油气井射孔压裂压力测试系统的设计

钱大伟　张晓东　孙明

摘 要：在石油开采中，需要对井下压力变化情况进行准确测量，以优化射孔工艺，提高油气资源的产量。传统机械式压力计精度、灵活性及智能化水平较低，因此，本文设计了一种电子压力计，希望能提高油气井压力测量的精度，为工艺改进提供可靠数据支撑。

关键词：油气井；射孔工艺；压力测试

1 概述

电子压力计相对于传统的机械式压力计具有精确度高、灵活性好和智能化优点，因此更适合应用于石油煤层气开采领域的压力测试。电子式压力计的研究和使用，可为研究油气井射孔压裂动态参数、优化射孔工艺，进一步完善藏气层开裂机理，提高我国能源企业的产量提供有利的数据支撑。

2 油气井压力测试系统的设计

2.1 环境及功能分析 油井压力测试系统总体设计之前，需要对被测对象的环境和信号特点进行全面分析：

2.1.1 使用环境分析。对压力测试系统设计而言，首要问题是明确测试要求和测试环境，也就是仪器功能以及工作环境，因此，环境影响因素的分析是确保压力测试系统精度，保障仪器功能有效发挥的前提。井下环境主要表现在压力、温度和冲击三个方面。

首先，压力环境可分为静压和动压两种。液体、地层和上覆岩层压力共同组成了静压，三种作用力分别与液体密度、下井垂直高度、岩石密度、孔隙大小以及沉积环境有关，一般井下压力梯度可达到0.01MPa/m。动压是指射孔压裂起爆瞬间，由于井内气体温度急剧升高而产生的压力，动压值大小在30MPa-200MPa之间，具体则由射孔弹的数量和射孔方式决定。动压上升瞬间完成，而高压持续时间也不足1s；压力测试系统的主要功能是采集下井过程中静压的变化情况以及射孔压裂后产生的动态压力变化曲线。其次，温度环境。地层温度随地层深度的增加而升高，增加幅度为每下降100m，则温度升高1-3℃，温度过高，会影响测试系统的电路性能。

综上所述，测试仪器外部机械结构应满足以下特点：体积小、耐高压、耐高温、耐冲击、密封性强、操作简单、可靠性高。

2.1.2 功能设计。压力测试仪器需要记录射孔工艺过程中的地面静压，下井、定位、射孔压裂、压力恢复多个过程的压力变化曲线，需要测试系统具有智能化的采样功能；射孔时压力上升时间短，需要系统具有高速采样功能；测试时间长，需要系统具有大存储容量、低能耗、智能控制的功能；测试过程无法人工引线，需要系统具有高效的信号捕捉功能；测试环境恶劣，对传感器和电子器件的性能要求较高，且需要可靠的灌封缓冲工艺；测试系统工作模式、采集结束回收后需要设计相应的软件，实现参数设定、数据回放分析等功能。

2.2 压力测试系统组成及原理 压力测试系统由上位机、压力传感器、测试电路模块、高强度机械壳体以及高温电池等组成。系统工作参数的设定、回读分析仪器中的数据功能主要由上位机（PC）中软件实现；压力传感器是系统工作的关键部件，能对待测环境中的物理量进行测量，同时将所得压力信号转化为电信号；压力传感器测量信号存储在测试电路模块中，该模块包括模拟电路、数字电路和接口电路。模块电路主要负责将压力传感器输出的信号进行放大处理，然后传递给A/D变换器；数字电路的功能则是将变换后的信号采集编码存储到存储器中；接口电路则与上位机连接通信，设定系统参数、数据回读；测试系统能在井下恶劣环境中完成工作，主要是由于高强度机械壳体具有强化缓冲隔热功能。各部分结构关系如图1所示。

2.3 压力测试系统状态流程设计 状态网络设计不仅是系统灵活性、适应性、高性能实现的基础，还能有效缩短研发周期，减少由于环节漏洞导致的返工问题。常规存储测试系统的状态链为低功耗待机状态→采集存储态→信息保存态→数据读出态；本文设计油气井压力测试系统时，利用常规测试系统的状态链，然后结合具体的运行工况进行调整和优化，设计出如下状态流程：低能耗待机状态→参数设定态→启动休眠态→待触发高速采低速存态→触发态（高速采高速存）→中速采样→数据保持态→读数状态（或恢复到低能耗待机态）。

2.4 系统硬件设计 油气井压力测试系统是面向油井射孔压力和煤层气井高能气体压裂的一种测试仪器，该仪器的运行环境较为恶劣，对系统组成设备的性能要求较高。压力测试系统的测量结果能为射孔器的优化提供数据参考，因此采取有效措施，提高系统硬件设备的运行性能，确保测量结果的可靠性具有十分重要的意义。在对油气井压力测试技术运行环境进行分析的基础上，设计出了具有存储容量大、能耗低、体积小、功能灵活等特点的测试系统，该系统硬件结构如图2所示。

2.5 设计过程中其他注意事项 在设计过程中，存储测试系统的有效待宽应与信号源的有效带宽匹配；模拟电路设计时则要注意适配电路的设计、模拟信号是否需要经过滤波、环境或电源变化对测量精度的影响；数字电路设计时则要对主控芯片、触发技术、负延迟技术、变频采样技术进行科学选择；测试系统的柔性设计时，应提前规划预留功能，延长测试系统的使用寿命。

3 结语

油气井射孔压裂测试系统设计时，首先需要对仪器的运行环境和功能进行分析，在此基础上选择和优化系统工作原理及各部分组成，同时对系统工作流程进行合理设计。测试系统的设计只是第一步，要实现系统的应用，还需要对系统的各项性能进行进一步的试验，以确保系统能够符合恶劣环境下的物理量的准确测量，为油田企业开采工艺的改进提供准确的数据支撑。

参考文献：

[1]肖文聪.油气井射孔压裂压力测试系统的设计与研究[D].中北大学，2015.

[2]张杰.石油井下测试系统的研究及数据处理[D].中北大学，2008.

[3]刘合，王峰，王毓才，高扬，成建龙.现代油气井射孔技术发展现状与展望[J].石油勘探与开发，2014，06：731-737.

[4]赵纯.微功耗小体积石油井下压力测试系统研究[D].中北大学，2009.