石油井下射孔壓力信息獲取系統(tǒng)的設(shè)計與研究
發(fā)布時間：2014-09-28 18:08
【摘要】 我國目前可開采的油田大多進入出油率下降的衰減期，深鉆開采增加了石油開采的難度，但是技術(shù)的進步已經(jīng)彌補了深鉆開采的需要。井下動態(tài)環(huán)境特別是壓力信號的測試可以為深鉆開采提供重要的信息，降低石油開采的成本。文章以存儲測試?yán)碚摓橹笇?dǎo)，研究設(shè)計了一種井下動態(tài)壓力測試系統(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)的動態(tài)壓力信號，為油田的開發(fā)和石油的開采提供可靠的信息。同時，系統(tǒng)還可以用于煤層氣射孔、地質(zhì)鉆探等方面的測試。我們充分了解井下射孔環(huán)境和射孔原理，介紹了存儲測試?yán)碚摗⒉蓸硬呗岳碚撘院�，對井下動態(tài)壓力測試系統(tǒng)的總體方案、狀態(tài)流程和微體積微功耗進行了設(shè)計。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計時，重點介紹了壓力傳感器的選型、放大電路設(shè)計、數(shù)字采集存儲電路設(shè)計以及使用FIFO芯片實現(xiàn)負(fù)延時電路和內(nèi)觸發(fā)電路的設(shè)計。針對井下高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境，我們提出了對測試系統(tǒng)進行灌封保護，并選擇真空灌封技術(shù)和環(huán)氧樹脂作為灌封材料。我們還對測試儀器進行了準(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)，還分析了測試系統(tǒng)的不確定度。上述設(shè)計和技術(shù)的實現(xiàn)，使得測試系統(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)計上的不足。
1 緒論
1.1 課題研究的背景和意義
射孔技術(shù)是通過專用射孔器內(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)的工藝過程。射孔過程中炸藥燃燒產(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)甚至報廢，大量投入白白浪費。在幾千米深的石油井下，射孔過程中壓力-時間的變化曲線是炸藥燃燒，地層開裂等過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、地層評價、測井、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)是斯倫貝謝開發(fā)的用于測試井下環(huán)境參數(shù)的儀器，它的最大壓力測試可達(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 小時以上，存儲容量32MB；儀器的尺寸為Φ43mm×(4.11m~12.12m)其中，最大長度 12.12m，最小長度 4.11m。PANEX 一直在設(shè)計和生產(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：AMRO(存儲器讀出)式壓力計和DSRO(地面直讀)式壓力計。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/溫度測試儀，探頭基于一個石英諧振傳感器，便于信號處理的數(shù)字信號傳輸和消除長電纜噪聲的影響。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
2.1 測試對象的特點及測試要求
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，以促使儲層流體進入井筒的工藝過程（如圖2.1）。自從 Mohaupt 和 R.H.Melemore 等開發(fā)了油氣井聚能射孔彈，聚能射孔彈以其穿透力強，效率高的特點，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)使用過子彈式射孔器，在國外有些大型石油公司采用的還有水流射孔器。
2.2 測試系統(tǒng)設(shè)計理論
具體的實體系統(tǒng)是多種多樣的，不同的實體系統(tǒng)設(shè)計的要求有所不同。但是，測試系統(tǒng)設(shè)計的組成一般都分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，因此，一般測試系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循相同的基本原則。下面我們從硬件和軟件設(shè)計兩個方面介紹測試系統(tǒng)設(shè)計的一些基本原則[20]。1、硬件設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循的基本原則有（1）安全可靠，這是硬件設(shè)計是需要考慮的一個重要的原則。測試系統(tǒng)在測試環(huán)境中能夠正常、可靠、穩(wěn)定的工作。（2）經(jīng)濟合理，性價比高，這是硬件設(shè)計應(yīng)當(dāng)同時考慮的一個原則。（3）測試系統(tǒng)要有很強的抗干擾的能力。2、軟件設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循的基本原則有：結(jié)構(gòu)合理；可讀性強；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................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........................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 井下實測數(shù)據(jù)分析及射孔機理研究...........................61
5.1 多級脈沖射孔實測數(shù)據(jù)分析........................61
5.1.1多級脈沖射孔實測數(shù)據(jù)分析......................................61
5.1.2 動態(tài)負(fù)壓射孔的實測數(shù)據(jù)分析..................................62
5 井下實測數(shù)據(jù)分析及射孔機理研究
5.1 多級脈沖射孔實測數(shù)據(jù)分析
多級脈沖射孔技術(shù)主要通過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展，并通過反復(fù)加載、使射孔后的孔道與天然裂縫溝通，同時高溫高壓氣體攜帶耐高溫支撐劑進入地層裂縫中，阻止了地層裂縫的閉合。噴流的射孔是靠高壓來完成的。這個壓力的大小與固態(tài)的金屬碎屑或粉末狀的金屬離子流有關(guān)，同時還取決于聚能罩的類型。溫度和爆炸氣體對穿透過程不起作用。最簡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、長的噴流可以增加其穿透深度。對飛啦伸的、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，導(dǎo)爆索內(nèi)的震動快速引爆射孔彈內(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，最后形成高速流動的細(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)過一段距離的運動，然后撞擊靶板，進入穿靶階段。由前述可見，聚能噴流是一種高速運動的金屬粒子流，它可以被看作為一個高速運動并迅速拉伸的鉆桿，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，在沖擊點處產(chǎn)生塑性流動，目標(biāo)物質(zhì)在徑向上流動形成孔道，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)合井下測試環(huán)境和存儲測試?yán)碚撛O(shè)計井下射孔壓力信息獲取系統(tǒng)，對系統(tǒng)的總體方案和狀態(tài)流程圖進行了設(shè)計，同時，從新設(shè)計了儀器的小體積結(jié)構(gòu)和低功耗模式，使儀器更加符合存儲測試的原則。硬件電路設(shè)計時選用了超低功耗的 MSP430 單片機作主控芯片，符合低功耗設(shè)計的原則，軟件功能的重新分配是軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)更加合理。通過系統(tǒng)的靜態(tài)校準(zhǔn)得到了系統(tǒng)的靈敏度系數(shù)，從模擬油井動態(tài)校準(zhǔn)和傳感器加速度效應(yīng)等方面對系統(tǒng)的可信度進行了研究，分析了系統(tǒng)不確定度。對考慮到測試環(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。測試儀器設(shè)計完成以后在新疆克拉瑪依油田和甘肅長慶油田中成功的測到壓力數(shù)據(jù)，對測試數(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. 新概念動態(tài)測試系統(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)存儲測試系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程. 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]. 中國測試技術(shù). 2007(06)
- [4] 趙恒,曾永清,段永剛,侯蓓蓓. 國內(nèi)主要射孔技術(shù)介紹[J]. 天然氣勘探與開發(fā). 2007(02)
- [5] 崔春生,馬鐵華,裴東興. 新一代石油井下測試儀多采樣策略研究[J]. 中國測試技術(shù). 2007(02)
- [6] 張毅冰. 我國儀器儀表產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和亟待解決的問題[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] 張國按,孫志明. 高能復(fù)合射孔(FracGun)在國外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. 動態(tài)時鐘配置下的SoC低功耗管理[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用. 2004(04)
- [10] 姚素芬,只德瑞. 智能型壓力測試裝置的研制[J]. 儀表技術(shù)與傳感器. 1997(06)
本文編號：9352
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