油氣井射孔壓裂壓力測試系統的設計

錢大偉　張曉東　孫明

摘 要：在石油開采中，需要對井下壓力變化情況進行準確測量，以優化射孔工藝，提高油氣資源的產量。傳統機械式壓力計精度、靈活性及智能化水平較低，因此，本文設計了一種電子壓力計，希望能提高油氣井壓力測量的精度，為工藝改進提供可靠數據支撐。

關鍵詞：油氣井；射孔工藝；壓力測試

1 概述

電子壓力計相對于傳統的機械式壓力計具有精確度高、靈活性好和智能化優點，因此更適合應用于石油煤層氣開采領域的壓力測試。電子式壓力計的研究和使用，可為研究油氣井射孔壓裂動態參數、優化射孔工藝，進一步完善藏氣層開裂機理，提高我國能源企業的產量提供有利的數據支撐。

2 油氣井壓力測試系統的設計

2.1 環境及功能分析 油井壓力測試系統總體設計之前，需要對被測對象的環境和信號特點進行全面分析：

2.1.1 使用環境分析。對壓力測試系統設計而言，首要問題是明確測試要求和測試環境，也就是儀器功能以及工作環境，因此，環境影響因素的分析是確保壓力測試系統精度，保障儀器功能有效發揮的前提。井下環境主要表現在壓力、溫度和沖擊三個方面。

首先，壓力環境可分為靜壓和動壓兩種。液體、地層和上覆巖層壓力共同組成了靜壓，三種作用力分別與液體密度、下井垂直高度、巖石密度、孔隙大小以及沉積環境有關，一般井下壓力梯度可達到0.01MPa/m。動壓是指射孔壓裂起爆瞬間，由于井內氣體溫度急劇升高而產生的壓力，動壓值大小在30MPa-200MPa之間，具體則由射孔彈的數量和射孔方式決定。動壓上升瞬間完成，而高壓持續時間也不足1s；壓力測試系統的主要功能是采集下井過程中靜壓的變化情況以及射孔壓裂后產生的動態壓力變化曲線。其次，溫度環境。地層溫度隨地層深度的增加而升高，增加幅度為每下降100m，則溫度升高1-3℃，溫度過高，會影響測試系統的電路性能。

綜上所述，測試儀器外部機械結構應滿足以下特點：體積小、耐高壓、耐高溫、耐沖擊、密封性強、操作簡單、可靠性高。

2.1.2 功能設計。壓力測試儀器需要記錄射孔工藝過程中的地面靜壓，下井、定位、射孔壓裂、壓力恢復多個過程的壓力變化曲線，需要測試系統具有智能化的采樣功能；射孔時壓力上升時間短，需要系統具有高速采樣功能；測試時間長，需要系統具有大存儲容量、低能耗、智能控制的功能；測試過程無法人工引線，需要系統具有高效的信號捕捉功能；測試環境惡劣，對傳感器和電子器件的性能要求較高，且需要可靠的灌封緩沖工藝；測試系統工作模式、采集結束回收后需要設計相應的軟件，實現參數設定、數據回放分析等功能。

2.2 壓力測試系統組成及原理 壓力測試系統由上位機、壓力傳感器、測試電路模塊、高強度機械殼體以及高溫電池等組成。系統工作參數的設定、回讀分析儀器中的數據功能主要由上位機（PC）中軟件實現；壓力傳感器是系統工作的關鍵部件，能對待測環境中的物理量進行測量，同時將所得壓力信號轉化為電信號；壓力傳感器測量信號存儲在測試電路模塊中，該模塊包括模擬電路、數字電路和接口電路。模塊電路主要負責將壓力傳感器輸出的信號進行放大處理，然后傳遞給A/D變換器；數字電路的功能則是將變換后的信號采集編碼存儲到存儲器中；接口電路則與上位機連接通信，設定系統參數、數據回讀；測試系統能在井下惡劣環境中完成工作，主要是由于高強度機械殼體具有強化緩沖隔熱功能。各部分結構關系如圖1所示。

2.3 壓力測試系統狀態流程設計 狀態網絡設計不僅是系統靈活性、適應性、高性能實現的基礎，還能有效縮短研發周期，減少由于環節漏洞導致的返工問題。常規存儲測試系統的狀態鏈為低功耗待機狀態→采集存儲態→信息保存態→數據讀出態；本文設計油氣井壓力測試系統時，利用常規測試系統的狀態鏈，然后結合具體的運行工況進行調整和優化，設計出如下狀態流程：低能耗待機狀態→參數設定態→啟動休眠態→待觸發高速采低速存態→觸發態（高速采高速存）→中速采樣→數據保持態→讀數狀態（或恢復到低能耗待機態）。

2.4 系統硬件設計 油氣井壓力測試系統是面向油井射孔壓力和煤層氣井高能氣體壓裂的一種測試儀器，該儀器的運行環境較為惡劣，對系統組成設備的性能要求較高。壓力測試系統的測量結果能為射孔器的優化提供數據參考，因此采取有效措施，提高系統硬件設備的運行性能，確保測量結果的可靠性具有十分重要的意義。在對油氣井壓力測試技術運行環境進行分析的基礎上，設計出了具有存儲容量大、能耗低、體積小、功能靈活等特點的測試系統，該系統硬件結構如圖2所示。

2.5 設計過程中其他注意事項 在設計過程中，存儲測試系統的有效待寬應與信號源的有效帶寬匹配；模擬電路設計時則要注意適配電路的設計、模擬信號是否需要經過濾波、環境或電源變化對測量精度的影響；數字電路設計時則要對主控芯片、觸發技術、負延遲技術、變頻采樣技術進行科學選擇；測試系統的柔性設計時，應提前規劃預留功能，延長測試系統的使用壽命。

3 結語

油氣井射孔壓裂測試系統設計時，首先需要對儀器的運行環境和功能進行分析，在此基礎上選擇和優化系統工作原理及各部分組成，同時對系統工作流程進行合理設計。測試系統的設計只是第一步，要實現系統的應用，還需要對系統的各項性能進行進一步的試驗，以確保系統能夠符合惡劣環境下的物理量的準確測量，為油田企業開采工藝的改進提供準確的數據支撐。

參考文獻：

[1]肖文聰.油氣井射孔壓裂壓力測試系統的設計與研究[D].中北大學，2015.

[2]張杰.石油井下測試系統的研究及數據處理[D].中北大學，2008.

[3]劉合，王峰，王毓才，高揚，成建龍.現代油氣井射孔技術發展現狀與展望[J].石油勘探與開發，2014，06：731-737.

[4]趙純.微功耗小體積石油井下壓力測試系統研究[D].中北大學，2009.