直读验封仪中压力计的校准研究

韩建龙

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163513)

0 引 言

分层注入管柱封隔器密封与否对注入效果至关重要，随着井下仪器直读存储技术的发展，钢丝验封工艺逐渐被电缆直读验封工艺取代[1-3]。直读验封仪包含了机械式密封段和验封压力计的所有功能，并增加了磁定位、数据传输和电机控制3种模块，磁定位模块实现仪器辅助定位功能；数据传输模块具有解码、编码和发码作用，实现了直读功能，可实时观测到验封的效果；电机控制模块实现地面控制定位臂张开和收起以及皮碗的座封和解封，施工效率高、成功率高，因此直读验封仪在油田被大规模推广应用[4-8]。目前存储式压力计校准执行行业标准[9-10]，刻度方程为多温度补偿模型[11-12]。直读测井仪压力参数校准执行企业标准，刻度模型使用直线方程。利用现有的井下压力计校准装置如何校准直读验封仪，压力校准是采用存储压力计校准方式还是直读压力计校准方式？能否实现直读验封仪校准，对其量值有效传递和计量标准统一具有至关重要的作用。

1 直读验封仪的原理和结构

1.1 技术参数

YFL-ZDP-S型直读验封仪主要技术参数包括：1)压力测量范围：0～60 MPa ；2)工作温度：-40～150 ℃；3)压力测量精度：±0.1%；4)温度测量精度：±0.5 ℃；5)仪器外径：42 mm；6)仪器总长度：1 489 mm；7)压力传感器类型：薄膜压力传感器或石英压力传感器。

由于单晶硅或石英的温度特性可知，压力精度达到0.1级，压力校准必须进行温度补偿。但是直读验封仪的长度大于压力计校准装置恒温箱的内部净高度(恒温箱尺寸280 mm×490 mm×1 000 mm)，所以将直读验封仪整体放置于压力计校准装置恒温箱内按直读测井仪校准是不可能的。

1.2 工作原理

直读验封仪工作原理如图1所示。直读验封仪具有直读和存储2种工作模式，现场测试采用直读工作模式，存储工作模式为直读验封仪校准提供了途径。直读验封仪按照存储式井下压力计校准方法校准。图1虚框内为压力计部分，可拆卸和独立工作，数据存储在存储器，组装在验封仪中，主控单片机控制工作模式。

图1 直读验封仪工作原理图

1.3 结构

目前直读验封仪有同心和偏心结构，两者结构类似。偏心直读验封仪结构如图2所示，由具体结构可知，直读验封仪的压力计总成(如图3所示，以下简称压力计)整体安装在验封仪内部，传感器一端螺纹为M18×1.5的外螺纹，结构与双通道堵塞压力计[13]相似，区别是没有电路护筒和电池，可方便整体拆卸，这为校准直读验封仪提供了可能性。压力计另一端为雷莫插座，与直读短节的雷莫插头连接，如果定制与直读短节的雷莫插头定义相同的电池，压力计就可以在存储模式下工作。

1—上堵头；2—转换短接；3—香蕉插座；4—遥测定位及控制电路总成；5—磁定位传感器总成；6—遥测定位短节护筒；7—电机及减速机构总成；8—联轴器及丝杠总成；9—电机及传动总成护筒；10—传动及行程控制总成；11—动密封短接；12—动密封短接13—压力计总成；14—连杆推杆总成；15—密封段总成；16—定位爪总成；17—下堵头

图3 直读验封仪压力计结构图

通过以上分析，依据SY/T 6640—2012按照存储式双通道堵塞压力计校准方法校准直读验封仪完全可以实现。

2 直读验封仪校准的实现

2.1 建立压力刻度模型

目前双通道堵塞压力计刻度模型[11]中待定系数太多，求解困难，必须编程才能实现，温度补偿采用工程值。因此建立新压力刻度模型，依据压力传感器的温度特性点，将整个温度测量范围分为3～5段，采用多温度分段拟合。

Pc=k0+k1×P

(1)

k0=b0+b1×T

(2)

k1=c0+c1×T

(3)

Pc=b0+b1×T+c0×P+c1×P×T

(4)

式中：Pc为压力(工程值)，MPa；T为温度计数(原始值)，Hz；P为压力计数(原始值)，Hz；b0、b1、c0、c1为待定系数。

将(2)、(3)式代入(1)式得式(4)。

新模型待定系数少，求解方便，温度补偿采用工程值。采用新的压力刻度数学模型，对直读验封仪进行刻度。

2.2 校准工装设计

通过结构和工作原理分析可知，虽然结构与双通道堵塞压力计相似，但直读验封仪的压力计没有电路护筒和电池护筒，不能直接放入堵塞压力计的校准工作筒，必须设计新的工装进行加压。设计的关键是必须使直读验封仪电子压力计的双探头全部浸在传压介质当中，电路和电池部分外露，这要求安装电子压力计的螺纹净长为28 mm，螺纹前端的内径大于Φ18 mm，设计为Φ18.5 mm；传压筒净深大于等于35 mm，设计为40 mm，设计图如图4所示。校准工装传压筒下端通过M32×1.5的螺纹连接在井下压力计校准装置恒温箱的传压管线校准接头上。加压时，传压介质变压器油从内径6 mm通道进入并溢满校准工装传压筒，压力计M18×1.5螺纹端从校准工装接头内径18.5 mm一端装入，与校准工装接头M18×1.5的螺纹连接，然后压力计浸入校准工装传压筒，与校准工装接头通过M32×1.5螺纹连接。

图4 校准工装设计图纸

2.3 定制锂电池

按表1雷莫端子的定义定制雷莫插头，并定制耐温150 ℃、3.9 V、3 500 mAh锂电池，将雷莫插头与锂电池焊接并封装。

表1 ERN.1D.694.CNA雷莫端子定义

2.4 加温加压校准

2.4.1 校准方案

校准设备：DTYJ-2010型井下压力计校准装置，温度测量范围：(-70～300)℃，精度：±0.2 ℃；压力测量范围：(0～60)MPa，精度：±0.02%。

校准环境：环境温度20 ℃，环境湿度为46%RH。

校准项目：示值误差、回程误差。

校准温度：20、50、80 ℃，校准压力点为0、6.4、12.5、18.6、24.5、30 MPa。

直读验封仪：编号ST30197。

2.4.2 加温加压校准和现场应用

1)压力计拆卸后，设置直读验封仪压力计采样时间，把仪器的采样间隔设置为3 s，这样可在每个压力台阶上采样到足够的数据。

2)设置25、50、75、100、110、125和150 ℃一共7个温度点，分为6个温度段。加温加压刻度压力计，循环次数为1次。直读验封仪刻度结果拟合系数见表2，将刻度结果写入压力计。

表2 分段拟合待定系数

3)设置校准点和循环次数。为保证仪器精度，在压力计的工作温度范围内，选20、50、80 ℃3个校准温度点，校准压力点为0、6.4、12.5、18.6、24.5、30 MPa。循环次数为3次，恒温时间为1 h。

4)安装直读验封仪压力计。井下压力计校准装置排空后，将压力计安装在校准工装上。

5)加温加压校准。启动井下压力计校准装置自动模式，依据SY/T 6640—2012校准方法要求，采用式(4)数学模型按存储式电子压力计的校准方法对直读验封仪进行加温加压校准。ST30197测试油管压力校准结果如图5所示，表3为50 ℃时示值误差和回程误差校准数据。

图5 ST30197测试油管压力校准曲线

表3 ST30197示值误差和回程误差校准数据(50 ℃)

5)由表3可知，50 ℃时，ST30197油管压力最大示值误差为0.026 MPa，回程误差为0.026 MPa。该仪器的精度为0.1%，以本次校准上限30 MPa计算，最大允许误差为0.03 MPa，因此ST30197油管压力采用多温度分段拟合校准在50 ℃时示值误差和回程误差均合格。同理，20、80 ℃时，ST30197油管压力采用多温度分段拟合校准示值误差和回程误差合格。同样ST30197的地层压力采用多温度分段拟合校准示值误差和回程误差也合格。

6)应用该方案从2015年初至2020年5月累计校准直读验封仪200支次，校准结果合格。2020年5月先后校准直读验封仪10支次，校准结果见表4所示，校准结果合格。

表4 2020年5月直读验封仪校准结果

7)现场测试应用，将校准结果合格的ST30197直读验封仪在井杏11-1-W242进行验封测试。通过测试软件实时观测，查看其结果如图6所示。从测试曲线可以看出，该井密封情况良好。通过验证，该测试结果正确。

图6 杏11-1-W242井验封曲线

3 结 论

1)直读验封仪的存储工作模式、压力计与双通道堵塞压力计相似，可整体安装拆卸的结构以及雷莫端子连接方式为直读验封仪校准提供了可能性。

2)依据SY/T 6640—2012标准，采用新压力刻度模型按照存储式双通道堵塞压力计校准直读验封仪的方案是可行的，校准结果合格。