肖文聰，馬鐵華*，崔春生，岳掌寬，苗松珍(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原00051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原00051; .國(guó)網(wǎng)能源新疆準(zhǔn)東煤電有限公司，新疆昌吉65200;.中國(guó)人民解放軍第四三二八工廠，山西長(zhǎng)治06000)

自適應(yīng)隨動(dòng)觸發(fā)射孔壓力存儲(chǔ)測(cè)試方法*

肖文聰1，2，馬鐵華1，2*，崔春生1，2，岳掌寬3，苗松珍4
(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051; 3.國(guó)網(wǎng)能源新疆準(zhǔn)東煤電有限公司，新疆昌吉652300;4.中國(guó)人民解放軍第四三二八工廠，山西長(zhǎng)治046000)

針對(duì)前一代石油井下壓力測(cè)試系統(tǒng)中絕對(duì)壓力觸發(fā)方式穩(wěn)定性不高，觸發(fā)壓力選擇不靈活，受工藝差異影響較大，關(guān)鍵數(shù)據(jù)易丟失等問(wèn)題，提出了隨動(dòng)式觸發(fā)方式的存儲(chǔ)測(cè)試方法。該方法結(jié)合環(huán)空壓力變化的特點(diǎn)，采用A/D與D/A控制器實(shí)時(shí)更新當(dāng)前比較器壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬比較，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)隨動(dòng)觸發(fā)功能。分析與實(shí)踐表明:隨動(dòng)式觸發(fā)方式能靈活適應(yīng)不同射孔工藝捕捉瞬變壓力信號(hào)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有效提高了單次測(cè)試準(zhǔn)確觸發(fā)的可靠性。

自適應(yīng)隨動(dòng)觸發(fā);射孔壓裂;存儲(chǔ)測(cè)試;可靠性

射孔技術(shù)是利用火藥或推進(jìn)劑的燃燒產(chǎn)生高壓氣體脈沖壓裂地層，形成連通油氣井與地層的多個(gè)徑向裂縫，是有效的油氣田增產(chǎn)措施。油井測(cè)壓儀是用于自動(dòng)測(cè)取油氣田開(kāi)采過(guò)程中射孔槍下井、射孔和壓裂恢復(fù)整個(gè)施工過(guò)程關(guān)鍵壓力數(shù)據(jù)的專用儀器，為高質(zhì)量打開(kāi)油氣層，優(yōu)化新的施工設(shè)計(jì)，完善射孔器設(shè)計(jì)，進(jìn)一步研究射孔工藝提供研究依據(jù)［1-3］。

觸發(fā)技術(shù)是油井測(cè)壓儀中信息獲取的關(guān)鍵技術(shù)，合理的觸發(fā)方式能夠幫助我們可靠獲取關(guān)鍵信息，特別是針對(duì)射孔及高能氣體壓裂這樣單次性瞬變信號(hào)，且環(huán)境無(wú)法引線，對(duì)觸發(fā)技術(shù)的要求更高。當(dāng)觸發(fā)不準(zhǔn)確時(shí)，關(guān)鍵的脈沖壓力信號(hào)將會(huì)丟失。針對(duì)前一代油井測(cè)壓儀中絕對(duì)壓力觸發(fā)方式存在抗干擾能力差，穩(wěn)定性不高，受工藝和環(huán)境影響較大，容易在射孔脈沖壓力信號(hào)未到來(lái)之前誤觸發(fā)等缺陷。因此，提出了基于自適應(yīng)隨動(dòng)觸發(fā)方式的油井測(cè)壓儀設(shè)計(jì)。

1 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)測(cè)試與絕對(duì)壓力觸發(fā)方式

1.1 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)測(cè)試

石油井下射孔壓裂過(guò)程中存在高溫高壓高沖擊以及空間狹小復(fù)雜等惡劣環(huán)境。要在這樣惡劣的環(huán)境下保證測(cè)試儀器可靠工作，采用存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)具有很大的優(yōu)勢(shì)。存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)的工作原理為:將傳感器和外圍測(cè)試電路牢固放置在耐高溫耐腐蝕高強(qiáng)度的保護(hù)殼體內(nèi)，殼體與外界接觸面均通過(guò)螺紋和耐高溫O型圈密封咬合，只把傳感器的敏感面露出與被測(cè)信號(hào)直接接觸，這樣惡劣的工作環(huán)境就不會(huì)影響到測(cè)試電路的正常工作;然后將整個(gè)測(cè)試裝置直接放入測(cè)試環(huán)境或測(cè)試對(duì)象中，信號(hào)被實(shí)時(shí)記錄并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)，記錄完畢后回收測(cè)試裝備讀取數(shù)據(jù)［4-7］。存儲(chǔ)測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 存儲(chǔ)測(cè)試結(jié)構(gòu)框圖

1.2 絕對(duì)壓力觸發(fā)方式

在油井射孔壓裂存儲(chǔ)測(cè)試中，觸發(fā)技術(shù)是捕捉瞬變信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要求做到?jīng)]有來(lái)射孔信號(hào)時(shí)不能誤觸發(fā)，射孔信號(hào)到來(lái)時(shí)可靠觸發(fā)。前一代油井測(cè)試儀采用的是常用的絕對(duì)壓力觸發(fā)方式。

射孔彈起爆以后，內(nèi)部火炸藥迅速燃燒，井內(nèi)環(huán)空壓力劇增，見(jiàn)圖2。這樣就可以根據(jù)壓力脈沖的峰值設(shè)定一個(gè)觸發(fā)壓力，當(dāng)信號(hào)壓力超過(guò)該壓力時(shí)，電路進(jìn)入觸發(fā)狀態(tài)開(kāi)始高速采集［8］。圖2中P1即為設(shè)定的絕對(duì)觸發(fā)壓力。

圖2 絕對(duì)壓力觸發(fā)原理圖

但由于測(cè)試儀工作環(huán)境特殊，井深不同，水的靜壓會(huì)有很大差別［9］;下井過(guò)程較長(zhǎng)、環(huán)境惡劣，難免會(huì)有干擾毛刺或噪聲信號(hào)使儀器誤觸發(fā)。另外，實(shí)際操作時(shí)絕對(duì)壓力觸發(fā)方式并不能適用于所有施工工藝，工藝不同壓力傳感器感受到井中液體的環(huán)空壓力變化差別很大。具體而言，如采用電纜傳輸時(shí)，壓力上升和下降基本都是勻速的，壓力變化率約20 kPa/s，相對(duì)比較緩慢;使用TCP(油管傳輸)傳輸時(shí)，受到油管起下過(guò)程中在環(huán)空突然激起的準(zhǔn)靜態(tài)壓力會(huì)升高1 MPa～5 MPa，上升率約為0.2 MPa/s;油管傳輸?shù)教囟▽游?，根?jù)工藝的不同有可能會(huì)進(jìn)行加壓起爆等工藝，這個(gè)過(guò)程升壓速度比較慢，但升高的壓力會(huì)在靜壓的基礎(chǔ)上增加20 MPa～30 MPa。而復(fù)合射孔及高能氣體壓裂生成的動(dòng)態(tài)壓力與上述的信號(hào)相比，上升時(shí)間要快很多，約20μs～60μs，見(jiàn)圖3。但峰值壓力受很多因素的影響差別很大，一般比靜水壓高出10 MPa～70 MPa，比如動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔增加的動(dòng)態(tài)壓力10 MPa～12 MPa，只比油管激起的準(zhǔn)靜態(tài)壓力高幾個(gè)兆帕。綜上所述，環(huán)空中壓力變化很復(fù)雜的，觸發(fā)方式必須由復(fù)雜壓力變化中的起爆壓力特征決定，故特別設(shè)計(jì)隨動(dòng)觸發(fā)方式以保證觸發(fā)的可靠性。

圖3 環(huán)空壓力信號(hào)特征與隨動(dòng)觸發(fā)原理

2 自適應(yīng)隨動(dòng)觸發(fā)方式的油井測(cè)壓方法

壓力的相對(duì)變化率是爆炸信號(hào)獨(dú)特的特征，結(jié)合變化的差值能夠判斷起爆信號(hào)，將這種方法稱為隨動(dòng)觸發(fā)方法［9］。這種方法能夠適合多種井下復(fù)合射孔和高能氣體壓裂的施工工藝，其實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示。

圖4 隨動(dòng)觸發(fā)比較數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)Pt…Pt-Δt是在內(nèi)存空間開(kāi)辟的一組FIFO寄存器，采集的當(dāng)前數(shù)據(jù)Data in賦值給Pt，Pt的值賦給Pt-1，以此類推，Pt-Δt的數(shù)據(jù)丟棄不用。這樣形成一個(gè)按順序排列的，不斷更新的數(shù)據(jù)流。每一次更新數(shù)據(jù)后，都判斷Pt-Pt-Δt是否大于等于10 MPa，如果成立，繼續(xù)延遲20μs判斷，如果仍然成立，則認(rèn)為觸發(fā)信號(hào)到，否則不改變?cè)瓉?lái)狀態(tài)繼續(xù)等待觸發(fā)信號(hào)。Δt是2個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，一般取1 ms，可以認(rèn)為當(dāng)前數(shù)據(jù)一直在和Δt時(shí)間之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，而Pt-Pt-Δt是一個(gè)始終隨著井下過(guò)程變化的值。

具體硬件通過(guò)比較器、ADC、DAC精確配合實(shí)現(xiàn)。比較器輸入信號(hào)是經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換輸出的模擬信號(hào)和ADC12采樣前的模擬信號(hào)VINP。FIFO每1 ms更新一次DAC的輸入，每一次更新會(huì)在ADC12轉(zhuǎn)化的數(shù)字量基礎(chǔ)上加上一個(gè)可編程的量PΔt(10 MPa)。這樣，隨動(dòng)觸發(fā)電路會(huì)自動(dòng)的在采樣過(guò)程中尋找到在1 ms內(nèi)外界壓力變化超過(guò)PΔt的射孔信號(hào)，并且進(jìn)入比較器中斷將采樣狀態(tài)切換成觸發(fā)狀態(tài)。為了避免毛刺干擾引起的誤觸發(fā)，比較器中斷會(huì)延遲20μs再次判斷比較器的輸出CAOUT是否為1，如果不是將不改變采樣狀態(tài)。其原理框圖如圖5所示。

圖5 硬件實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)觸發(fā)原理圖

由于整個(gè)測(cè)試過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，下井階段不同數(shù)據(jù)特點(diǎn)也不同，為防止無(wú)用數(shù)據(jù)冗余，采樣策略及負(fù)延遲設(shè)計(jì)與觸發(fā)技術(shù)的配合是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［10-11］。本系統(tǒng)采用自適應(yīng)采樣策略，整個(gè)采樣過(guò)程為:上電后系統(tǒng)通過(guò)TA定時(shí)器中斷控制ADC12以1 Hz的采樣頻率采樣，用以記錄下井階段靜壓;當(dāng)實(shí)時(shí)壓力值隨下井深度升高到預(yù)先編程靜壓值時(shí)，系統(tǒng)確認(rèn)進(jìn)入目標(biāo)油層，進(jìn)入125 kHz高頻采樣階段，這時(shí)采到的數(shù)據(jù)是高頻往1KB空間負(fù)延遲FIFO里寫，并更新比較器DAC端的輸入，1 kbyte負(fù)延遲數(shù)據(jù)是保證射孔信號(hào)完整的關(guān)鍵，TB定時(shí)器中斷控制從FIFO起始地址寫入Flash存儲(chǔ)器的速度，等待觸發(fā)信號(hào)的到來(lái);當(dāng)射孔壓力變化值達(dá)到隨動(dòng)觸發(fā)壓力的差值時(shí)，電路觸發(fā)便以125 kHz的速度直接往存儲(chǔ)器里存數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)便是射孔關(guān)鍵數(shù)據(jù);高速存儲(chǔ)5 s后，TA定時(shí)器控制ADC12進(jìn)入500 Hz中速采樣，測(cè)取壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)10 min;結(jié)束后系統(tǒng)進(jìn)入待讀數(shù)低功耗狀態(tài)。變頻采樣負(fù)延遲隨動(dòng)觸發(fā)原理圖如圖6所示。

圖6 變頻采樣負(fù)延遲隨動(dòng)觸發(fā)原理圖

3 測(cè)試驗(yàn)證

本次改進(jìn)設(shè)計(jì)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定和多次模擬試驗(yàn)后，在某油田進(jìn)行了復(fù)合射孔壓裂測(cè)試。圖7曲線是內(nèi)置式隨動(dòng)觸發(fā)方式的復(fù)合射孔井下實(shí)測(cè)曲線。

測(cè)試時(shí)記錄儀放置在射孔器的底部，圖7曲線以負(fù)延遲起始點(diǎn)數(shù)據(jù)作為坐標(biāo)時(shí)間原點(diǎn)，ts時(shí)刻開(kāi)始下井采集數(shù)據(jù)，從曲線可以看出電纜下井15 min左右到達(dá)目標(biāo)油層，時(shí)間零點(diǎn)處是未點(diǎn)火時(shí)井內(nèi)液體靜壓16.34 MPa。t1時(shí)刻起爆測(cè)試電路觸發(fā)，高壓氣體沖出射孔器，射孔器外環(huán)空壓力上升，由于環(huán)空中充滿液體，幾乎沒(méi)有自由體積，因此壓力上升很快，約88μs達(dá)到了峰值壓力56 MPa。t2時(shí)刻地層開(kāi)裂井內(nèi)氣體被大量吸收，因而壓力突降。t2時(shí)刻之后的壓力基本上屬于類準(zhǔn)靜態(tài)壓裂過(guò)程，同時(shí)推動(dòng)液柱向上運(yùn)動(dòng)。壓力大于25 MPa的總有效壓裂作用時(shí)間約10 ms。

圖7 隨動(dòng)觸發(fā)復(fù)合射孔井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖中可以觀察到t3時(shí)刻有個(gè)峰值為35 MPa的壓力脈沖，這是射孔壓裂脈沖傳到井底并被反射回來(lái)的壓力波，稱其為伴隨脈沖［12］。伴隨脈沖在傳播和反射過(guò)程是有規(guī)律的，傳播距離越遠(yuǎn)，脈沖的時(shí)間間隔就越寬，同時(shí)峰值壓力越低。因此射孔層位越靠近井底，伴隨脈沖特征越明顯，而且離主脈沖越近，甚至當(dāng)主脈沖作用時(shí)間特別長(zhǎng)的時(shí)候，兩者疊加在一起。

從曲線參數(shù)可以看出測(cè)試結(jié)果符合射孔壓裂過(guò)程的壓力變化規(guī)律，自適應(yīng)隨動(dòng)觸發(fā)設(shè)計(jì)方案在油井測(cè)試儀中是十分可行的，具有可靠性和實(shí)用性。

4 結(jié)論

本文提出了自適應(yīng)隨動(dòng)觸發(fā)射孔壓力存儲(chǔ)測(cè)試的方法。該方法結(jié)合環(huán)空壓力變化特點(diǎn)，靈活控制AD、DA控制器，借用負(fù)延遲技術(shù)和變頻采樣策略，實(shí)時(shí)采集和更新當(dāng)前比較器壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬比較，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)隨動(dòng)觸發(fā)功能，準(zhǔn)確測(cè)取石油井下射孔壓力關(guān)鍵數(shù)據(jù)。實(shí)踐表明該方法不受工藝差異的影響，與施工中難以預(yù)測(cè)的絕對(duì)壓力也沒(méi)有關(guān)系，觸發(fā)穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)。

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肖文聰(1989-)，男，漢族，湖北鄂州人，碩士，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器，freexruce@gmail.com;

馬鐵華(1964-)，男，漢族，山西交城人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器學(xué)科、現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)、光通信技術(shù)，matiehua@nuc. edu.cn。

Adaptive Servo Trigger Method in Perforating Pressure Storage Testing*

XIAO Wencong1，2，MA Tiehua1，2*，CUI Chunsheng1，2，YUE Zhangkuan3，MIAO Songzhen4

(1.National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Education Ministry Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China; 3.State Grid Energy Xinjiang Zhundong Coal Co-Ltd，Changji Xinjiang 652300，China; 4.People’s Liberation Army 4328 Factory，Changzhi Shanxi046000，China)

The absolute pressure trigger mode is not stable in the previous generation of downhole pressure test system.In previous method，the choice of absolute trigger pressure is not flexible，it is greatly influenced by technological differences.As the key data in absolute pressure trigger mode lost easily.We put forward the adaptive servo trigger storage testing method.According to the transformable characteristics of the annulus pressure，this method uses A/D and D/A controller to update currentcomparator pressure data in real time.It achieved the adaptive servo trigger function by simulation comparison.Analysis and practice show that the servo trigger method can be adapted to different perforating technology flexibility.It can capture the key link of transient pressure signal.This method improved the reliability of the single test accurate trigger effectively.

adaptive servo trigger;perforation fracturing;storage testing;reliability

TP23

A

1004－1699(2014)05－0587－04

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.05.003

項(xiàng)目來(lái)源:山西省煤層氣聯(lián)合研究基金項(xiàng)目(2013012010);山西省歸國(guó)留學(xué)人員重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2008003)

2014-02-28

2014-04-14