陳 辰廖細明褚萬泉祁芳芳

(1.西南石油大學 四川成都) (2.中原油田分公司采油工程技術研究院 河南濮陽)(3.內江職業(yè)技術學院 四川內江)

電泵井永置式監(jiān)測技術與應用

陳 辰1廖細明1褚萬泉2祁芳芳3

(1.西南石油大學 四川成都) (2.中原油田分公司采油工程技術研究院 河南濮陽)(3.內江職業(yè)技術學院 四川內江)

電泵井永置式壓力/溫度測試系統(tǒng)是目前國內僅有的既能測井下流壓、又能做壓力恢復測試的高精度測試系統(tǒng),實現(xiàn)了電泵井壓力溫度的高精度測試,并且用較簡單的方法實現(xiàn)了壓力數(shù)據(jù)的高精度傳輸,節(jié)約了成本。

電泵井;壓力;溫度;測試

0 引 言

油氣藏開發(fā)進入中、后期,儲層和流體物性(孔、滲、飽等)均已發(fā)生較大變化,早期通過巖心實驗、巖屑錄井、鉆桿測試及電纜地層測試等方法獲得的基礎資料都已不能滿足油氣開采的需要,須比較頻繁地進行生產測井和試井工作來獲得寶貴的油氣藏動態(tài)信息。然而,這些措施不但要增加可觀的生產成本,而且在測試期間要停止生產,嚴重影響油氣井的生產能力。因此,開發(fā)出了一種能夠長期在油氣井中可靠工作的永久式監(jiān)測技術,在不影響油氣生產的前提下,連續(xù)監(jiān)測油氣藏的關鍵參數(shù)的變化情況(如流壓、溫度等),并通過試井解釋技術,為油氣藏的持續(xù)開采提供科學設計依據(jù)的儀器——電泵井永置式壓力/溫度測試系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)的組成及原理

該測試系統(tǒng)由三大部分組成:井下壓力/溫度測試探頭;載波信號的傳輸;地面接收與控制裝置。而在這三部分中,井下壓力/溫度測試探頭是其核心部分。

井下探頭的工作原理為:通過高精度傳感器將井底壓力、溫度轉換成微電壓信號,經放大電路和模擬/數(shù)字轉換芯片變成標準電壓信號,送入單片計算機進行運算、存儲,然后按照預定程序控制井下調制單元向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù),如圖1所示。

2 系統(tǒng)設計

2.1 井下探頭電子電路的設計

圖1 井下探頭工作原理框圖

井下探頭電子電路的設計原則分為降額設計、熱設計、冗余設計、電磁兼容性設計、漂移設計、潛電路分析和互連可靠性設計幾個方面。

1)降額設計 使元器件運用于比額定值低的應力狀態(tài)的一種設計。為了提高元器件的使用可靠性以及延長產品的使用壽命,必須有意識的降低施加在器件上的工作應力(如:電、熱、機械應力等)。降額的措施也隨元器件類型的不同而采用不同的規(guī)定,如半導體分立器件降額是使功耗低于額定值;接觸元件則必須降低張力、扭力、溫度和降低其它與特殊應用有關的限制[2]。

2)熱設計 元器件的布局要求各耗能元器件間應盡可能具有大的空間,應保證熱敏元器件處于探頭的最冷區(qū)。元器件的安裝要使用短的通道以使傳導熱阻最小;采用大面積以使傳導熱阻最小;使用具有高傳導率的材料以使傳導熱阻最小。

3)冗余設計 是用一個或多個單元(系統(tǒng))構成并聯(lián)形式,當其中一個發(fā)生故障時,其它單元仍能使系統(tǒng)正常工作的設計技術。在井下探頭中,對承受高電壓的井下電源整流電路和直接與高壓線路聯(lián)通的信號調制電路采用冗余設計,提高井下探頭的使用壽命。

4)電磁兼容性設計 各級電路連接應盡量縮短,高頻電路應盡量避免平行排列導線以減少寄生耦合,設計各級電路應盡量按原理圖順序布置,避免各級電路交叉排列;各級電路的元器件應盡量靠近各級電路的晶體管,應盡量使各級電路自成回路;各級均采用一點接地或就近接地,以防止地電流回路造成干擾,應將大電流地線和小電流回路的地線分開設置,對于會產生較強電磁場的元件和對電磁場感應較靈敏的元件,應垂直布置、遠離或加以屏蔽以防止和減少互感耦合;處于強磁場中的地線不應構成閉合回路,以避免出現(xiàn)地環(huán)路電流而產生干擾;電源供電線應靠近(電源的)地線并平行排列以增加電源濾波效果。

5)漂移設計 產生漂移的主要原因是元器件的參數(shù)標準值與實際數(shù)值存在公差、環(huán)境條件變化對元器件性能產生影響,或是使用在惡劣環(huán)境而導致元件性能退化等因素。通過在設計階段根據(jù)線路原理寫出特性方程,然后通過收集元器件的分布參數(shù)來計算它們的漂移范圍,使漂移結果處在設計范圍內,來保證設備正常使用。

6)潛電路分析 通過潛電路分析,消除電路中產生的不希望有的通路。它的存在會引起功能異常或抑制正常功能。

7)互連可靠性設計 在井下電路中,必須注意接插件的選型,印制電路板應盡量采用大板或多層板,以減少接插點;兩個插頭同時相對時,應采用將其中一個固定,另外一個浮動的方式,來保證對準和拔插;盡量采用機械固定方式;對于常插拔的部件,設計成單面走線[3]。

2.2 井下探頭外殼設計原則

選用高強度、耐腐蝕、易加工的阻磁金屬材料;最大直徑小于40mm,最大長度小于500mm;密封方式有效期大于400d,減振裝置抗沖擊量大于60t;連接方式必須滿足現(xiàn)場使用條件,無須大型設備配套使用。圖2所示為井下探頭的外殼原理圖。

2.3 探頭組成

井下探頭由多功能電源模塊,壓力、溫度傳感器,放大電路,模擬/數(shù)字信號轉換電路,單片計算機控制單元,調制發(fā)訊電路等組成。

1)多功能電源模塊 由于潛油電機存在星點不平衡交流電壓干擾,需將兩種電源信號統(tǒng)一整流、濾波、分壓和穩(wěn)壓,轉換成各種數(shù)值的精密直流電壓,電源模塊在高溫下的穩(wěn)定性是本項目的關鍵技術之一。另外,還使用了瞬間放電保護技術,用于消除高壓絕緣測試(2000V以上)對探頭帶來的風險。

2)壓力、溫度傳感器 將井底壓力、溫度轉換成毫伏級電壓信號。藍寶石襯底擴散工藝保證了壓力信號的測量精度,溫度測量則沿用了成熟的鉑電阻微功耗測量電路[4]。

圖2 井下探頭外殼原理圖結構圖

3)放大電路 將傳感器的毫伏級信號放大成符合模擬/數(shù)字轉換要求的電壓信號。該部分電路主要采用了抗溫度飄移效果好的對稱耦合電路設計,以抑制溫度變化對整體放大精度的影響。

4)模擬/數(shù)字信號轉換電路 將放大后的信號轉換成高精度的標準電平值并輸入到單片計算機的數(shù)據(jù)采集通道。

5)單片計算機控制單元 經過運算,將數(shù)字化的測量信號轉換成高精度的控制指令,指揮調制發(fā)訊電路將測量信號傳向地面。單片計算機控制單元還負責整個井下探頭電路的開機自檢和冗錯管理工作。

6)調制發(fā)訊電路 按照單片機的控制指令,按一定的頻率有序地發(fā)出高、低電流信號,按照與地面儀器的約定,將測量信號精確傳輸?shù)降孛?。該部分電路不同于一般的低壓調制電路,其耐壓指標在2000V以上,調制頻率還受到潛油電機定子繞組電感和長達2 000m以上的動力電纜耦合電容等非線性參數(shù)的制約,通訊頻率帶寬十分狹窄。

3 儀器的室內試驗及達到的技術指標

3.1 儀器的室內試驗

在高溫烘箱內完成了井下探頭150℃耐溫試驗,試驗結果完全符合設計要求;在井下工具試驗室完成了井下探頭50MPa耐壓高溫試驗,試驗結果完全符合設計要求;在中原油田作業(yè)一處電泵技術研究所實驗井完成了系統(tǒng)聯(lián)調模擬實驗,井下探頭測量數(shù)據(jù)準確,工作穩(wěn)定。

3.2 達到的技術指標

(1)壓力:量程0～50MPa,測量誤差小于0.1%;

(2)溫度:量程 0～150℃,精度 ±1℃;

(3)井下壓力計耐溫:150℃;

(4)井下可靠置入連續(xù)工作時間大于400d。

4 現(xiàn)場應用

我們在中原油田采油一廠W65-89井進行了現(xiàn)場實驗,至今測試系統(tǒng)已安全運行了400多天,實驗數(shù)據(jù)非常理想。

從該井生產數(shù)據(jù)的試井雙對數(shù)曲線(圖3)和Blasingame曲線(圖4)分析圖上看,導數(shù)曲線基本為一條水平線,反映不穩(wěn)定徑向流特征,類似于常規(guī)試井雙對數(shù)中的0.5水平線。由于測試時間短,導數(shù)曲線的晚期段沒有出現(xiàn)45°的上翹段(等同于常規(guī)試井解釋中的擬穩(wěn)定段),Fetkovich曲線(圖5)也反映了上述情況,Fetkovich曲線沒有交叉,說明還沒有達到擬穩(wěn)定流。

圖3 文65-89井生產數(shù)據(jù)雙對數(shù)曲線分析圖

圖4 文65-89井Blasingame曲線分析圖

圖5 文65-89井Fetkovich曲線分析圖

生產數(shù)據(jù)雙對數(shù)分析曲線與常規(guī)雙對數(shù)分析曲線的導數(shù)線都反應了均質油藏特征。采用均質無限大模型,曲線擬合較好。前者解釋結果滲透率為4.34×10-3達西,表皮系數(shù)為-1.27;后者解釋結果滲透率為4.17×10-3達西,表皮系數(shù)為-0.042。從二者解釋結果對比來看,吻合性較好,表明儲層無污染、低滲透油藏。說明生產數(shù)據(jù)分析技術是符合油田生產動態(tài)實際。

5 結束語

該項目成果為電泵井不停產試井提供了經濟、可靠的測試手段;為抽油機井和天然氣井的不停產試井工作奠定了可靠的基礎,縮短了上述內容的研發(fā)周期,節(jié)約了科研經費;該項目成果經濟效益和社會效益都非常顯著,推廣價值極高。但是還存在一些不足,井下探頭耐溫指標還未能達到國際最高水平(文獻記載為200℃)。

[1] 方舒東.永置式電泵井壓力溫度測試系統(tǒng)研制與應用[J].油氣井測試,2006,15(1)

[2] 李益升.穩(wěn)壓元件可靠性降額設計[J].電子產品可靠性與環(huán)境試驗,1994,43(6)

[3] 許幼玲.電子設備的可靠性設計[J].蘇州市職業(yè)大學學報,2002,13(4)

[4] 何道清.傳感器與傳感器技術[M].北京:科學出版社,2004

P631.8+3

B

1004-9134(2010)02-0028-03

2009-08-09 編輯:劉雅銘)

陳 辰,男,1983年生,西南石油大學07級在讀碩士,測試計量技術及儀器專業(yè),研究方向為地球物探儀器。郵編:610500