石油井下射孔壓力信息獲取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究
發(fā)布時(shí)間：2014-09-28 18:08
【摘要】 我國(guó)目前可開(kāi)采的油田大多進(jìn)入出油率下降的衰減期，深鉆開(kāi)采增加了石油開(kāi)采的難度，但是技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)彌補(bǔ)了深鉆開(kāi)采的需要。井下動(dòng)態(tài)環(huán)境特別是壓力信號(hào)的測(cè)試可以為深鉆開(kāi)采提供重要的信息，降低石油開(kāi)采的成本。文章以存儲(chǔ)測(cè)試?yán)碚摓橹笇?dǎo)，研究設(shè)計(jì)了一種井下動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以用于井下射孔技術(shù)、高能氣體壓裂技術(shù)和爆燃技術(shù)的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)，為油田的開(kāi)發(fā)和石油的開(kāi)采提供可靠的信息。同時(shí)，系統(tǒng)還可以用于煤層氣射孔、地質(zhì)鉆探等方面的測(cè)試。我們充分了解井下射孔環(huán)境和射孔原理，介紹了存儲(chǔ)測(cè)試?yán)碚�、采樣策略理論以后，�?duì)井下動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)的總體方案、狀態(tài)流程和微體積微功耗進(jìn)行了設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)介紹了壓力傳感器的選型、放大電路設(shè)計(jì)、數(shù)字采集存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)以及使用FIFO芯片實(shí)現(xiàn)負(fù)延時(shí)電路和內(nèi)觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)。針對(duì)井下高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境，我們提出了對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行灌封保護(hù)，并選擇真空灌封技術(shù)和環(huán)氧樹(shù)脂作為灌封材料。我們還對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)和模擬井下溫度壓力環(huán)境校準(zhǔn)，并標(biāo)定出測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度系數(shù)，研究了壓力傳感器的加速度效應(yīng)，還分析了測(cè)試系統(tǒng)的不確定度。上述設(shè)計(jì)和技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，使得測(cè)試系統(tǒng)的可靠性、安全性和準(zhǔn)確性都有了很大的提高。文章最后還提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的不足。
【關(guān)鍵詞】 深鉆開(kāi)采； 存儲(chǔ)測(cè)試； 采樣策略； 灌封； 校準(zhǔn)；
1 緒論
1.1 課題研究的背景和意義
射孔技術(shù)是通過(guò)專用射孔器內(nèi)炸藥的燃燒產(chǎn)生的高能氣體和高速金屬流射穿水泥環(huán)、套管及巖石層，打通并建立油層與井筒內(nèi)的通道，使石油流入井內(nèi)的工藝過(guò)程。射孔過(guò)程中炸藥燃燒產(chǎn)生高能氣體壓力脈沖壓裂地層，形成多條連通油井與地層的徑向裂縫，從而達(dá)到油氣田增產(chǎn)的效果[8,9,10]。射孔完井技術(shù)的效果直接關(guān)系到油氣田井的產(chǎn)量，如果射孔工藝使用不當(dāng)很有可能導(dǎo)致油田減產(chǎn)甚至報(bào)廢，大量投入白白浪費(fèi)。在幾千米深的石油井下，射孔過(guò)程中壓力-時(shí)間的變化曲線是炸藥燃燒，地層開(kāi)裂等過(guò)程的最直接并幾乎是唯一的表征量[11,12,13]。
1.2 井下壓力信息獲取系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
斯倫貝謝(Schlumberger)成立于1927年，是全球最大的油田技術(shù)服務(wù)公司，斯倫貝謝公司為整個(gè)石油行業(yè)提供服務(wù)，如地震數(shù)據(jù)采集和處理、地層評(píng)價(jià)、測(cè)井、定向鉆井、固井和刺激、人工舉升、完井、流量保證和咨詢服務(wù)、以及軟件和信息管理。MemoryPSPlatform(如圖1.1)是斯倫貝謝開(kāi)發(fā)的用于測(cè)試井下環(huán)境參數(shù)的儀器，它的最大壓力測(cè)試可達(dá) 103.5Mpa，工作溫度高達(dá) 150℃(特殊封裝可達(dá) 190℃)，可供選擇的采樣速率有10Sa/s、2 Sa/s、1 Sa/s 和0.25 Sa/s，在 2 Sa/s 的采樣速率下儀器可連續(xù)工作 100 小時(shí)以上，存儲(chǔ)容量32MB；儀器的尺寸為Φ43mm×(4.11m~12.12m)其中，最大長(zhǎng)度 12.12m，最小長(zhǎng)度 4.11m。PANEX 一直在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)自己的專利傳感器技術(shù)近 40年。PANEX推出了兩種井下壓力計(jì)：AMRO(存儲(chǔ)器讀出)式壓力計(jì)和DSRO(地面直讀)式壓力計(jì)。其中，Model6575 DSRO(如圖 1.6)是一種石英數(shù)字可尋址地面直讀壓力/溫度測(cè)試儀，探頭基于一個(gè)石英諧振傳感器，便于信號(hào)處理的數(shù)字信號(hào)傳輸和消除長(zhǎng)電纜噪聲的影響。其尺寸Φ32.5mm×81.3cm；工作溫度范圍-20℃~175℃，最大測(cè)試電壓范圍是 0~140Mpa；系統(tǒng)總壓力精度是滿量程的 0.02%，壓力分辨率為0.01psi。
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2 井下射孔壓力信息獲取系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
2.1 測(cè)試對(duì)象的特點(diǎn)及測(cè)試要求
射孔工藝就是采用專用的聚能器材在井眼預(yù)定層位射穿套管及水泥環(huán)，建立地層與井筒之間的連通渠道，以促使儲(chǔ)層流體進(jìn)入井筒的工藝過(guò)程（如圖2.1）。自從 Mohaupt 和 R.H.Melemore 等開(kāi)發(fā)了油氣井聚能射孔彈，聚能射孔彈以其穿透力強(qiáng)，效率高的特點(diǎn)，使得聚能射孔技術(shù)在石油工業(yè)中得到了迅速發(fā)展[16]。大多數(shù)油田普遍采用聚能射孔器材，在射孔的歷史上曾經(jīng)使用過(guò)子彈式射孔器，在國(guó)外有些大型石油公司采用的還有水流射孔器。
2.2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論
具體的實(shí)體系統(tǒng)是多種多樣的，不同的實(shí)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求有所不同。但是，測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的組成一般都分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，因此，一般測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循相同的基本原則。下面我們從硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面介紹測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些基本原則[20]。1、硬件設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循的基本原則有（1）安全可靠，這是硬件設(shè)計(jì)是需要考慮的一個(gè)重要的原則。測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試環(huán)境中能夠正常、可靠、穩(wěn)定的工作。（2）經(jīng)濟(jì)合理，性價(jià)比高，這是硬件設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮的一個(gè)原則。（3）測(cè)試系統(tǒng)要有很強(qiáng)的抗干擾的能力。2、軟件設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循的基本原則有：結(jié)構(gòu)合理；可讀性強(qiáng)；執(zhí)行的速度高；必要的部分要在后面給出程序注釋等等。
3 井下射孔壓力信息獲取系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)................20
3.1 系統(tǒng)介紹及主要性能指標(biāo)........................................21
3.2 模擬電路設(shè)計(jì)........................22
4 井下射孔壓力信息獲取系統(tǒng)可信度研究3...........8
4.1 落錘脈沖發(fā)生裝置的靜態(tài)校準(zhǔn).........................................39
4.1.1 落錘校準(zhǔn)裝置介紹................................39
5 井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析及射孔機(jī)理研究...........................61
5.1 多級(jí)脈沖射孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析........................61
5.1.1多級(jí)脈沖射孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析......................................61
5.1.2 動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析..................................62
5 井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析及射孔機(jī)理研究
5.1 多級(jí)脈沖射孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析
多級(jí)脈沖射孔技術(shù)主要通過(guò)多種組分的火藥分層次的燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓氣體以沖擊加載的形式沿射孔孔道擠壓沖擊地層，使射孔孔道以裂縫的形式延伸擴(kuò)展，并通過(guò)反復(fù)加載、使射孔后的孔道與天然裂縫溝通，同時(shí)高溫高壓氣體攜帶耐高溫支撐劑進(jìn)入地層裂縫中，阻止了地層裂縫的閉合。噴流的射孔是靠高壓來(lái)完成的。這個(gè)壓力的大小與固態(tài)的金屬碎屑或粉末狀的金屬離子流有關(guān)，同時(shí)還取決于聚能罩的類型。溫度和爆炸氣體對(duì)穿透過(guò)程不起作用。最簡(jiǎn)單的聚能罩穿透理論認(rèn)為噴流和巖石都可以看作流體，Bernolli的流體動(dòng)力學(xué)理論描述了噴流和巖石間的相互作用，并指出致密的、長(zhǎng)的噴流可以增加其穿透深度。對(duì)飛啦伸的、高速的、連續(xù)的粉末狀金屬粒子流。
5.2 射孔的基本原理分析
射孔時(shí)，導(dǎo)爆索內(nèi)的震動(dòng)快速引爆射孔彈內(nèi)的主炸藥，主炸藥燃燒形成的爆轟波以350KPa 的壓力和近 7850m/s 的速度作用在聚能罩上，使聚能罩上的內(nèi)外層分離金屬流動(dòng)，最后形成高速流動(dòng)的細(xì)粒針狀的金屬粒子流。如圖 5.5 給出了射孔彈產(chǎn)生聚能噴流的示意圖。聚能噴流形成以后，經(jīng)過(guò)一段距離的運(yùn)動(dòng)，然后撞擊靶板，進(jìn)入穿靶階段。由前述可見(jiàn)，聚能噴流是一種高速運(yùn)動(dòng)的金屬粒子流，它可以被看作為一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)并迅速拉伸的鉆桿，在 100 千兆帕的壓力沖擊目標(biāo)靶（套管、水泥環(huán)和地層），目標(biāo)物質(zhì)抗拒不住這種具有巨大壓力的噴流，在沖擊點(diǎn)處產(chǎn)生塑性流動(dòng)，目標(biāo)物質(zhì)在徑向上流動(dòng)形成孔道，噴流連續(xù)穿透目標(biāo)物質(zhì)，直到氣壓力不能克服目標(biāo)物質(zhì)的強(qiáng)度為止。
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6 結(jié)論
文章主要研究的內(nèi)容是結(jié)合井下測(cè)試環(huán)境和存儲(chǔ)測(cè)試?yán)碚撛O(shè)計(jì)井下射孔壓力信息獲取系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的總體方案和狀態(tài)流程圖進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)，從新設(shè)計(jì)了儀器的小體積結(jié)構(gòu)和低功耗模式，使儀器更加符合存儲(chǔ)測(cè)試的原則。硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)選用了超低功耗的 MSP430 單片機(jī)作主控芯片，符合低功耗設(shè)計(jì)的原則，軟件功能的重新分配是軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加合理。通過(guò)系統(tǒng)的靜態(tài)校準(zhǔn)得到了系統(tǒng)的靈敏度系數(shù)，從模擬油井動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)和傳感器加速度效應(yīng)等方面對(duì)系統(tǒng)的可信度進(jìn)行了研究，分析了系統(tǒng)不確定度。對(duì)考慮到測(cè)試環(huán)境的復(fù)雜性，我們研究了系統(tǒng)高溫、高沖擊下的可靠性，例如，真空灌封技術(shù)等。測(cè)試儀器設(shè)計(jì)完成以后在新疆克拉瑪依油田和甘肅長(zhǎng)慶油田中成功的測(cè)到壓力數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析可以為研究射孔技術(shù)提供參考信息。
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參考文獻(xiàn)：
- [1] 崔亮飛. 新概念動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的微功耗、小體積技術(shù)研究[J]. 儀表技術(shù). 2010(10)
- [2] 鞏林萍,靳鴻,祖靜. 基于CPLD的多次重觸發(fā)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程. 2009(12)
- [3] 崔春生,馬鐵華,裴東興,沈大偉. 模擬油井校準(zhǔn)系統(tǒng)原理及應(yīng)用[J]. 中國(guó)測(cè)試技術(shù). 2007(06)
- [4] 趙恒,曾永清,段永剛,侯蓓蓓. 國(guó)內(nèi)主要射孔技術(shù)介紹[J]. 天然氣勘探與開(kāi)發(fā). 2007(02)
- [5] 崔春生,馬鐵華,裴東興. 新一代石油井下測(cè)試儀多采樣策略研究[J]. 中國(guó)測(cè)試技術(shù). 2007(02)
- [6] 張毅冰. 我國(guó)儀器儀表產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和亟待解決的問(wèn)題[J]. 決策探索(下半月). 2007(02)
- [7] 林勇. 工業(yè)控制用4～20mA電流變送器[J]. 電子元器件應(yīng)用. 2006(07)
- [8] 張國(guó)按,孫志明. 高能復(fù)合射孔(FracGun)在國(guó)外A油田的應(yīng)用[J]. 石油鉆探技術(shù). 2006(01)
- [9] 張擁軍,楊軍,茆邦琴,胡晨. 動(dòng)態(tài)時(shí)鐘配置下的SoC低功耗管理[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用. 2004(04)
- [10] 姚素芬,只德瑞. 智能型壓力測(cè)試裝置的研制[J]. 儀表技術(shù)與傳感器. 1997(06)
本文編號(hào)：9352
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