射孔压力测试系统的研究

肖文聪，马铁华，崔春生，艾　良

(1．中北大学，电子测试技术国家重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室　山西太原　030051；2．友华通信设计院，浙江杭州　310012)

0　引言

射孔压力存储测试仪(以下简称测试仪)用于自动测取油气田开采过程中射孔枪下井、射孔和压裂恢复整个施工过程的压力数据，为高质量打开油气层，进一步研究射孔工艺机理提供理论依据[1-3]。它主要由压阻式压力传感器，数据采集存储电路，电源及高强度壳体组成。

1　测试仪需满足的测试要求

简单来说就是要所设计的仪器必须能够在高温、高压、高冲击的油井中安全、可靠的取得射孔压裂数据。系统设计框图如图1所示。

图1　测试仪的系统设计框图

(1)传感器须能承受高温、高压、高冲击的恶劣环境，且其工作频带需覆盖被测信号(射孔压力信号)的有效带宽，保证测试系统的测试精度。

(2)测试电路模块必须能在以上所说的恶劣环境下正常工作，且能根据下井过程自动完成自适应采样。

(3)电源模块的可靠性和有效利用率是测试系统的能源基础。

(4)机械装置能耐高温、高压、高冲击，且装配简单，可操作性好，整个系统必须具有良好多密封性，防止井下的液体进入电路，造成损坏。

2　系统关键可行性方案设计

实现动态参数存储测试的技术关键在于研制能够在被测环境内正常工作，对被测对象工作无影响或影响在允许范围内的数据采集与存储的测试系统[4]。由于测试系统必须被放置到被测环境中，所以对测试系统提出了苛刻的要求。

2．1传感器的选择

根据被测压力信号的特点是上升沿陡、脉宽较窄、峰值较大，要求传感器工作频带覆盖被测信号的有效带宽，满足一定的灵敏度要求、环境温度、抗冲击性能要求等等。射孔和压裂过程中的压力信号是爆炸冲击形成的脉冲信号，根据傅氏级数分析可知，脉冲信号的频率范围较宽，由以下经验公式确定[5]：

(1)

式中T为冲击波脉宽。

对已有数据分析可知火药燃烧冲击波脉宽为ms级的，由此可确定频响集中在8 Hz～10 kHz，经过比较选定了HKM-375M-20000A型压阻式压力传感器。该传感器量程高、耐高温、可抗高冲击、动态性能良好，其主要性能指标为见表1。

表1　传感器性能指标

2．2电路模块关键设计

由于整个采样过程是非常复杂的，实时调整采样频率及触发点的判断是完整记录一条射孔、压裂压力变化曲线的关键。系统实现自适应采样策略以“低速(1 Hz)-高速(125 kHz)-中速(500 Hz)”的方式采集数据，根据下井及射孔过程的特点，利用MCU中断控制与负延时技术相结合，实现系统的变频采样[6]。变频采样实现原理见图2。

图2　变频采样实现原理图

利用单片机内部12位A/D采集，单片FIFO实现负延时1K存储空间，FIFO是先进先出的特殊存储器，确保记录射孔触发完整信号，TA 中断控制着 A/D 的采样频率，TB控制从 FIFO 起始地址写入Flash存储器的速度，比较器同时接收由FIFO经D/A转换的模拟量以及信号源，通过比较确定下井状态及触发信号，从而控制TA的采样频率。

2．3电源模块的低功耗设计

由于存储测试过程复杂，在选用油井专用的高温锂-亚硫酰氯电池的基础上采用分时/分区电源设计方法实现系统低功耗。主要依靠“开关”管理芯片及MCU自身活动状态转变实现。原理如图3所示。

图3　低功耗策略原理图

2．4测试仪可靠性防护

为实现恶劣环境下压力数据的可靠存储，提高系统整体的抗高冲击、密封性能是前提。课题组经多年经验，选取环氧树脂 5010-2%高温材料采用真空灌封技术，该材料具有高粘结性、膨胀系数小、高绝缘阻抗、耐高低温等优点，实际测试表明满足测试仪需要。另外，为满足测试系统密封要求，在所有具有螺纹的地方都添加两道高温含氟密封O型圈，能有效地防止液体进入壳体内部，保障测试系统的正常工作。

3　实测数据

目前，此存储测试系统已广泛应用于大庆、辽河、长庆、玉门等油田，图4为最新长庆油田实测数据。

图4　长庆油田射孔压裂实测数据

通过分析该曲线，可以得到如表2所示的数据分析结果。

表2　数据分析结果

5　结论

研究射孔压裂工艺对提高油田开发经济效益，提高石油采收率有着重要意义。根据井下高温、高压、高冲击的恶劣环境，对测试仪的关键技术进行研究，并分析实测数据，为开发适用不同井下环境的射孔压裂产品，加快射孔压裂技术的发展提供了可靠的研究手段和依据。

参考文献：

[1]SCHATZ，J F，ZEIGLER E J，BELLMAN R A，et al．Hart 1987．Prediction and interрretation of multiрle radial fracture stimulations．Final reрort for GRI Contract No．5084-213-1149，in рreрaration．

[2]崔春生．新型石油井下动态参数测试技术研究：[学位论文]．太原：中北大学，2007．

[3]赵慧武．石油井下压力测试系统及其动态不确定度研究：[学位论文]．太原：中北大学，2011．

[4]祖静．新概念动态测试．测试技术学报，2003，18(zk)．

[5]徐长福．火炮测试技术．北京：兵器工业出版社，1993：68-93．

[6]张文栋．存储测试系统的设计理论及其在导弹动态数据测试中的实现：[学位论文]．北京：北京理工大学，1995．

[7]何斌，徐锦，杨建．高g值加速度存储测试装置设计及实现．仪表技术与传感器，2011(11)：28-30．