘要 s u b j e c t ：a na u t o n o m o u ss t o r a g ee l e c t r o n i cp r e s s u r eg a u g ed e s i g n e ds p e c i a l l yf o r f r a c t u r e s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： m e c h a n i c & e l e c t r o n i c e n g i n e e r i n g d i n gw e n b o ( s i g n a t u r e ) x u j i a n n i n g ( s i g n a t u r e ) a b s 1 1 r a c 。i t h es u r v e yo fp r e s s u r ea n dt h et e m p e r a t u r ef o ro i lw e l lg r o u n di st h ek e yt e c h n o l o g y w h e nd oo p e r a t i o no nh y d r a u l i cf r a c t u r et r e a t m e n t t h ec o n v e n t i o n a ls t o r a g ee l e c t r o n i c p r e s s u r eg a u g eu s u a l l ya p p e a rd i f f e r e n c e0 1 1a c t u a lw o r kp r o c e s sa n dt h eo p e r a t i v ep l a nw h e n s u r v e yp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r eo fw e l l ，w h i c hc a u s e st h ea c t u a lj o bs t e p ，t h a tn e e ds a m p l e a n ds t o r e 谢t he n c r y p t i n g ，i sn o ti nt h ep l a n e dt i m eq u a n t u m ，i ta l s oc a u s e st h e s a m p l i n g p e d o dt ob ee x c e s s i v e l yl o n g ，e v e nn o tp i c k - u pd a t a , i nv i e wo ft h i sq u e s t i o n ，t h et h e s i s p r o p o s e sas y s t e mo fa u t o n o m o u ss t o r a g ee l e c t r o n i cp r e s s u r eg a u g e i nt h i ss y s t e m ，i t i n t e g r a t e sp a t t e r nr e c o g n i t i o ni n t ob o r e h o l ei n s t r u m e n t s ，a n dl o c a t e st i m e i n t e r v a lo ff r a c t u r i n g w o r kb yu s i n gb o r e h o l ep r e s s u r ea n dp r e s s u r eg r a d i e n tw o r d e da sc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r , s o t og u a r a n t e et h ed a t as t o r a g ec a nb e “e n t i r ea n d p r e c i s e ” t h ea r t i c l eb e g i n sf r o mt h es o l u t i o ns e l e c t i o n ，d e s i g nt a r g e ta n dt h e k e yt e c h n i c a l d i f f i c u l t i e s ，d e f m eo v e r a l lp l a nf o rs y s t e m ，t h ek e yp a r ti st od e s i g nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o r s u b s u r f a c ee q u i p m e n t ，a n da f t e rc o n s i d e r e dt h eh a r s he n v i r o n m e n ta r o u n di n s t r u m e n t ，t h i s p a p e rd e s i g n e ds h e l lo fi n s t r u m e n t ，i n c l u d i n gc o m p r e s s i o na n ds e a l i n gp a r t s ，s e a ld e s i g n f i n a l l y , c a r r y i n go nl a b o r a t o r ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n dt h ef i e l dt e s t , t h er e s u l to f e x p e r i m e n t a li n d i c a t e dt h a tt h es y s t e mh a r d w a r ei si nw o r k i n go r d e r , a l s ot h ed e s i g no f s o f t w a r ei sr e a s o n a b l e ，t h es y s t e mh a ss o m em e r i t sl i k er e l i a b i l i t y , t h ee n t i r es a m p l i n gd a t a , g o o dr e p e t i t i v e n e s s ，h i 曲p r e c i s i o na n df u l lm e m o r yc a p a c i t y i tc a l la l s os a t i s f yd e m a n d sf o r d o w n h o l et e s t i n gu n d e rt h ee n v i r o n m e n to ff r a c t u r et r e a t m e n t ，a n dp r o v i d e sg u i d a n c ef o rt h e e v a l u a t i o no ff r a c t u r i n gt r e a t m e n t ，i m p r o v et e c h n o l o g yf o rf r a c t u r i n gt r e a t m e n t k e y w o r d s ：h y d r a u l i cf r a c t u r e ；a u t o n o m o u ss t o r a g e e l e c t r o n i c p r e s s u r eg a u g e ； s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 主要符号表 昂 e e 主要符号表 地层破裂压力，m p a ； 井内液柱静压力，m p a ； 弹性模量，m p a ； 简体临界压力，m p a ； 介质压力经o 形圈传给接触面的接触压力，m p a ； o 形圈初始压力，m p a ； 泊松比； 弹性模量，m p a ： 测压系数； o 型圈压缩率； 内径仲长率； 接触宽度，m m g o 型圈截面直径，i 姗； o 型圈内径压缩变形量，m m ； o 型圈外径压缩变形量，m m ； 圆筒外径，r l l m 4 长筒的计算壁厚，i 1 1 1 1 1 ； 稳定系数； 密封圈压缩后的高度，m n 。 v i i r c o ， i r 露 琥e 七 占 口 乇矗扩 d b 肌 日 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：日期：1 力l 。6 、2 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：卜卜2 b 强：7 钟o 六量 - 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) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 随着低渗透和特低渗透油田储量在我国未开发石油储量中所占的比例越来越大，低 渗透油田能否经济、有效的采收关系到我国石油工业的可持续发展。目前我国低渗透油 藏的渗透率一般在1 0 x1 0 0 l a i n 2 - - , 5 0 1 0 3 心之间，地层压力系数及自然生产能力普遍 较低。因此，在试油求产和投产产油之前，必须采用有效、合理的方法来提高低渗透油 田的采收率。 水力压裂是提高低渗透油田采收率的一项重要技术措施。它是利用液体传递压力的 原理，借助地面压裂车的高压大排量泵，在短时间内向油层高速挤入具有一定粘度的压 裂液。当挤入压裂液的速度超过油层的吸收能力时，井底的压力就会不断升高，一旦井 下压力大于地层破裂所需的压力时，地层就会产生破裂，因而在地层中形成新的流动通 道。随着压裂液的不断注入，裂缝不断向前延伸扩展，直到挤入压裂液的速度与沿裂缝 渗滤面滤失速度相等时，其不再向油层深处延僻i 扩展。为避免压丌的裂缝随压力降低后 闭合，在挤入的压裂液中加入适量支撑剂填充到裂缝中去，支撑已形成的裂缝。压裂液 最后破胶降解为低粘度流体流向井底反排出来。这样，地层中就会形成一条具有很高渗 滤能力的通道，使油气能够顺畅流出，起到增产增注的作用。 一个较完整的压裂工艺过程一般包括起出原有井下管柱、下压裂管柱、压裂作业、 起出压裂管柱、下泵、排出压裂残液、测井、试井、压裂效果评价等作业过程。在水力 压裂作业过程中，准确掌握井下的压力、温度等状态参数，对指导压裂作业、进行作业 效果评价等具有重要意义。目前，一般都是采用存储式电子压力计来采集井下压力和温 度参数。整个系统由井下电子测试仪器和地面数据回放两个子系统所组成。其中井下测 试仪器随压裂管柱一同下入井下，对压裂全过程的井下温度、压力等参数进行检测。当 其随压裂管柱起出后，由地面数据回放与分析系统读取所存储的测试参数，实现回放与 数据分析等功能，进而可对压裂过程做出评价。由于井下的高温环境，目前的耐高温电 子器件存储容量有限，因此，存储式测井需要讲测量程序在测井前按照作业计划预制并 写入井下微处理器中，井下电子测试仪器按照预制的程序完成数据测量和存储工作。此 类仪器存在的主要问题是不能像传统的常规测井那样适时监测测井过程并及时处理测井 过程中出现的问题。另外，这些产品的共同缺陷是数据采样周期需要人工设定，一旦设 定操作失误，或因为压裂作业等待时间过长，常常造成数据记录不全。再考虑到环境和 自然条件的影响，实际作业过程常常会与作业计划有较大差异，使需要加密采样、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，实现不了“采全、录准 的目的。 鉴于以上考虑，本课题力求寻找一种合理、可靠的方法来克服常规存储式电子压力 西安石油大学硕士学位论文 计在测井过程中所出现的问题，使得无论实际作业过程与作业计划有多大差异，井下仪 器都能保证在实际压裂作业时间段实行加密采样、存储，确保采集和存储的数据能“采 全、录准 。为压裂作业过程的参数检测提供有力支持，该研究成果将具有一定的理论和 应用价值。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 电子存储式测井仪的发展现状 一般的存储式测井是一种区别于常规电缆测井，而采用钢丝缆绳或随管柱将仪器放 入井下进行测井的一种新的测井作业方式。这种测井作业的测量程序在测井前由测井工 程师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，然后使用专用软件通过接口读入所储存的测量数据并由 电脑作进一步处理，绘图仪( 打印机) 给出类似常规测井的曲线或数据。目前常用的电 子存储式测井仪器的类型主要有以下几种：( 1 ) 三参数测井仪( 伽玛、温度、接箍) ；( 2 ) 五参数组合测井仪( 伽玛、压力、流量、温度、接箍) ；( 3 ) 七参数组合测井仪( 伽玛、 温度、接箍、流量、压力、密度、持水率) ；( 4 ) 放射性同位素示踪注水剖面测井仪；( 5 ) 存储式电子压力计( 压力、温度) 等。 存储式测井技术和测井仪器，是在常规电缆测井的基础上发展起来的。国外的几家 主要测井仪器和测井服务公司在该领域具有优势。 1 9 9 9 年，美国s c i e n t i f i cd r i l l i n g 公司推出了可测量七种参数( 伽玛、温度、 接箍、流量、压力、密度和持水率) 的存储式仪器。 h a l l i b u r t o n 公司2 0 0 0 年推出了具有电缆测井精度的存储式生产测井服务m p l ( m 匝m o i wp r o d u c t i o nl o g g i n gs e r v i c e ) 系统。 先锋公司( p p s ) 则研发了p p s 系列存储式电子压力计。 英国r g 公司所研制的r g 细孔油田数字测井仪，头最大工作温度为1 2 5 ( 2 、最大工 作压力为8 5 m p a 、直径为6 3 m m ，可用来在油，汽和生化气体领域进行测试。 p r o a c t i vd i a g n o s t i 服务公司推出一种井底存储感应测井仪，该仪器为一种小井眼电 阻率测量仪，其探测体长度9 3 3 f t ，主要是应用在小井眼的水平井钻井作业中。 r e e v e sw i r e l i n e 公司研制了一种小井眼存储式测井仪系统c o m p a c ts y s t e m ，其测并 仪器放置在钻杆的底部或放置在取芯钻头上，可以挂接多种测井仪器，如：阵列感应测 井仪、高分辨率电阻率测井仪、中子孔隙度测井仪、微侧向测井仪、双臂井径仪等。该 公司已经将c o m p a c t w e l ls h u t t l e 系统商业化。将测井仪器放在钻杆内部，可以适用于高 角度井和更为恶劣的井眼环境。在井眼中作业过程中，该系统与测井仪器一起放置在钻 杆内部，起到保护仪器免遭损坏的作用。并且，当钻杆从井底返回地面，取出仪器中记 录的井底数据时，不会影响钻杆的旋转和对钻井过程的控制。 2 第一章绪论 国内也作过一些存储式测井仪器的研制尝试、仿制和应用研究。西安科技大学胡少 春分析了传统的压力记录仪的缺点与不足，开发出一种智能压力检测系统的压力测试仪。 其以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心并外接其它芯片的计算机系统，仪器具有测量量程大、精度 高、存储容量大等优点。 江汉油田采油工艺研究所王乾、伍朝东、何铤等人所研制的j h y 9 0 1 压力腽度测试 仪，以石英晶体谐振式压力传感器来测量压力，以铂膜热敏电阻做温度传感器来测量温 度，精度高、重复性好、工作可靠、使用方便、外径小。可适用于有杆泵抽油井环空测 试和其它生产井测试中。 北京华油先锋石油装备技术有限公司( p s e ) 研制了p p s 存储式压力计，其采用硅 蓝宝石或石英传感器，灵敏度高，数据采集更精确；存储容量达1 0 0 万组数据点，每组 数据包括时间、压力和温度，并且存储容量可根据用户要求进行扩大，适用于较长时间 的作业方式；工作电流小，电池容量大、使用寿命长，可长时间连续工作；采用超大规 模集成电路设计，使其具有很强的抗震、抗干扰能力。p p s 系列压力计是目前世界上最 轻小的高精度压力计之一，采用先进封装工艺和技术，可在高温、高压等恶劣环境下长 时间稳定工作。 西安大博石油科技有限公司所研制的d s 4 一i 存储式综合测深仪，是一种适用于动态 测量油田油、水、气井压力和温度仪器组合的深度测量仪器。仪器体积小、操作简便、 微功耗，同时还具有高精度、高可靠性等特点，特别适合于油井流压和压力恢复的测试 以及油井环空测试中找深、定深之用。使用该仪器用户可任意设置测试间隔时间，可以 在连续测试后，再直接通过p c 进行数据回放处理。通过它对油井油层状况和注水井的 压力、温度等参数进行测试、分析时，可进行准确定深指示，为有效的提高采油生产率， 了解油层及油藏分布状况提供了有力的手段。 西安斯坦仪器股份有限公司所研制的m p 0 3 8 高温高压存储式五参数测井仪主要用 于测量高温注气井地层放射性强度，井内温度、压力、套管接箍和流量。通过测量温度、 压力的变化，配合伽玛接箍校深和流量，可以得到实际注气剖面、吸汽量等数据，为油 田开采调配提供可靠的资料。仪器现场操作简单，适合高温( 3 5 0 。c ) 注气井下的测试作 业。 沈阳天宇测控技术有限公司自主研制开发的d s y 4 系列存储式测井仪是一种新型的 井下存储式测试仪器。仪器融合了当前井下电子压力计的多种先进性技术，采用纵横向 减震器和防掉电电池筒专利技术及高质量数据回放和处理软件，设计出存储式仪器智能 化采样存储软件模型结构，使压力计在传统的分段采样模式之外增加了智能采点模式。 在此工作模式下，可使压力计的数据存储容量扩充至数百万组，有效解决了制约长时间 井下测试的存储空间瓶颈问题，因此仪器具有超大的数据存储空间。可用于各种油井的 井下压力、温度测试。 成都四方石油科技开发公司研制的高精度井下存储式测井仪采用超高温( 2 3 0 ) 压 3 西安石油大学硕士学位论文 力测试技术、永置式压力测试技术、高压井口( 钢丝、电缆) 密封技术、井下数据无限 远传技术和高新仪表一振弦式传感器生产技术。仪器可以工作在超高温油井环境下。 西安首创科技工程公司所研制的f f c s c 存储式三参数测井仪是一种适用于困难条 件下( 高压、小井场等) 测量伽玛，温度及c c l 三个参数的仪器。采用钢丝缆绳下井测 量，由微处理器按预设程序控制测量过程，所测数据存储于井下存储器中，测量结果通 过地面专用软件在电脑上回放处理，用热敏绘图仪给出类似于常规测井的曲线及数据。 仪器具有体积小、功耗低、可靠性高、可在井口压力3 5 , - 一5 0 m p a 高压中进行测试、测井 成本低及可防止电缆与流管之间的砂卡等特点。最高工作温度可达1 5 0 ，最高耐压达 1 0 0 m p a ，数据可存储1 5 0 0 0 组。该公司另一产品热采五参数测井仪，可在高温注气热 采井中测量井中参数，该仪器具有独特的隔热技术和结构配置，可以完满的解决高温热 采井的测井作业。主要技术指标有：( 1 ) 测量参数：流量、压力、温度、伽玛强度和接 箍；( 2 ) 抗压强度：3 0 m p a ；( 3 ) 最高仪器工作温度：3 5 0 ；( 4 ) 放射性涨落误差：s 4 - 1 0 ( 1 0 s 计数) ：( 5 ) 温度测量范围：0 3 5 0 ；( 6 ) 温度测量误差：士1 ；( 7 ) 温度分 辨牢：0 0 5 ；( 8 ) 流量测量范闱：o 1 0 0 0 r a d m ；( 9 ) 压力测罱范围：0 - 3 0 m p a ；( 1 0 ) 存储容量：2 m b i t ；( 1 1 ) 供电：7 8 v 高温锂电池。 湖北江汉石油仪器仪表股份有限公司所研制的a t 2 5 型存储式测井仪，选用了美国 最新研制的应变式压力探头、进口高温电子器件进行设计，具有输出信号稳定、灵敏度 高、线性度好、温漂小、精度高、可与任何地面数控测井仪相配接等特点。主要用于油 田生产测井，可测量井下流压、静压及压力恢复等。 1 2 2 存储式电子压力计的发展现状 随电子电路技术的发展和各种传感器的广泛应用，电子压力计以其作业简单、测量 结果可靠、显示直观、易于实现多联作业等特点，逐步取代了机械压力计，成为测量井 下压力、温度的主要工具，倍受广大技术人员的青睐n 3 。 a 国外电子压力计的发展国外电子压力计的发展大抵可分为三代。二十世纪 八十年代末至九十年代初，第一代电子压力计产生。这一代电子压力计的代表是g r c 、 p a n e x 和f l o p t e r 系列压力计。由于当时传感器技术和电子技术比较落后，这一代产 品具有以下特点n 1 ： ( 1 ) 传感器综合性能较差。传感器多以应变平衡电桥式、电容式为主，压力计的精 确度较低，多为o 1 。虽然p a n e x 压力计的传感器采用的是石英电容的传感器，压力 计精确度可达到0 0 5 ，但传感器的抗震性及稳定性不好； ( 2 ) 电子压力计功能比较单一。一支压力计只有直读或存储一种功能，无法满足用 户多种需要。压力计现场使用比较繁琐。这一代压力计的使用大多需要配备专用的计算 机接口卡和压力计的接口箱，中间环节过多将直接影响压力计工作的可靠性； ( 3 ) 电子电路技术的局限。由于当时电子电路技术的限制，这一代压力计的存储容 4 第一章绪论 量较小，仅为一万多组数据点。另外，由于电子器件的集成化不高，导致压力计体积大、 功耗高、电路故障率高； ( 4 ) 压力计软件操作较为繁琐。压力计操作软件多为d o s 版本软件，操作较为繁琐。 二十世纪九十年代中期，第二代电子压力计产生，这一代电子压力计的代表是 a l p i n e 和m c a l l i s t e r 系列。与第一代压力计相比，有了明显的进步。这一代压力 计主要有以下特点u ，： ( 1 ) 传感器水平明显提高。这一代压力计可分为应变式、石英晶体两种类型，应变 式压力计尽管仍然是平衡电桥设计，但精确度已提高到0 0 5 ，石英晶体压力计由于多 采用美国专业传感器生产厂q u a r t z d y n e 的传感器，压力计精确度达到0 0 2 5 ； ( 2 ) 电子压力计功能多样。由于电路的改进压力计大多同时拥有直读、存储两种功 能。基本上淘汰了计算机接口卡，压力计与接口箱连接后，直接可与计算机的标准r s 2 3 2 串行口连接通讯，方便了用户的操作； ( 3 ) 压力计的存储容量较大。电子技术的发展使压力计的存储容量进一步扩大，存 储容量达到6 4 k 左右； ( 4 ) 压力计软件操作较为简单。压力计操作软件由d o s 版本软件逐步向w i n d o w s 版本过渡，增加了许多数据处理功能； ( 5 ) 抗震性能普遍提高，应用环境更为广泛，可以在恶劣环境下作业。 二十世纪九十年代后期，第三代电子压力计生产。这一代电子压力计的代表是 s p a r t e k ，p p s 和d d r 系列，这一代是当今电子技术的结晶，在设计和使用中也体现 出以人为本的理念，代表着未来电子压力计发展的潮流和方向。这一代压力计主要有以 下特点： ( 1 ) 压力传感器的精度高。压力传感器采用新型硅蓝宝石传感器，体积小，最小直 径仅为1 9 m m ； ( 2 ) 精确度及分辨率高，分别可达到0 0 2 5 和0 0 0 0 4 ； ( 3 ) 存储容量大。压力计的电路部分采用大规模集成电路设计，采用表面贴焊的封 装工艺，增大了压力计的存储容量，其存储容量可达到5 0 万至1 0 0 万组数据点，降低了 仪器的功耗，增长了压力计的连续工作时间； ( 4 ) 压力计可靠性高。压力计的外筒采用耐酸镍基合金，增强了压力计的抗腐蚀能 力，能够满足在酸化作业环境及含硫化氢井中测试的要求，保证压力计的正常、可靠工 作； ( 5 ) 压力计的软、硬件设计都体现出以人为本的理念。首先，压力计的使用和维护 更加简单，不再像前两代压力计在使用前需要对缓冲管进行保养注油，对缓冲管外筒加 入硅油或黄油，第三代压力计均为免维护设计。另外，如s p a r t e k 压力计的三重直读 方式设计，可以确保用户在计算机甚至接口箱故障的情况下，获取井下资料。p p s 压力 计的数据自动分块存储方式的设计，方便了用户多次连续作业的需要。这些设计都极大 5 西安石油大学硕士学位论文 地方便了现场工程人员对地质资料的录取。 b 国内电子压力计的发展8 0 年代末，国外电子式井下压力计进入中国市场。 由于其价格昂贵，外文资料不易消化，多数单位无力承担，因此，在9 0 年代初，国内一 些厂家开始自行研制电子压力计。此时的国产电子压力计由单片机( 8 0 c 3 1 ) 、a d 转换 电路、存储器等部分组成，其中单片机为系统的核心部分，压力传感器采用的是应变式 压力传感器，依托计算机、打印机进行数据处理、输出。由于应变式压力传感器的耐温 性较差，所以压力计整机的耐温在1 0 0 。c 以下，精度较低，普遍在o 1 - - - 0 2 之间，有 的甚至达0 5 。此时电子压力计的原理图如图1 1 所示幅1 。 图卜19 0 年代初国产电子压力计原理框图 随着串行单片机、串行a d 芯片、串行数据存储器的普遍应用，使得国产电子压力 计有了更快的发展，电路总成更加简化，体积更小，可靠性也有了较大提高。与9 0 年代 初的电子压力计相比，目前广泛应用的电子压力计在压力传感器方面，应变式压力传感 器仍没有解决1 0 0 。c 以上的蠕变问题；薄膜溅射压力传感器仍没有解决稳定性问题。压 力计性能较好厂家的压力传感器主要依赖进口。国产电池仍没有解决一致性差的问题。 电池主要依赖进口，耐温低于1 0 0 的进口电池价格较低，而耐温高于1 0 0 的进口电池 价格昂贵。在整机耐温、精度上没有大的提高；压力计温度误差修正技术的有所提高； 在功能上有一些进步；在元件成本降低及简化生产工艺方面，有了较大的进步。但压力 计整机技术水平并没有大的突破。国产压力计的进一步发展，在工作原理方面不会有大 的变化；在性能方面，应该是向高可靠性、高精度方向发展；同时在耐温方面会有所突 破，向耐温1 7 6 努力；在选用传感器、电池、i c 芯片方面将更具多样化。随着市场竞 争的进一步发展，产品将更趋低成本，压力计生产厂家将更多地取得规模效益。目前广 泛应用的国产电子压力计原理框图如图1 2 所示暖1 。 6 第一章绪论 图1 - 2 目前广泛应用的国产电子压力计原理框图 1 3 课题的来源和主要研究内容 本课题来源于西安石油大学与长庆油田分公司横向科研合作项目，项目名称：固定 型压后射流速排及多联作技术研究( h 0 7 1 4 7 ) 。 论文在大量查找相关资料的基础上，针对所设计的自主式井下电子压力计的工作环 境进行分析研究，确定仪器的性能指标，分模块进行设计，研究内容主要包括： ( 1 ) 简单阐述水力压裂工艺原理，简要介绍几种常用的水力压裂工艺； ( 2 ) 对压裂用自主式井下电子压力计系统进行总体设计与优化； ( 3 ) 系统硬件电路设计。包括元器件的选型及各模块的设计； ( 4 ) 系统井下软件设计。结合系统的硬件结构，将软件进行模块化分工，根据系统 所要完成的功能，将井下软件划分为四个主要模块，分别设计，编写程序； ( 5 ) 分析压裂作业过程中压力曲线的特征，提出自主存储策略的软件设计方法，并 给出自主采样、存储程序流程图，通过试验说明方法的可行性； ( 6 ) 设计仪器外壳，并进行强度校核及密封设计； ( 7 ) 进行室内模拟试验与现场应用试验，检验仪器的性能和实际应用情况是否到达 设计指标要求。 1 4 创新点 ( 1 ) 提出以井下压力、压力梯度作为特征参数来判定压裂作业所处时段确定采样频 率的简单逻辑判别方法，使井下仪器能自主识别压裂作业过程，无论实际作业过程与作 业计划有多大差异，都能保证在实际压裂作业时间段能够缩短采样和数据存储周期，实 行加密采样、存储，确保采集和存储的数据能“采全、录准 。 ( 2 ) 采用支持串行1 2 c 总线的2 4 l c l 0 2 5 存储芯片构成存储器阵列，存储容量可达 8 m b ，使得有足够的存储空间来存储压裂作业井下参数。 7 西安石油大学硕士学位论文 第二章压裂工艺与系统设计 2 1 压裂工艺 水力压裂是利用地面高压泵组，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琵 渡，裂缝向前延伸井填以支撑荆，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，并达到增产、增注的目的“。 2 1 1 常用的几种压裂工艺 a 常规分层压裂技术该技术利用不压井、不放喷井口装置，将压裂管柱及其配 套工具下入井内预定位置，实现不压井、不放喷作业。当压完第一层后，通过投球器和 井口球阀分；l | 注入不同直径的钢球，遂次将滑套憋到喷砂器内堵死水眼，然后依次再进 j _ f 一层雎裂。尚最后一层世挤先后，立即活动管柱，并投入堵塞嚣，从而实现水压井、 不放喷起出油管。示意图如图2 - 1 所示。 压第一层 压第二层 图2 - 1 常规分屡压裂示童围 b 限流法压裂技术该技术通过严格限制炮眼的数量和直径，并以尽可能大的 第二章压裂工艺与系统设计 注入捧量进行掩工，利用压裂液流经孔眼时产生的炮眼摩阻，大幅度提高井底压力，井 迫使压裂液分流，使破裂压力接近的地层相继被压开，达到一次加砂能够同时处理几个 层的目的。 c 多裂缝压裂技术该技术是在一个压裂层段内，先压开吸液能力大的层后，在 低压下挤入高强度暂堵剂将先压开层的炮眼堵住，待泵压明显上升后，再开启动泵车压 开第二个层，然后再堵第二个层，再压第三个层，这样可以在一个层段内形成多个裂缝， 以提高层段的导流能力。 d 选择性压裂技术该技术利用油层内不同部位或各油层间吸液能力不同的特 点，通过投入暂堵荆将渗透率高、吸液能力强、启动压力低的高含水部位、层或人工裂 缝暂时封堵，迫使压裂液分流，从而在其他部位或层内压开新裂缝，达到选择性压裂的 目的，暂堵剂是油溶性的在一定温度条件下，可变软溶于原油中，压后开井即可解堵。 e 平衡限流法压裂完井技术该技术是利用油田水力压裂裂缝主要为水平延伸 的特点，根据限流法压裂过程中，同一卡段内各目的层都处于同一压力系统中，当各目 的层都被压开后，目的层间隔层上下压力平衡，不承受高压差的原理，将压裂目的层及 与其相邻的高含水层都射m 并爿于i 司一 段内进行压裂，使它们之间的薄隔层上下压 力平衡，达到保护薄隔层的目的。 定位平衡压裂技术该技术是利用定位平衡压裂封隔器上的长胶筒和喷砂体 来控制压裂目的层的吸液炮眼数量和位置，达到裂缝定位和控制目的层吸液量的目的。 在需要保护薄隔层的高含水部位装有平衡装置，该装置只进液不进砂，使高含水层与压 裂目的层处于同一压力系统中，隔层上、下压力平衡而得到保护。通过大排量施工，依 靠压裂渡通过吸液炮眼时产生的摩阻，大幅度提高井底压力，从而相继压开相近的各个 目的层，达到一次施工压开3 5 个目的层的目的。如图2 - 2 所示。 图2 - 2 定位平衡压裂 西安石油大学硕士学位论文 2 1 2 压裂工艺的应用状况 1 9 4 7 年，美国首次水力压裂成功，经过6 0 多年的发展，水力压裂技术无论是从理 论研究还是现场实践都取得了较大进展。裂缝的扩展模型已从二维发展到拟三维和全三 维；压裂作业井的动态预测模型也从之前的电模拟图版和稳态流模型发展到现在的三维 三相不稳态模型，并可以分析裂缝导流能力与缝长、时间的变化规律；压裂液从过去的 原油和清水发展到齐全的优质、低伤害并且具有延迟交联作用的胶有机硼“双变”压裂 液体系和清洁压裂液体系；支撑剂从过去的天然石英砂发展到高强度的人造陶粒；加砂 方式从过去的人工加砂发展到混砂车连续加砂；压裂设备从过去的小功率水泥车发展到 2 0 0 0 型压裂车；单井压裂施工从过去的小规模、低砂液比发展到超大型、高砂液比压裂 作业嘲6 1 。 我国在压裂工艺的研究、使用开始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 6 年，胜利油田在在牛庄 油田开始采用小型压裂技术并取得了一定的成效。我国在7 0 年代初研制出自己的水力压 裂液，压裂技术应用逐渐展开。在8 0 年代初，我国从美国引进压裂设备、仪器，使我国 压裂技术进一步完善。随着一些先进压裂软件的自主开发，压裂设备的自主研制，我国 的压裂规模已发展到区块压裂、多层压裂、薄层压裂、深层压裂，形成以油藏工程和岩 石力学为主、以裂缝监测及控制为重点，以增产增注为目标的先进压裂工艺技术口h 8 1 。 至今，我国压裂酸化作业累计2 4 万井次以上，共增油1 2 7 亿多吨，近十年来，我 国年压裂酸化作业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) 1 7 1 8 。 2 1 3 自主式电子压力计在压裂作业过程中的作用 本文所研制自主式电子压力计是用来测量压裂作业过程中井下压力、温度参数。因 为水力压裂裂缝的起裂及延伸与井下压力有关，在施工过程中的井下压力与时间的变化 关系可以反映地下裂缝的延伸规律，同时压力变化规律又与地层特性、压裂液及现场施 工参数有关，所以借助施工过程中实际测量的压力、温度数据，就可以确定水力裂缝的 延伸规律、地层特性和压裂液参数。分析现场施工质量，减小施工风险，保证施工按设 计要求顺利进行，并根据实际情况进行现场调整，对压裂施工有指导作用。 水力压裂是改造油气层措施中常规的也是最有效的方法之一呻1 。一般情况下，压裂 措施层原始产能较低，压后能依靠自身能量连续自喷的层较少，大部分压裂层必须通过 汽化水排液、液氮排液等方法来完成排液工作，这些常规排液方法不但排液时间长、费 用高，而且由于施工时泵压高，使井筒液体容易被压入地层，对地层造成伤害。如果压 裂后起出压裂管柱再下水力泵管柱，最少需用2 4 小时，这样未排出的压裂残液在地层中 产生沉淀，造成更大污染。基于上述原因，该自主式电子压力计系统在研制时，进行了 相应的技术改造和接口设计，可以与排液作业的管柱一同下入井下，从而可以实现测试、 压裂、排液三联作作业。管柱结构如图2 3 所示。此方法减少了地层污染，最大可能地 1 0 第二章压裂工艺与系统设计 提高油气产能，真实体现出地层产能的本来面貌n 们。 图2 3 压裂、测试与排液三联作管柱结构 2 2 总体方案 2 2 1 方案选择 压裂用自主式电子压力计系统可以分为地面回放系统和井下仪器部分两个子系统。 地面回放系统由地面计算机、地面计算机与井下仪器的接口、回放软件等所构成。 接口的设计一般采用r s 2 3 2 串行接口或u s b 接口。经过比较，考虑到现在的计算机使 用u s b 接口更为便捷，而井下仪器端采用r s 2 3 2 接口则设计技术更为成熟、工作更为 可靠。因此，通过利用专用电缆，设计的接口为u s b 或r s 2 3 2 ( 计算机) _ r s 2 3 2 ( 井 下仪器) 接口，方便了操作。 井下仪器部分设计主要从硬件和软件两方面着手，根据系统所需实现的功能对自主 式电子压力计井下仪器的硬件部分进行模块划分，将其分为单片机主模块、温度信号采 集与处理模块、压力信号采集与处理模块、存储模块等主要模块，对各模块进行详细的 硬件电路设计与调试，最后将各模块进行连接完成整个电路的设计与调试；结合系统的 硬件结构，将软件进行模块化分工。为了方便软件的调试、调用及修改，把井下软件的 各模块设为相对独立形式。本文根据系统所要要完成的功能，将井下软件划分为主模块、 采样与a d 转换模块、通讯模块及定时唤醒模块四个主要模块，同时确定自主存储策略 西安石油大学硕士学位论文 的软件设计方法。 井下仪器部分有一体化设计和组合式设计两种结构方案，考虑到电池需要经常更换， 以及传感器需要标定，为方便使用，决定采用三个独立短节的组合式设计方案。即：电 池短节、电子线路短节、传感器短节三部分，各短节之间采用螺纹连接。 2 2 2 设计指标及其分解 按照压裂作业的一般工艺要求，本设计确定的技术指标参数为： ( 1 ) 系统完成井下压力、温度两个参数的连续测量和数据存储； ( 2 ) 测压范围：o 1 0 0 m p a ； ( 3 ) 最高耐压：1 2 5 m p a ； ( 4 ) 井下仪器工作温度范围：3 0 - 1 2 5 ； ( 5 ) 井下仪器极限温度：1 5 0 ； ( 6 ) 压力精度：0 0 1 m p a ； ( 7 ) 温度精度：0 1 ； ( 8 ) 电池一次工作时间：3 0 天； ( 9 ) 存储容量：8 m b 。 为实现上述技术指标，对各部分的设计进行了细分，主要分解为： ( 1 ) 井下仪器各短节及其密封的耐压按1 2 5 m p a 设计，并留余量； ( 2 ) 井下仪器的电子器件选用军品级，工作温度范围应达到4 0 1 2 5 ； ( 3 ) 压力传感器采用进口传感器组件，测压范围应达到或超过o - - i o o m p a ，精度 应达到0 0 1 a ： ( 4 ) 温度传感器采用进口传感器，测温范围为4 0 - - - 1 5 0 c ，精度应达到0 1 ； ( 5 ) 电池采用大电量进口锂电池； ( 6 ) 选用高温大容量存储器，采用多存储器芯片组技术，使总存储容量达到8 m ； ( 7 ) 井下仪器的电路板采取灌胶等措施，提高仪器的抗震动、抗冲击能力。 2 2 3 关键技术难点及措施 a 井下仪器的可靠性与功耗问题仪器下并后与地面没有电气连接，地面不能 控制井下仪器，因此要求仪器具有非常高的可靠性；井下仪器由电池供电，需要保证其 有尽可能长的工作时间，为此，可以采取以下主要措施： 优选军品级、低功耗、耐高温的电子元器件； 优化电路设计，降低电路功耗； 合理设计干扰抑制电路，提高硬件的抗干扰能力； 进行抗震、减震设计，保证内部接口的稳定、可靠； 优选耐高温、大容量电池。 1 2 第二章压裂工艺与系统设计 b 数据存储空间问题 为满足井下高温条件的要求和受空间制约的小尺寸电路 板设计需要，数据存储芯片不能使用大容量的工业级f l a s h 芯片，只能采用耐高温的 e e p r o m 芯片，例如军品级的g c 芯片，因此数据存储空间有限。需要： 合理设计电路，尽量增大存储容量； 优选存储芯片，尽可能选用大容量芯片； 初步考虑，数据存储芯片采用8 片单片容量为1 m b 的耐高温e e p r o m 芯片，串行 结构形式。 c 压裂过程识别与自主加密存储问题为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加密存储关 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，提出压裂过程识别算法； 利用以前保存的压裂作业过程测量数据，进行离线仿真分析，评价和确认过程识别 算法的有效性，实验自主存储算法的有效性。 d 井下仪器的耐温耐压问题可以采取的技术措施有： 优选元器件； 优化耐压和密封结构设计； 合理安排加工工艺，提高密封性能。 2 3 本章小结 ( 1 ) 阐述了水力压裂工艺原理，简要介绍了常规分层压裂技术、限流法压裂技术、 多裂缝压裂技术、选择性压裂技术、平衡限流法压裂完井技术、定位平衡压裂技术等几种 常用的水力压裂工艺；介绍压裂工艺的应用状况及自主式电子压力计在压裂作业过程中的 作用。 ( 2 ) 对压裂用自主式井下电子压力计系统进行总体设计。从方案的选择、设计指标 及关键的技术难点三方面着手，确定了系统的总体方案，即：将压裂用自主式井下电子压 力计系统分成井下仪器部分与地面回放系统两个子系统，为了操作方便，设计的接口采用 u s b 或r s 2 3 2 ( 计算机) _ r s 2 3 2