肖文聰,馬鐵華*,崔春生,溫星曦

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

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基于模擬油井的井下測試儀溫度修正校準方法*

肖文聰1,2,馬鐵華1,2*,崔春生1,2,溫星曦1,2

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

針對石油井下射孔壓力測試中,在射孔完井過程中會釋放大量的熱量,壓阻式壓力傳感器的溫度效應成為影響測試精度的主要因素。為準確測取井下壓力,用現(xiàn)有模擬油井試驗裝置模擬井內(nèi)高溫高壓環(huán)境建立了校準系統(tǒng)。在多個溫度環(huán)境下進行校準試驗,通過與溯源性校準的標準測試系統(tǒng)的對比計算,利用最小二乘法得出壓阻傳感器在不同溫度條件下的靈敏度,根據(jù)測試儀采集的實時溫度數(shù)據(jù)值修正了壓力數(shù)據(jù),計算表明壓力曲線峰值比修正前小1.4 MPa,為壓力峰值的2.08%,表明該壓阻傳感器溫度效應產(chǎn)生的影響不可忽略,基于模擬油井的溫度修正校準方法能有效減小溫度效應的影響,提高了測試精度。

動態(tài)校準系統(tǒng);靈敏度;溫度修正;油井測試;壓力傳感器

井下測試儀是用于自動測取油氣田開采過程中射孔槍下井、射孔和壓裂恢復整個施工過程關鍵壓力溫度數(shù)據(jù)的專用儀器,使用時隨射孔槍一起下到預定油層,自動完成內(nèi)觸發(fā)存儲數(shù)據(jù),射孔壓裂結束后回收讀取測試數(shù)據(jù)。射孔壓裂是一個極其復雜的物理化學過程,工程上利用火藥或推進劑的燃燒產(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徑向裂縫,增加油氣滲透性。而其過程中壓力波數(shù)據(jù)是作為評估壓裂質量和優(yōu)化射孔方案的主要依據(jù)[1-3]。

目前在役的油井深度多數(shù)在500 m～4 000 m之間,平均深度為1 500 m,井下靜態(tài)溫度隨深度增加而升高,溫度梯度約為1 ℃/100 m,這意味著測試儀器實際測試環(huán)境溫度是在常溫基礎上增加十幾 ℃甚至幾十 ℃,另外,在射孔瞬間火藥推進劑燃燒產(chǎn)生高壓氣體脈沖的同時會釋放大量熱能,井內(nèi)溫度急劇升高[4]。由于壓阻式壓力傳感器具有溫度效應特性,測試儀器受溫度影響會產(chǎn)生靈敏度溫度漂移和零點漂移,影響射孔壓力信號的測試準確性,因此采用模擬應用環(huán)境下的校準方法為井下測試儀做壓力靈敏度的溫度修正。美國Sandia國家實驗室在文獻[5]中設計了實際尺寸的模擬井眼試驗主要是為研究射孔直徑、射孔密度、推進劑燃燒速度、藥量、射孔方位等因素對壓裂效果的影響,而國內(nèi)外利用模擬應用環(huán)境油井裝置對井下測試儀器進行校準的較少,大多采用靜態(tài)校準方法校準儀器。

1 測試儀溫度特性與模擬應用環(huán)境下的校準裝置

1.1 測試儀的溫度特性研究

石油井下測試環(huán)境惡劣,采用存儲測試技術具有很大的優(yōu)勢。存儲測試裝置基本結構框圖如圖1所示。

圖1 存儲測試結構框圖

圖2 壓阻式傳感器測量電路原理圖

測試系統(tǒng)主要由壓阻傳感器和測試電路兩個模塊組成,實際測試中測試電路的溫漂(-40 ℃～140 ℃)最大為0.01%,滿足測試精度的需求,因此壓阻傳感器溫度特性是影響測試系統(tǒng)精度的主要因素[6]。

壓阻式傳感器是利用固體的壓阻效應將被測壓力轉換為電信號,環(huán)境溫度是影響壓阻系數(shù)的關鍵因素。圖2是壓阻式傳感器測量電路原理圖,圖中UOC是輸出電壓。

式中,ΔRti(i=1,2,3,4)為溫度變化時各電阻的變化量,UOCT為溫度T時的輸出。

由于材料特性和加工工藝差異,組成測量電橋的各個橋臂的測量電阻溫度系數(shù)不一致,致使不加壓時電橋(零點輸出)輸出不平衡,并且這一狀態(tài)隨溫度變化而變化,這一現(xiàn)象稱為零點漂移[7]。同時,壓阻式傳感器的靈敏度與壓阻系數(shù)成正比關系,而壓阻系數(shù)為溫度的函數(shù),在加壓情況下電橋的滿量程輸出也要受溫度的影響,因此溫度對傳感器靈敏度的精度影響是不可忽略,需要對系統(tǒng)作溫度效應修正。

1.2 模擬應用環(huán)境下的校準裝置及其工作原理

石油井下環(huán)境溫度、壓力及高能氣體壓裂模擬實驗裝置(以下簡稱模擬油井實驗裝置)是用來對井下測試儀進行動態(tài)校準標定的裝置[8],該裝置結構如圖3所示,主要由高能氣體脈沖發(fā)生器、標準壓力檢測記錄系統(tǒng)和泵站及油路系統(tǒng)組成。

圖3 油井模擬實驗裝置的總體系統(tǒng)結構圖

模擬油井實驗裝置可產(chǎn)生峰值達150 MPa的動態(tài)壓力信號,脈寬在可持續(xù)100 ms,上升時間小于10 ms?？商峁┤萜鲀?nèi)常壓～50 MPa靜壓,工作溫度最高為200 ℃。

裝置中標準壓力檢測記錄系統(tǒng)包括3個經(jīng)過溯源性校準的標準級壓力傳感器Kistler 6213BK,其量程為1000 MPa,工作溫度-196 ℃～200 ℃,固有頻率150 kHz,靈敏度1.2 pC/bar。其后連接有3個高精度電荷放大器Kistler5015和高精度瞬態(tài)波形記錄儀以記下3個標準P-t曲線,此標準系統(tǒng)在204研究所利用284型活塞式壓力機對其靜態(tài)特性進行了校準,校準時傳感器與電荷放大器一一對應,實驗完畢后,利用最小二乘法得出系統(tǒng)的工作方程,線性誤差及重復性誤差,最終得出系統(tǒng)的精度等級,標準系統(tǒng)校準結果見表1。取3個標準系統(tǒng)輸出的均值作為真值,可實現(xiàn)對井下測試系統(tǒng)進行與實際使用環(huán)境相同的高壓、高溫條件下的動態(tài)校準。

表1 標準校準系統(tǒng)靜態(tài)性能指標

井下測試儀的校準采用環(huán)境因子校準方法[9],模擬油井實驗裝置是環(huán)境模擬裝置,實現(xiàn)對測試環(huán)境高溫高壓環(huán)境的模擬,能承受150 PMa高壓和200 ℃瞬態(tài)高溫。系統(tǒng)校準標定時,使壓力傳感器的傳壓孔和3個標準壓力傳感器孔相對,固定被校測試系統(tǒng),密封模擬油井裝置。在脈沖壓力發(fā)生器中分別放入發(fā)射藥,然后開始通過泵路給模擬油井內(nèi)部加靜壓并對主體部分升溫,達到預定初始壓力和溫度后,通過定時系統(tǒng)對脈沖壓力發(fā)生器點火,這樣裝置內(nèi)就能產(chǎn)生與射孔壓力類似的高溫高壓脈沖信號了,測試系統(tǒng)觸發(fā)并記錄實時壓力溫度變化曲線,數(shù)據(jù)記錄完后,由計算機讀出測試儀數(shù)據(jù)。同時,計算機采集卡記錄3路標準P-t曲線,取其3路數(shù)據(jù)均值作為真值,通過把測試儀數(shù)據(jù)和標準系統(tǒng)數(shù)據(jù)一起進行數(shù)據(jù)處理,且根據(jù)實時測得的溫度數(shù)據(jù)可對關鍵壓力數(shù)據(jù)進行校準修正,實現(xiàn)一次對測試系統(tǒng)進行與實際使用環(huán)境相似的壓力、溫度條件下的動態(tài)校準。

圖4 模擬油井裝置校準曲線

圖4是某次模擬油井裝置中的校準實驗曲線,曲線1是3個標準壓電傳感器測得數(shù)據(jù)的平均值。曲線2是P-T測試儀測得的數(shù)據(jù)。兩條曲線的相關性是0.999。由3個標準壓電傳感器測得的數(shù)據(jù)處理,可知標準系統(tǒng)的最大峰值伸展不確定度為0.092 MPa。實際標定時常在不同溫度下對測試系統(tǒng)進行多次校準,可分別求出各溫度下系統(tǒng)平均靈敏度。

2 基于模擬油井的井下測試儀校準方法

選擇模擬油井試驗裝置產(chǎn)生的動態(tài)壓力值作為校準壓力,分別在常溫、多個溫度環(huán)境下對測試系統(tǒng)進行動態(tài)校準[10]。在一次校準實驗中,按上述操作可測得到3條標準系統(tǒng)測試曲線分別為y1(t),y2(t),y3(t)和1條被校測試儀壓力曲線x校(t)。對以上四條數(shù)據(jù)進行如下處理:

①對四條數(shù)據(jù)首先采用30 kHz截止頻率進行數(shù)字濾波處理,濾掉隨機噪聲的影響;

②對3套標準測試系統(tǒng)計算彼此間的相關系數(shù)

式中yi(t)和yj(t)(i,j=1,2,3)分別為三套標準測壓系統(tǒng)壓力曲線。要求ρij≥0.999 7,認為數(shù)據(jù)有效,否則剔除該數(shù)據(jù);

3 井下實測數(shù)據(jù)溫度修正

表2 某測試系統(tǒng)4種溫度動態(tài)壓力靈敏度

對于小于60 ℃的環(huán)境中測試數(shù)據(jù)均使用表中60 ℃靈敏度,其他溫度下的壓力靈敏度按所在溫度區(qū)間的分段線性插值計算得到。對于Ts～Ts+1區(qū)間的某一溫度Tx,工作直線方程取值為:

實測曲線的壓力和溫度值都是不斷變化的,溫度值不是某一恒定的值,因此實際測試的壓力曲線應該根據(jù)對應的溫度數(shù)據(jù)計算該溫度下的動態(tài)靈敏度,從而獲得修正壓力曲線。測試系統(tǒng)某次實際下井測得的曲線及補償后曲線如圖5所示。其中溫度曲線是該測試系統(tǒng)采集的井下實時溫度數(shù)據(jù),原始壓力曲線是直接按60 ℃環(huán)境靈敏度顯示的壓力曲線,修正后壓力曲線是根據(jù)同步溫度數(shù)據(jù)換算校準靈敏度得出修正后的井下射孔壓力曲線,數(shù)據(jù)顯示修正后壓力曲線峰值比修正前小1.4 MPa,為壓力峰值的2.08%,由此可知該壓阻傳感器的溫度效應引起的數(shù)據(jù)誤差不可忽略,而基于模擬環(huán)境下的測試儀溫度修正校準方法有效提高了測試儀的精度。

圖5 實測壓力曲線溫度修正

4 結論

本文針對影響井下測試儀壓力測試精度的壓阻傳感器溫度漂移情況,通過建立的模擬油井實驗裝置,使測試儀承受與其使用環(huán)境相似的高溫高壓的環(huán)境力作用下進行動態(tài)校準。經(jīng)在多種溫度環(huán)境下與標準測試系統(tǒng)的對比計算,利用最小二乘法得出壓阻傳感器在不同溫度條件下的靈敏度,根據(jù)測試儀采集的實時溫度數(shù)據(jù)值修正了壓力數(shù)據(jù),有效減小溫度效應的影響,提高了測試精度。該方法可適用于瞬態(tài)高溫條件下的動態(tài)壓力的溫度修正和校準。

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肖文聰(1989-),男,漢族,湖北鄂州人,碩士,研究方向為動態(tài)測試與智能儀器,freexruce@gmail.com;

馬鐵華(1964-),男,漢族,山西交城人,教授,博士生導師,主要從事測試計量技術及儀器學科、現(xiàn)代傳感技術與系統(tǒng)、光通信技術,matiehua@nuc.edu.cn。

TemperatureCorrectionCalibrationMethodforDownholeTesterBasedonSimulativeOilWell*

XIAOWencong1,2,MATiehua1,2*,CUIChunsheng1,2,WENXingxi1,2

(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)

In the oil well perforation pressure testing,a lot of heat will be released during the process of perforation. The temperature effect of piezoresistive pressure sensor is a main factor influencing the testing precision. To accurately measure the downhole pressure,we had set up calibration system with existing wells simulation test device. The simulation test device is used to simulate downhole high temperature and high pressure environment. Several calibration tests were done under multiple temperature environments. The test results were contrasted with the standard test system. The standard test system was trace calibrated. The piezoresistive sensor sensitivity under different temperature conditions was draw out by the least square method. At last,the pressure data was modified according to the real-time temperature data which is collected by tester. Calculation shows that the peak pressure curve is 1.4 MPa smaller after modification. This account for 2.08% of the peak pressure. And it shows that the impact of piezoresistive sensor temperature effect should not be neglected. The temperature correction calibration method for downhole tester based on simulative oil well can effectively eliminate the effect of temperature,improve the test accuracy.

dynamic calibration system;sensitivity;temperature correction;oil well testing;pressure sensor

項目來源:山西省煤層氣聯(lián)合研究基金項目(2013012010);2014年度山西省回國留學人員科研項目(2014-052)

2014-05-14修改日期:2014-08-04

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.024

TP216

:A

:1004-1699(2014)09-1293-05