石油井下射孔压力信息获取系统的设计与研究
发布时间：2014-09-28 18:08
【摘要】 我国目前可开采的油田大多进入出油率下降的衰减期，深钻开采增加了石油开采的难度，但是技术的进步已经弥补了深钻开采的需要。井下动态环境特别是压力信号的测试可以为深钻开采提供重要的信息，降低石油开采的成本。文章以存储测试理论为指导，研究设计了一种井下动态压力测试系统，该系统可以用于井下射孔技术、高能气体压裂技术和爆燃技术的动态压力信号，为油田的开发和石油的开采提供可靠的信息。同时，系统还可以用于煤层气射孔、地质钻探等方面的测试。我们充分了解井下射孔环境和射孔原理，介绍了存储测试理论、采样策略理论以后，对井下动态压力测试系统的总体方案、状态流程和微体积微功耗进行了设计。系统硬件电路设计时，重点介绍了压力传感器的选型、放大电路设计、数字采集存储电路设计以及使用FIFO芯片实现负延时电路和内触发电路的设计。针对井下高温、高压、高冲击的恶劣环境，我们提出了对测试系统进行灌封保护，并选择真空灌封技术和环氧树脂作为灌封材料。我们还对测试仪器进行了准静态校准和模拟井下温度压力环境校准，并标定出测试系统的灵敏度系数，研究了压力传感器的加速度效应，还分析了测试系统的不确定度。上述设计和技术的实现，使得测试系统的可靠性、安全性和准确性都有了很大的提高。文章最后还提出了系统设计上的不足。
1 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
射孔技术是通过专用射孔器内炸药的燃烧产生的高能气体和高速金属流射穿水泥环、套管及岩石层，打通并建立油层与井筒内的通道，使石油流入井内的工艺过程。射孔过程中炸药燃烧产生高能气体压力脉冲压裂地层，形成多条连通油井与地层的径向裂缝，从而达到油气田增产的效果[8,9,10]。射孔完井技术的效果直接关系到油气田井的产量，如果射孔工艺使用不当很有可能导致油田减产甚至报废，大量投入白白浪费。在几千米深的石油井下，射孔过程中压力-时间的变化曲线是炸药燃烧，地层开裂等过程的最直接并几乎是唯一的表征量[11,12,13]。
1.2 井下压力信息获取系统国内外研究现状
斯伦贝谢(Schlumberger)成立于1927年，是全球最大的油田技术服务公司，斯伦贝谢公司为整个石油行业提供服务，如地震数据采集和处理、地层评价、测井、定向钻井、固井和刺激、人工举升、完井、流量保证和咨询服务、以及软件和信息管理。MemoryPSPlatform(如图1.1)是斯伦贝谢开发的用于测试井下环境参数的仪器，它的最大压力测试可达 103.5Mpa，工作温度高达 150℃(特殊封装可达 190℃)，可供选择的采样速率有10Sa/s、2 Sa/s、1 Sa/s 和0.25 Sa/s，在 2 Sa/s 的采样速率下仪器可连续工作 100 小时以上，存储容量32MB；仪器的尺寸为Φ43mm×(4.11m~12.12m)其中，最大长度 12.12m，最小长度 4.11m。PANEX 一直在设计和生产自己的专利传感器技术近 40年。PANEX推出了两种井下压力计：AMRO(存储器读出)式压力计和DSRO(地面直读)式压力计。其中，Model6575 DSRO(如图 1.6)是一种石英数字可寻址地面直读压力/温度测试仪，探头基于一个石英谐振传感器，便于信号处理的数字信号传输和消除长电缆噪声的影响。其尺寸Φ32.5mm×81.3cm；工作温度范围-20℃~175℃，最大测试电压范围是 0~140Mpa；系统总压力精度是满量程的 0.02%，压力分辨率为0.01psi。
.............
2 井下射孔压力信息获取系统总体设计
2.1 测试对象的特点及测试要求
射孔工艺就是采用专用的聚能器材在井眼预定层位射穿套管及水泥环，建立地层与井筒之间的连通渠道，以促使储层流体进入井筒的工艺过程（如图2.1）。自从 Mohaupt 和 R.H.Melemore 等开发了油气井聚能射孔弹，聚能射孔弹以其穿透力强，效率高的特点，使得聚能射孔技术在石油工业中得到了迅速发展[16]。大多数油田普遍采用聚能射孔器材，在射孔的历史上曾经使用过子弹式射孔器，在国外有些大型石油公司采用的还有水流射孔器。
2.2 测试系统设计理论
具体的实体系统是多种多样的，不同的实体系统设计的要求有所不同。但是，测试系统设计的组成一般都分为硬件设计和软件设计两部分，因此，一般测试系统设计应当遵循相同的基本原则。下面我们从硬件和软件设计两个方面介绍测试系统设计的一些基本原则[20]。1、硬件设计应当遵循的基本原则有（1）安全可靠，这是硬件设计是需要考虑的一个重要的原则。测试系统在测试环境中能够正常、可靠、稳定的工作。（2）经济合理，性价比高，这是硬件设计应当同时考虑的一个原则。（3）测试系统要有很强的抗干扰的能力。2、软件设计应当遵循的基本原则有：结构合理；可读性强；执行的速度高；必要的部分要在后面给出程序注释等等。
3 井下射孔压力信息获取系统电路设计................20
3.1 系统介绍及主要性能指标........................................21
3.2 模拟电路设计........................22
4 井下射孔压力信息获取系统可信度研究3...........8
4.1 落锤脉冲发生装置的静态校准.........................................39
4.1.1 落锤校准装置介绍................................39
5 井下实测数据分析及射孔机理研究...........................61
5.1 多级脉冲射孔实测数据分析........................61
5.1.1多级脉冲射孔实测数据分析......................................61
5.1.2 动态负压射孔的实测数据分析..................................62
5 井下实测数据分析及射孔机理研究
5.1 多级脉冲射孔实测数据分析
多级脉冲射孔技术主要通过多种组分的火药分层次的燃烧，产生的高温高压气体以冲击加载的形式沿射孔孔道挤压冲击地层，使射孔孔道以裂缝的形式延伸扩展，并通过反复加载、使射孔后的孔道与天然裂缝沟通，同时高温高压气体携带耐高温支撑剂进入地层裂缝中，阻止了地层裂缝的闭合。喷流的射孔是靠高压来完成的。这个压力的大小与固态的金属碎屑或粉末状的金属离子流有关，同时还取决于聚能罩的类型。温度和爆炸气体对穿透过程不起作用。最简单的聚能罩穿透理论认为喷流和岩石都可以看作流体，Bernolli的流体动力学理论描述了喷流和岩石间的相互作用，并指出致密的、长的喷流可以增加其穿透深度。对飞啦伸的、高速的、连续的粉末状金属粒子流。
5.2 射孔的基本原理分析
射孔时，导爆索内的震动快速引爆射孔弹内的主炸药，主炸药燃烧形成的爆轰波以350KPa 的压力和近 7850m/s 的速度作用在聚能罩上，使聚能罩上的内外层分离金属流动，最后形成高速流动的细粒针状的金属粒子流。如图 5.5 给出了射孔弹产生聚能喷流的示意图。聚能喷流形成以后，经过一段距离的运动，然后撞击靶板，进入穿靶阶段。由前述可见，聚能喷流是一种高速运动的金属粒子流，它可以被看作为一个高速运动并迅速拉伸的钻杆，在 100 千兆帕的压力冲击目标靶（套管、水泥环和地层），目标物质抗拒不住这种具有巨大压力的喷流，在冲击点处产生塑性流动，目标物质在径向上流动形成孔道，喷流连续穿透目标物质，直到气压力不能克服目标物质的强度为止。
.............
6 结论
文章主要研究的内容是结合井下测试环境和存储测试理论设计井下射孔压力信息获取系统，对系统的总体方案和状态流程图进行了设计，同时，从新设计了仪器的小体积结构和低功耗模式，使仪器更加符合存储测试的原则。硬件电路设计时选用了超低功耗的 MSP430 单片机作主控芯片，符合低功耗设计的原则，软件功能的重新分配是软件设计结构更加合理。通过系统的静态校准得到了系统的灵敏度系数，从模拟油井动态校准和传感器加速度效应等方面对系统的可信度进行了研究，分析了系统不确定度。对考虑到测试环境的复杂性，我们研究了系统高温、高冲击下的可靠性，例如，真空灌封技术等。测试仪器设计完成以后在新疆克拉玛依油田和甘肃长庆油田中成功的测到压力数据，对测试数据的分析可以为研究射孔技术提供参考信息。
..............
参考文献：
- [1] 崔亮飞. 新概念动态测试系统的微功耗、小体积技术研究[J]. 仪表技术. 2010(10)
- [2] 巩林萍,靳鸿,祖静. 基于CPLD的多次重触发存储测试系统设计[J]. 电子设计工程. 2009(12)
- [3] 崔春生,马铁华,裴东兴,沈大伟. 模拟油井校准系统原理及应用[J]. 中国测试技术. 2007(06)
- [4] 赵恒,曾永清,段永刚,侯蓓蓓. 国内主要射孔技术介绍[J]. 天然气勘探与开发. 2007(02)
- [5] 崔春生,马铁华,裴东兴. 新一代石油井下测试仪多采样策略研究[J]. 中国测试技术. 2007(02)
- [6] 张毅冰. 我国仪器仪表产业现状和亟待解决的问题[J]. 决策探索(下半月). 2007(02)
- [7] 林勇. 工业控制用4～20mA电流变送器[J]. 电子元器件应用. 2006(07)
- [8] 张国按,孙志明. 高能复合射孔(FracGun)在国外A油田的应用[J]. 石油钻探技术. 2006(01)
- [9] 张拥军,杨军,茆邦琴,胡晨. 动态时钟配置下的SoC低功耗管理[J]. 单片机与嵌入式系统应用. 2004(04)
- [10] 姚素芬,只德瑞. 智能型压力测试装置的研制[J]. 仪表技术与传感器. 1997(06)
本文编号：9352
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/shuoshibiyelunwen/9352.html
