淺談井下電子壓力計(jì)的現(xiàn)狀和應(yīng)用

 摘　要：電子壓力計(jì)是廣泛應(yīng)用于測量和記錄油氣田地層中的油、氣、水等介質(zhì)的壓力及溫度值的電子設(shè)備，也是一種具有高實(shí)時(shí)性，高精確度、高分辨率“三高”特征的井場壓力及溫度測試裝置。本文從電子壓力計(jì)的原理和應(yīng)用現(xiàn)狀入手，闡述了壓力計(jì)在井下測試過程中經(jīng)常出現(xiàn)的失效形式，同時(shí)簡單的分析了導(dǎo)致電子壓力計(jì)失效的原因和主要影響因素，并進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，提出了具有針對性的改進(jìn)方法和失效預(yù)防措施。
關(guān)鍵詞：電子壓力計(jì)；原理；應(yīng)用現(xiàn)狀；失效形式；影響因素；預(yù)防措施
1、 前言
在油田勘探和開發(fā)過程中，油氣田地層的壓力及溫度的測試和監(jiān)控是試油、試采工作的重要任務(wù)，也是制定井場生產(chǎn)制度、確定井場產(chǎn)量及標(biāo)定完井情況的數(shù)據(jù)基石，因此為了正確評價(jià)礦藏地層的油氣當(dāng)量，及時(shí)精確地測量含油、含氣層的壓力及溫度值具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。壓力計(jì)和溫度計(jì)是測試過程使用的主要儀器設(shè)備，而其發(fā)展也經(jīng)歷了從最初的低精度、單一品種的純機(jī)械式結(jié)構(gòu)到復(fù)雜的電子式結(jié)構(gòu)的變革。隨著電子電工技術(shù)的迅猛發(fā)展，具有高精度、高靈敏度、高集成性能的電子壓力計(jì)如雨后春筍。目前，全國各大油田應(yīng)用較為廣泛的電子壓力計(jì)多達(dá)數(shù)十種，而由于壓力計(jì)的生產(chǎn)廠家眾多、型號繁雜、儀器電池檢測、識別和操作方式的不同，在使用過程中很容易造成混淆。另外，在礦藏層油氣的勘探和開發(fā)生產(chǎn)過程中，由于電子壓力計(jì)長期工作在惡劣環(huán)境之中，再加之儀器的選型不當(dāng)、部件的性能不可靠及人為的操作失誤都能造成電子壓力計(jì)使用過程中的失效，甚至導(dǎo)致試采工藝的失敗。因此對影響井下電子壓力計(jì)失效的主要因素進(jìn)行分析和預(yù)防具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2、工作原理及性能指標(biāo)
2.1、工作原理
電子壓力計(jì)是一種主要用于油氣田礦層壓力和溫度值測量的高精密的電子儀器。其核心部件是壓力傳感器和溫度傳感器，由于壓力計(jì)的工作環(huán)境惡劣多變，因此感應(yīng)元件的制作需要選用符合深層井下作業(yè)的耐高溫、高壓的特殊材料以確保電子電壓計(jì)的精確度和可靠性。根據(jù)壓力傳感器和溫度傳感器的應(yīng)變電橋原理，壓力計(jì)的振蕩電路在井下地層壓力和溫度的共同影響作用下，將被測礦層的壓力值、溫度值轉(zhuǎn)化為電路系統(tǒng)識別電阻值及電壓值，并由振蕩電路整頻轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)識別的電流頻率值信號，再經(jīng)軟件校正處理，折算成測試人員需要的井下壓力和溫度數(shù)據(jù)。從以上的構(gòu)成原理可見，電子壓力計(jì)的核心回路共包含兩個(gè)測量電路：壓力測量電路和溫度測量電路。
2.2、性能技術(shù)指標(biāo)
電子壓力計(jì)具有高靈敏度、高精確度、高可靠性的特點(diǎn)，其性能技術(shù)指標(biāo)如下：
2.2.1、精確度
在壓力計(jì)無誤差時(shí)的理想狀態(tài)下，壓力計(jì)標(biāo)準(zhǔn)曲線應(yīng)為一次曲線，但是由于受到地層中諸多因素的影響，壓力計(jì)的實(shí)際圖譜走線為二次或三次曲線。正常工作狀態(tài)下，壓力計(jì)測量允許的精確度誤差為±4psi。
2.2.2、遲滯性
遲滯性指的是壓力計(jì)在測量過程中從正反兩個(gè)方向接近同一目標(biāo)測量值時(shí)所顯示數(shù)據(jù)的最大差值，遲滯性誤差與壓力計(jì)傳感器使用的材料、制造安裝水平及使用環(huán)境有很大關(guān)系。正常工作狀態(tài)下，壓力計(jì)允許的遲滯性測量誤差為±2psi。
2.2.3、重復(fù)性
重復(fù)性誤差是指壓力計(jì)在全測量范圍內(nèi)和同一工作條件下,同一操作者從同方向?qū)ν�一輸入壓力值進(jìn)行多次連續(xù)測量所獲得的隨機(jī)誤差，重復(fù)性誤差與壓力計(jì)使用的地層環(huán)境及傳感器材料有關(guān)。正常工作狀態(tài)下，壓力計(jì)允許的重復(fù)性測量誤差為±3psi。
2.2.4、分辨率
分辨率指的是當(dāng)測量的目標(biāo)壓力值變化時(shí)，壓力計(jì)所能識別的最小輸入量的變化值。正常工作狀態(tài)下，壓力計(jì)分辨率為0.02psi。
3、 電子壓力計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀
3.1、電子壓力計(jì)的分類
電子壓力計(jì)按照試井、測井工藝可分為地面直讀式電子壓力計(jì)、井下存儲式電子壓力計(jì)及新型直讀式電子壓力計(jì)。
3.1.1、地面直讀式電子壓力計(jì)
地面直讀式壓力計(jì)是指采用地面直讀測試技術(shù)將電子壓力計(jì)隨同測井工具一共投入被測井中，之后從井口下入信號電纜進(jìn)行對接，電子壓力計(jì)將被測礦層的壓力及溫度的變化通過信號電纜傳輸?shù)降孛娴挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上通過操作軟件顯示、讀出并實(shí)時(shí)的對被測礦層的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。
3.1.2、井下存儲式電子壓力計(jì)
井下存儲式壓力計(jì)是指采用井下存儲測試技術(shù)將由單片機(jī)系統(tǒng)組成的存儲記錄儀及供電電池與電子壓力計(jì)進(jìn)行捆綁集成，并隨同測試工具投入被測井，存儲記錄儀的單片機(jī)系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的采集存儲程序?qū)㈦娮訅毫τ?jì)感應(yīng)到的礦層中壓力及溫度的變化存儲在存儲器中，測試任務(wù)結(jié)束后，將電子壓力計(jì)從井口取出，并與計(jì)算機(jī)相連，系統(tǒng)將按照預(yù)定的操作程序?qū)⒂涗泝x中存儲的壓力及溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行回放。
3.2、電子壓力計(jì)的失效
由于電子壓力計(jì)需要長期在高壓、高溫等惡劣的地質(zhì)工況下使用，加之其組成部件本身容易老化，這些外部因素及內(nèi)部因素都可以導(dǎo)致壓力計(jì)的測量誤差。而試油、試采工藝對壓力計(jì)的精度、分辨率及穩(wěn)定性等技術(shù)參數(shù)都有較高的要求，因此使用過程中較大的測量誤差就會使壓力計(jì)的測量值嚴(yán)重的偏離實(shí)際值，從而導(dǎo)致了電子壓力計(jì)的失效。壓力計(jì)在使用過程中導(dǎo)致失效的原因主要有以下幾種：

（1）、性能不穩(wěn)定
電子壓力計(jì)的核心部件是壓力傳感器、溫度傳感器、微處理器、存儲器；主要構(gòu)成電路為：信號放大電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、振蕩電路。這些電子元件及電路都會在劇烈震動的情況下導(dǎo)致電子壓力計(jì)的失效。
（2） 、測量數(shù)據(jù)紊亂
電子壓力計(jì)數(shù)據(jù)接口操作軟件的不成熟及電路的內(nèi)置電池能量不足都會導(dǎo)致壓力計(jì)采集的壓力及溫度數(shù)據(jù)與測試時(shí)間的非對應(yīng)性關(guān)系，這種況且稱之為電子壓力計(jì)的數(shù)據(jù)紊亂。
（3） 、非點(diǎn)
電子壓力計(jì)的另外一種失效形式是非點(diǎn)，指的是壓力計(jì)所采集的數(shù)據(jù)即溫度值、壓力值嚴(yán)重失真，大幅度偏離正常值，導(dǎo)致壓力計(jì)測量曲線的扭曲變形。在實(shí)際測試過程中，共有2種非點(diǎn)形式：一種是可以通過修正、刪除部分失真點(diǎn)而獲得正常測試曲線的少數(shù)非點(diǎn)；另一種是無法通過修改、刪點(diǎn)等技術(shù)手段祛除影響而恢復(fù)正常測試曲線的非點(diǎn)。前一種非點(diǎn)我們可以稱之為采點(diǎn)偏差，而后一種情況我們稱之為電子壓力計(jì)的非點(diǎn)失效。
（4） 、數(shù)據(jù)未寫入或未采全
支配電子壓力計(jì)數(shù)據(jù)處理的核心部件是帶有固定儲存容量的的微處理器，因而在對壓力計(jì)的硬件進(jìn)行編程時(shí)，必須合理的設(shè)置計(jì)數(shù)器的時(shí)序，并要綜合考慮寄存器的儲存容量，使系統(tǒng)在計(jì)劃的采集時(shí)間內(nèi)能夠按序的讀寫，同時(shí)要確保數(shù)據(jù)的存入數(shù)量，防止溢出，避免造成測試的失敗。
 

(5) 、超量程
超量程使用是導(dǎo)致電子壓力計(jì)失效的又一原因，如果在測試前沒有選擇好適合被測井段工況的壓力計(jì)，有可能在測試深井的過程中造成傳感器的損壞而導(dǎo)致電子壓力計(jì)的失效。
(6) 、電池鈍化
電子壓力計(jì)的供電裝置通常為高溫鋰電池，而在出廠前為了防止電池的自然放電要在其特性表面形成一層鈍化保護(hù)膜，而鋰電池的這種特性會導(dǎo)致其在低溫段電壓不穩(wěn)定，測量井下數(shù)據(jù)時(shí)容易造成采點(diǎn)異常，甚至?xí)�出現(xiàn)不可修復(fù)的非點(diǎn)失效和數(shù)據(jù)紊亂。
(7) 、泄露
從技術(shù)上分析，泄露是導(dǎo)致電子壓力計(jì)失效的主要因素。實(shí)際應(yīng)用過程中井下壓力計(jì)有三處容易出現(xiàn)泄露現(xiàn)象：首先是傳感器的導(dǎo)壓點(diǎn)附近；其次是密封核心電路板的密封倉；第三處是儀器與測井鋼纜連接的部分。導(dǎo)壓點(diǎn)附近的密封主要由制造工藝來保證，通常在高精度的機(jī)床加工中心，通過精心設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，能保證在導(dǎo)壓點(diǎn)附近承受井下的高壓而不漏水；密封倉采用的是O型圈密封技術(shù)，同樣高精度的機(jī)械加工，能夠保證壓力計(jì)的深井耐壓能力；儀器與鋼纜連接部分是最容易引起泄露的地方。在安裝過程中儀器與鋼纜的連接，我們通常稱之為“鎧裝”。這一工藝過程必須保證以下幾點(diǎn)：
a、鋼纜與儀器的信號連接必須是柔性連接，不承受軸向拉力。
b、鋼纜與儀器之間有抗法向轉(zhuǎn)動的裝置，避免信號連接被扭斷。
c、鋼纜與儀器連接點(diǎn)應(yīng)沉沒在絕緣填充材料中，外部壓力只能作用到填充材料上，確保電信號與外部的絕緣。
(8) 人為因素
人為因素對電子壓力計(jì)的影響主要有兩個(gè)方面：一是新手操作導(dǎo)致在壓力計(jì)裝配過程出現(xiàn)部件的損壞，由于電子壓力計(jì)屬于精密儀器，因此對于測試人員的操作水平及專業(yè)知識要求相對較高。二是運(yùn)輸過程中因保管不善，造成儀器內(nèi)部電路的損壞而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)紊亂及數(shù)據(jù)未采全現(xiàn)象。
4、失效預(yù)防措施
4.1、由于電子壓力計(jì)對于地層中的高溫、高壓及劇烈震動較為敏感，因此為了減輕傳感器瞬間受力強(qiáng)度，設(shè)計(jì)者應(yīng)在硬件電路或軟件系統(tǒng)方面設(shè)置一套壓力緩沖裝置。另外對于高溫、含硫的地層應(yīng)改變壓力計(jì)的密封結(jié)構(gòu)，防止泄露造成的電纜、電路及傳感器等部件的腐蝕和損壞。
4.2、按照優(yōu)選搭配及壓力計(jì)的性能特征選用適當(dāng)量程，適當(dāng)存儲容量的壓力計(jì)。由于壓力計(jì)的性能不穩(wěn)定性，選型時(shí)應(yīng)綜合對產(chǎn)品在使用過程中所能出現(xiàn)的問題及可靠性進(jìn)行分析，達(dá)到互補(bǔ)性的組合。例如，對于采點(diǎn)密度相對較稀的井區(qū)，一般選用低存儲量的壓力計(jì)，而測氣及壓裂井廠由于采點(diǎn)較多，一般選用大量程，高存儲量的壓力計(jì)。另外對于深井及采用深井壓裂工藝的特殊井型一般選用精度高、抗震性能好的SPAR壓力計(jì)，而測氣井、聯(lián)作井則應(yīng)選用DDI、SEI新型電子壓力計(jì)。
5、 結(jié)語:
掌握和分析電子壓力計(jì)的工作原理、性能指標(biāo)及失效形式，合理進(jìn)行壓力計(jì)的選型與搭配，確保儀器的維護(hù)與標(biāo)定到位，對于提高電子壓力計(jì)下井測試的成功率，在實(shí)際試采過程中已經(jīng)取得了明顯成效。同時(shí)，針對電子壓力計(jì)的各種失效形式，做好配套工藝的設(shè)計(jì)與革新，也是不斷挖掘測試儀器在油氣試采工作中發(fā)揮最大潛能的有效方式。目前，由于適用于復(fù)雜地質(zhì)巖層的電子壓力計(jì)測試技術(shù)和工藝還不甚全面，因而我們在今后的工作和學(xué)習(xí)中仍要加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)，不斷的積累經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為油田的勘探和開發(fā)提供更有力的技術(shù)支持。
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