肖文聰，馬鐵華*，崔春生，岳掌寬，苗松珍(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原00051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原00051; .國網(wǎng)能源新疆準東煤電有限公司，新疆昌吉65200;.中國人民解放軍第四三二八工廠，山西長治06000)

自適應(yīng)隨動觸發(fā)射孔壓力存儲測試方法*

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)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051; 3.國網(wǎng)能源新疆準東煤電有限公司，新疆昌吉652300;4.中國人民解放軍第四三二八工廠，山西長治046000)

針對前一代石油井下壓力測試系統(tǒng)中絕對壓力觸發(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)易丟失等問題，提出了隨動式觸發(fā)方式的存儲測試方法。該方法結(jié)合環(huán)空壓力變化的特點，采用A/D與D/A控制器實時更新當前比較器壓力數(shù)據(jù)，通過模擬比較，實現(xiàn)自適應(yīng)隨動觸發(fā)功能。分析與實踐表明:隨動式觸發(fā)方式能靈活適應(yīng)不同射孔工藝捕捉瞬變壓力信號的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有效提高了單次測試準確觸發(fā)的可靠性。

自適應(yīng)隨動觸發(fā);射孔壓裂;存儲測試;可靠性

射孔技術(shù)是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，是有效的油氣田增產(chǎn)措施。油井測壓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(fù)整個施工過程關(guān)鍵壓力數(shù)據(jù)的專用儀器，為高質(zhì)量打開油氣層，優(yōu)化新的施工設(shè)計，完善射孔器設(shè)計，進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，特別是針對射孔及高能氣體壓裂這樣單次性瞬變信號，且環(huán)境無法引線，對觸發(fā)技術(shù)的要求更高。當觸發(fā)不準確時，關(guān)鍵的脈沖壓力信號將會丟失。針對前一代油井測壓儀中絕對壓力觸發(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未到來之前誤觸發(fā)等缺陷。因此，提出了基于自適應(yīng)隨動觸發(fā)方式的油井測壓儀設(shè)計。

1 動態(tài)存儲測試與絕對壓力觸發(fā)方式

1.1 動態(tài)存儲測試

石油井下射孔壓裂過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)境下保證測試儀器可靠工作，采用存儲測試技術(shù)具有很大的優(yōu)勢。存儲測試技術(shù)的工作原理為:將傳感器和外圍測試電路牢固放置在耐高溫耐腐蝕高強度的保護殼體內(nèi)，殼體與外界接觸面均通過螺紋和耐高溫O型圈密封咬合，只把傳感器的敏感面露出與被測信號直接接觸，這樣惡劣的工作環(huán)境就不會影響到測試電路的正常工作;然后將整個測試裝置直接放入測試環(huán)境或測試對象中，信號被實時記錄并存儲在存儲器內(nèi)，記錄完畢后回收測試裝備讀取數(shù)據(jù)［4-7］。存儲測試裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 存儲測試結(jié)構(gòu)框圖

1.2 絕對壓力觸發(fā)方式

在油井射孔壓裂存儲測試中，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)]有來射孔信號時不能誤觸發(fā)，射孔信號到來時可靠觸發(fā)。前一代油井測試儀采用的是常用的絕對壓力觸發(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，見圖2。這樣就可以根據(jù)壓力脈沖的峰值設(shè)定一個觸發(fā)壓力，當信號壓力超過該壓力時，電路進入觸發(fā)狀態(tài)開始高速采集［8］。圖2中P1即為設(shè)定的絕對觸發(fā)壓力。

圖2 絕對壓力觸發(fā)原理圖

但由于測試儀工作環(huán)境特殊，井深不同，水的靜壓會有很大差別［9］;下井過程較長、環(huán)境惡劣，難免會有干擾毛刺或噪聲信號使儀器誤觸發(fā)。另外，實際操作時絕對壓力觸發(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，壓力上升和下降基本都是勻速的，壓力變化率約20 kPa/s，相對比較緩慢;使用TCP(油管傳輸)傳輸時，受到油管起下過程中在環(huán)空突然激起的準靜態(tài)壓力會升高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進行加壓起爆等工藝，這個過程升壓速度比較慢，但升高的壓力會在靜壓的基礎(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態(tài)壓力與上述的信號相比，上升時間要快很多，約20μs～60μs，見圖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，比如動態(tài)負壓射孔增加的動態(tài)壓力10 MPa～12 MPa，只比油管激起的準靜態(tài)壓力高幾個兆帕。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)計隨動觸發(fā)方式以保證觸發(fā)的可靠性。

圖3 環(huán)空壓力信號特征與隨動觸發(fā)原理

2 自適應(yīng)隨動觸發(fā)方式的油井測壓方法

壓力的相對變化率是爆炸信號獨特的特征，結(jié)合變化的差值能夠判斷起爆信號，將這種方法稱為隨動觸發(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，其實現(xiàn)原理如圖4所示。

圖4 隨動觸發(fā)比較數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)Pt…Pt-Δt是在內(nèi)存空間開辟的一組FIFO寄存器，采集的當前數(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，則認為觸發(fā)信號到，否則不改變原來狀態(tài)繼續(xù)等待觸發(fā)信號。Δt是2個數(shù)據(jù)的時間間隔，一般取1 ms，可以認為當前數(shù)據(jù)一直在和Δt時間之前的數(shù)據(jù)進行比較，而Pt-Pt-Δt是一個始終隨著井下過程變化的值。

具體硬件通過比較器、ADC、DAC精確配合實現(xiàn)。比較器輸入信號是經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換輸出的模擬信號和ADC12采樣前的模擬信號VINP。FIFO每1 ms更新一次DAC的輸入，每一次更新會在ADC12轉(zhuǎn)化的數(shù)字量基礎(chǔ)上加上一個可編程的量PΔt(10 MPa)。這樣，隨動觸發(fā)電路會自動的在采樣過程中尋找到在1 ms內(nèi)外界壓力變化超過PΔt的射孔信號，并且進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 硬件實現(xiàn)隨動觸發(fā)原理圖

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

圖6 變頻采樣負延遲隨動觸發(fā)原理圖

3 測試驗證

本次改進設(shè)計經(jīng)實驗室標定和多次模擬試驗后，在某油田進行了復(fù)合射孔壓裂測試。圖7曲線是內(nèi)置式隨動觸發(fā)方式的復(fù)合射孔井下實測曲線。

測試時記錄儀放置在射孔器的底部，圖7曲線以負延遲起始點數(shù)據(jù)作為坐標時間原點，ts時刻開始下井采集數(shù)據(jù)，從曲線可以看出電纜下井15 min左右到達目標油層，時間零點處是未點火時井內(nèi)液體靜壓16.34 MPa。t1時刻起爆測試電路觸發(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，幾乎沒有自由體積，因此壓力上升很快，約88μs達到了峰值壓力56 MPa。t2時刻地層開裂井內(nèi)氣體被大量吸收，因而壓力突降。t2時刻之后的壓力基本上屬于類準靜態(tài)壓裂過程，同時推動液柱向上運動。壓力大于25 MPa的總有效壓裂作用時間約10 ms。

圖7 隨動觸發(fā)復(fù)合射孔井下實測數(shù)據(jù)

圖中可以觀察到t3時刻有個峰值為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的壓力波，稱其為伴隨脈沖［12］。伴隨脈沖在傳播和反射過程是有規(guī)律的，傳播距離越遠，脈沖的時間間隔就越寬，同時峰值壓力越低。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，甚至當主脈沖作用時間特別長的時候，兩者疊加在一起。

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

4 結(jié)論

本文提出了自適應(yīng)隨動觸發(fā)射孔壓力存儲測試的方法。該方法結(jié)合環(huán)空壓力變化特點，靈活控制AD、DA控制器，借用負延遲技術(shù)和變頻采樣策略，實時采集和更新當前比較器壓力數(shù)據(jù)，通過模擬比較，實現(xiàn)自適應(yīng)隨動觸發(fā)功能，準確測取石油井下射孔壓力關(guān)鍵數(shù)據(jù)。實踐表明該方法不受工藝差異的影響，與施工中難以預(yù)測的絕對壓力也沒有關(guān)系，觸發(fā)穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強。

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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(dǎo)師，主要從事測試計量技術(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

項目來源:山西省煤層氣聯(lián)合研究基金項目(2013012010);山西省歸國留學(xué)人員重點科研項目(2008003)

2014-02-28

2014-04-14