張紅艷，崔春生，馬鐵華

(1.中北大學計算機與控制工程學院，山西太原 030051；2.中北大學電子測試技術(shù)重點實驗室，山西太原 030051；3.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051)

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油井射孔壓力測試儀

張紅艷1，崔春生1，馬鐵華2,3

(1.中北大學計算機與控制工程學院，山西太原 030051；2.中北大學電子測試技術(shù)重點實驗室，山西太原 030051；3.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051)

射孔時的瞬態(tài)壓力會對射孔槍和油井井壁套管產(chǎn)生巨大的沖擊，沖擊力可能對井壁套管造成不可修復的破壞，嚴重的可能會導致油井報廢，造成巨大浪費。為了研究射孔壓力變化規(guī)律，設(shè)計了射孔壓力測試儀，該儀器以CPLD為控制核心，實現(xiàn)數(shù)字邏輯控制功能。通過分析射孔槍上相鄰兩射孔彈爆炸的時間間隔確定了儀器的采樣頻率，依據(jù)被測信號的特點，設(shè)計了編程自適應分段均勻采樣策略。使用該測試儀對不同射孔工藝過程進行了測試，獲得了大量壓力曲線，為研究射孔工藝機理、評價射孔施工效果以及促進新的射孔產(chǎn)品研發(fā)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

動態(tài)測試;油井;射孔壓力;采樣策略;自適應

0 引言

射孔是石油勘探與開發(fā)過程中的一項關(guān)鍵技術(shù)，當油井鉆探完成后，因為井壁套管和套管外固井水泥的阻擋，地層中的石油不會自動流出，要進行射孔作業(yè)[1-2]。采用專門儀器設(shè)備將射孔槍輸送至井下預定深度，射孔槍內(nèi)裝填火藥或推進劑，引爆射孔彈，在含油段井壁上射開孔，使地層中的原油流入油井[3-4]。射孔時的瞬時壓力會對射孔槍和井壁套管產(chǎn)生巨大的沖擊，如果沖擊過大，可能對井壁套管造成不可修復的破壞，嚴重的可能會導致油井報廢，造成巨大浪費[5-6]。因此，為了制定合理的射孔工藝并保證射孔作業(yè)的安全，必須了解射孔時的壓力變化規(guī)律。

我國石油分布的地質(zhì)條件復雜，對射孔工藝要求高，獲取幾千米深的石油井下的射孔壓力具有很大難度[7]。因此必須研制耐高溫、高壓，抗高沖擊和高可靠性的射孔壓力測試儀。

1 射孔壓力測試環(huán)境分析

射孔作業(yè)過程比較復雜，如圖1所示，可以分為下井、射孔和壓裂、壓力恢復3個階段。

(1)下井過程。下井時需要通過電纜將射孔槍置于油井中所需進行射孔的位置，根據(jù)井深的不同下井所需要的時間也不一樣，對于2 km深的油井，下井時間約20 min。這段時間內(nèi)井下的壓力包括靜液壓力、上覆巖層壓力、底層壓力和基巖應力。在射孔前，在射孔位段這3種壓力的總值變化率為0.05 MPa/s，這3種壓力統(tǒng)稱為井下靜壓。

(2)射孔過程。當射孔槍被置于預定的位置時就可以通過導爆索引爆射孔彈，引爆后，射孔彈中炸藥產(chǎn)生的高能氣體能在槍與井壁之間產(chǎn)生一個動態(tài)高壓。射孔過程瞬時完成，爆炸時產(chǎn)生的壓力上升時間很快，上升沿較為陡峭。

(3)壓力恢復階段。隨著射孔彈內(nèi)炸藥和火藥產(chǎn)生的高能氣體對于油層的作用，高溫高壓氣體會隨井液一起進入射孔孔眼,并不斷地向油氣層推進，這樣會增強油層的滲透性使液體從油層中滲出，這時同樣會有緩慢的壓力變化。

綜上，射孔壓力測試環(huán)境十分惡劣，可能的環(huán)境有：高沖擊(可達到10 000g)，瞬時高溫(可達2 000 ℃)，持續(xù)高溫(可達200 ℃以上)，高壓(達到200 MPa)，強振動等，測試持續(xù)時間較長。因此，測試儀的量程要寬，要有良好的頻率響應特性，同時要具有快速綜合處理數(shù)據(jù)的能力及高可靠性。此外，由于受井筒尺寸限制，測試儀體積必須盡量小。

圖1 射孔槍井下作業(yè)示意圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

測試儀主要由耐高溫高強度殼體、壓力傳感器、電路模塊及電池組成，原理框圖如圖2所示。

圖2 石油井下射孔壓力測試儀原理框圖

壓力傳感器選擇的是HKM-375M-20000A型壓阻式壓力傳感器，具有量程高、耐高溫、可抗高沖擊、動態(tài)性能良好等優(yōu)點[8-9]。殼體采用超高強度鋼制造，經(jīng)熱處理達到額定強度，以保護傳感器及電路在高溫高壓環(huán)境下不受損壞。電路模塊是核心部件，由放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、存儲器、邏輯時序控制電路、電源控制器及接口電路等組成。電路以CPLD作為控制芯片，采用硬件描述語言和原理圖設(shè)計輸入相結(jié)合的方法實現(xiàn)數(shù)字部分的所有邏輯控制，內(nèi)部功能圖如圖3所示。電池選用的是鋰-亞硫酰氯耐電池，工作電壓幅值為3.3～3.6 V，能在高溫環(huán)境下給電路穩(wěn)定供電。

圖3 CPLD內(nèi)部功能圖

2.2 采樣策略設(shè)計

采樣策略是指儀器在一次測試過程中系統(tǒng)行為的描述，是依據(jù)對被測信號特征估計，綜合考慮測量時間、存儲容量等因素來確定的[10-11]。

射孔過程中，相鄰兩射孔彈爆炸的時間間隔可以為確定系統(tǒng)采樣頻率提供依據(jù)。槍身內(nèi)主要由聚能射孔彈、彈架以及連接射孔彈的導爆索組成，如圖4所示。由圖4可知，每發(fā)射孔彈由導爆索連接，相鄰兩個射孔彈相位角為90°，射孔彈長度與彈架外徑相仿，導爆索將射孔彈以螺旋狀形式連接起來。聚能射孔彈結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖4 射孔彈連接實物圖

圖5 聚能射孔彈結(jié)構(gòu)示意圖

螺旋線連接示意圖如圖6所示，射孔槍直徑為d，兩個射孔彈之間導爆索的長度可由式(1)求出。

(1)

式中：ac為兩射孔彈的垂直距離；bc為圓弧長度，可用公式nπd/360計算；n為圓弧對應的角度，n=90°。

圖6 螺旋線連接示意圖

目前射孔槍滿彈時，裝彈密度一般為16發(fā)/m,即ac=62.5 mm。普遍使用的射孔槍槍架直徑d為62 mm，由式(1)可得兩個射孔彈間導爆索長度L為79.2 mm。

相鄰兩射孔彈爆炸的時間間隔即長度為L的導爆索燃燒完的時間，導爆索是通過炸藥燃燒的，國內(nèi)生產(chǎn)的炸藥傳爆速度為7 308～8 012 m/s[12]，這里取7 900 m/s。則相鄰兩射孔彈引爆的時間間隔為

因此，相鄰兩射孔彈爆炸時的壓力信號頻率為100 kHz。工程上，系統(tǒng)的采樣頻率至少是被測信號頻率的10倍，因此，要準確測試每發(fā)射孔彈射孔時所產(chǎn)生環(huán)空壓力的大小及脈沖寬度，測試儀的采樣頻率應為2 MHz。

為達到最佳測試效果，根據(jù)被測對象變化規(guī)律，射孔壓力測試儀采用編程自適應分段均勻采樣策略，即通過事先編程，把整個數(shù)據(jù)采集記錄過程分為若干個均勻采樣階段，每一階段的開始時間、采樣頻率、存儲點數(shù)是根據(jù)被測信號的變化規(guī)律自適應調(diào)整。

測試儀的采樣過程分為3個階段：

(1)壓力測試儀隨射孔器下井的過程中，壓力變化緩慢，采用低速采樣模式，下井前，結(jié)合射孔段的深度，通過計算機對測試儀預編程。編程設(shè)置壓力閾值，當環(huán)境壓力小于壓力閾值時，采樣頻率為0.008 Hz，當超過壓力閾值時，采樣頻率為2 MHz，數(shù)據(jù)抽點存儲，按1 Hz抽點，存儲容量為8 kB；

(2)射孔瞬間，射孔爆炸沖擊波脈寬為ms級，壓力信號突變幅值大于5 MPa，測試儀變?yōu)楦咚俨蓸幽Ｊ?，采樣頻率為2 MHz，存儲容量為248 kB；

(3)射孔結(jié)束后，壓力進入恢復過程，測試儀進入中速采樣階段，壓力變化過程相對緩慢，采樣頻率為500 Hz。存儲滿256 kB后測試儀又進入低功耗狀態(tài)。

測試儀工作狀態(tài)圖如圖7所示，使用時測試儀通過篩管與射孔槍連接同時下井，完成壓力信號的采集與存儲，試驗后回收測試儀，讀取測試數(shù)據(jù)，具有抗干擾能力強、可靠性高、操作簡便、精度高等優(yōu)點。

圖7 測試儀工作狀態(tài)圖

3 實測數(shù)據(jù)分析

測試儀研制成功后，在大慶、遼河等油田得到了廣泛應用，測取了大量不同射孔工藝的壓力曲線。

圖8是127 mm常規(guī)射孔的實測曲線，作業(yè)井為注水井，井深2.1 km，射孔段1.69 km，低滲砂巖構(gòu)造，套管鋼級J-55，套管規(guī)格139.7 mm，壁厚7.72 mm，射孔厚度2 m。裝彈密度16發(fā)/m，彈型DP44RDX-3，射孔彈含RDX 38 g。從曲線可以看出：射孔爆炸前，井下靜壓為18 MPa，峰值壓力為78 MPa，峰值持續(xù)時間為0.272 ms。在峰值過后產(chǎn)生了一段負壓，負壓持續(xù)0.35 ms，其持續(xù)時間長短與射孔器的長度和射孔深度等有關(guān)。在負壓之后，由于井底反射回來的沖擊波，以及液柱回落又使壓力回升至40 MPa左右，并緩慢降低，最后恢復至靜壓。

圖8 常規(guī)射孔壓力曲線

圖9是外徑102 mm內(nèi)置式復合射孔器的實測曲線，井深2.05 km，低滲砂巖構(gòu)造，井內(nèi)液體為清水，套管鋼級J-55，套管規(guī)格139.7 mm，壁厚7.72 mm，射孔厚度2.5 m，裝彈密度16發(fā)/m，射孔彈類型為DP44RDX-3；各射孔彈之間安放推進劑藥餅，裝藥總重量1.4 kg。從圖中看出：在射孔段1.7 km處，靜壓為23 MPa，射孔炸藥爆炸壓力峰值為72 MPa，壓裂壓力峰值為70 MPa，持續(xù)時間為8 ms。

圖9 復合射孔及頻譜分析

圖10是某油氣井射孔曲線，井深2.35 km，井內(nèi)液體為清水，水面與井口平，射孔段在1.9 km，3 m多脈沖增效復合射孔器，射孔密度16發(fā)/m，油井套管鋼級J-55，套管規(guī)格139.7 mm，壁厚7.72 mm，射孔厚度3 m，每發(fā)射孔彈預裝火藥30 g(射孔彈兩側(cè)各含有15 g)。從圖中可看出水下靜壓值約為24 MPa，第一個壓力峰值約為93 MPa，峰值持續(xù)時間為8 ms；第二個壓力是由于二級火藥壓裂產(chǎn)生的，壓力峰值為52 MPa，峰值持續(xù)時間為5.8 ms；由于兩級火藥的燃速不同，使得兩個壓裂峰值產(chǎn)生大約為50 ms的時間差。

圖10 多脈沖射孔及頻譜分析

通過實測壓力曲線可知，不同的射孔工藝產(chǎn)生的壓力峰值、峰值個數(shù)、作用時間、壓力上升的速率均不同。

4 結(jié)論

本文所述的射孔壓力測試儀實現(xiàn)了射孔過程動態(tài)壓力的實時采集與存儲，系統(tǒng)采用了編程自適應分段均勻采樣策略，根據(jù)被測信號特征，把整個數(shù)據(jù)采集記錄過程分為若干個均勻采樣階段，每一階段的開始時間、采樣頻率、存儲點數(shù)根據(jù)被測信號的變化規(guī)律自適應調(diào)整。射孔過程中相鄰兩射孔彈爆炸的時間間隔為確定系統(tǒng)采樣頻率提供了依據(jù)。射孔壓力的準確測量為評價射孔施工效果、深化射孔工藝機理研究及促進新的射孔產(chǎn)品研發(fā)提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。該測試儀也可用于水文、水利、地質(zhì)鉆探的井下壓力測試。

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OilWellPerforationPressureTestInstrument

ZHANGHong-yan1,CUIChun-sheng1,MATie-hua2,3

(1.SchoolofComputerandControlEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2.ScienceandTechnologyonElectronicTest&MeasurementLaboratory，Taiyuan030051,China;3.KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement(NorthUniversityofChina),MinistryofEducation,Taiyuan030051,China)

The transient pressure produced in the process of perforation has some impacts on perforating gun and oil well casing pipe,and the impact may cause irreparable damage to oil well casing pipe.Severe damage may lead to the well scrapped,even cause huge waste.The pressure test instrument was designed in order to study the change rule of perforating pressure.The instrument took CPLD chip as the control core,and the digital logic control function of the system was realized.The system sample frequency was determined through analyzing the explosion time interval between adjacent two perforating charge.The adaptive piecewise uniform sampling strategy was designed based on the characteristics of the measured signal.The tester was used to test different perforating process and a lot of pressure curves were obtained.These data provide basis for the mechanism study of perforating technology and the effect assessment of perforating construction and promote research and development of new perforating product.

dynamic test;oil well;perforation pressure;sampling strategy;adaptive

2014-10-24 收修改稿日期：2015-03-18

TH

A

1002-1841(2015)08-0026-03

張紅艷(1978—)，講師，碩士，主要研究領(lǐng)域為動態(tài)測試與智能儀器。E-mail:snow-zhang@163.com 崔春生(1981—)，講師，博士，主要研究領(lǐng)域為動態(tài)測試與智能儀器。E-mail:zhanghongyan@nuc.edu.cn