【文章內(nèi)容簡介】 壓為 ～，存儲容量為 50 萬組數(shù)據(jù)點。圖 Tech 公司 CTST 電子壓力機中北大學(xué)學(xué)位論文5 國內(nèi)研究狀況大慶試油試采分公司研制開發(fā)的井下 P～t 檢測儀可以記錄復(fù)合射孔作業(yè)過程中的 P～t 曲線。存儲容量為 524288 個字節(jié)，采取變速采樣策略，首先高速采樣（頻率為 500/250kSa/s） ，采集存儲 262144 個數(shù)據(jù)點，然后進(jìn)入低速采樣狀態(tài)（頻率為） ，采集 258048 個數(shù)據(jù)點。該儀器的測壓范圍為 0～180MPa，分辨率為 8bit，工作頻帶 0～30kHz，動態(tài)誤差小于 2%FS，信號內(nèi)觸發(fā)實現(xiàn)變速采樣，工作溫度 0～400℃。西安斯坦儀器股份有限公司研制的 GYL 系列高溫高壓高精度的電子壓力計如圖 所示，主要用于油井的流壓、靜壓和井下溫度的測量。該測試儀硬件上采用超穩(wěn)定高精度傳感器、低功耗高可靠 CPU、多級保護(hù)型 I2C 總線 E2PROM、電源監(jiān)視器，保證壓力測量精度、長期穩(wěn)定性和儀器的可靠性。壓力測量范圍 0～80 MPa，壓力測量精度 %，溫度測量范圍40～155 ℃ ，最大采樣點數(shù) 20 萬點，最小測量間隔 1 秒，最大測量間隔 18 小時。圖 GYL 型電子壓力機哈爾濱工程大學(xué)設(shè)計了一種用于記錄射孔時產(chǎn)生的壓力和加速度信號的測試儀，采用了錳銅壓阻式傳感器和壓電式加速度傳感器，采用存儲器冗余保護(hù)電路和分頁技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高溫高壓環(huán)境下對壓力和加速度信號快速采集和可靠存儲。測試時在地面上可以通過 PC 機對儀器的采樣周期和空閑時間進(jìn)行設(shè)置。最高工作壓力 150MPa，加速度177。2022g，壓力分辨率小于 ～1MPa，最高環(huán)境溫度 125℃，數(shù)據(jù)保持時間 30天。西安石油大學(xué)陜西省鉆機控制重點實驗室研制了一種用于記錄壓裂作業(yè)時井下中北大學(xué)學(xué)位論文6溫度和壓力信號的高溫大容量存儲式電子壓力計。該儀器由上位計算機和井下測試儀兩部分組成，上位機對測試儀標(biāo)定、初始參數(shù)設(shè)置等，井下測試儀以單片機為核心，由信號調(diào)理電路、存儲陣列等組成 [8]。最高環(huán)境溫度 125℃，最高工作壓力 125 MPa，存儲容量 16Mb。分析國內(nèi)外井下動態(tài)測試研究現(xiàn)狀可知，國外的井下測試系統(tǒng)具有高性能、高可靠性，能夠滿足石油勘探與開發(fā)的要求，而且技術(shù)比較成熟，在各大油田得到廣泛的推廣使用，但國外儀器價格昂貴，而且有技術(shù)封鎖和壟斷，不利于我國石油工業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)研發(fā)的石油測井儀器各有特點，但大部分只能用于測試靜壓，少數(shù)用于壓裂壓力測試，但在不同地質(zhì)儲層下使用局限性大，可靠性不高，不能滿足石油工業(yè)的需求。中北大學(xué)動態(tài)測試實驗室，結(jié)合自身動態(tài)測試方面的優(yōu)勢，經(jīng)過多年的努力成功研制了一系列石油井下壓力、溫度、加速度多參數(shù)測試系統(tǒng)，已達(dá)到國際先進(jìn)水平。如圖 所示，該儀器具有可靠性高、高精度、操作簡單等優(yōu)點，測壓范圍為：0~210MPa，測量工作時間：15~40 天，工作環(huán)境溫度 140℃，分辨率 12bit，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各大油田。圖 井下動態(tài)參數(shù)測試儀 測量不確定度理論發(fā)展現(xiàn)狀測量結(jié)果質(zhì)量在科學(xué)研究、現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)以及技術(shù)交流等諸多涉及測量的領(lǐng)域中具有重要和現(xiàn)實的意義，為了在國際上統(tǒng)一對測量結(jié)果質(zhì)量的評定，1978 年國際計量委員會（CIPM）要求國際計量局對測量結(jié)果不確定度進(jìn)行研究。1981 年，CIPM 在中北大學(xué)學(xué)位論文7INC1 國際建議的基礎(chǔ)上給出了測量不確定度表示方法的建議，1993 年《測量不確定度表示指南》 （縮寫為 GUM）被 ISO 正式發(fā)布并出版，1999 年我國給出了國家計量技術(shù)規(guī)范（JJF10591999） 《 測量不確定度評定與表示》 [9]。但現(xiàn)有的不確定度評定理論，只考慮了靜態(tài)測量的不確定度評定問題，且一律采用標(biāo)準(zhǔn)差合成的不確定度，對動態(tài)不確定度評定缺少一套完善的理論體系做指導(dǎo) [10]。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，無論在科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和工程實踐等領(lǐng)域，都越來越多地要求進(jìn)行動態(tài)測量，靜態(tài)測量技術(shù)已不適應(yīng)現(xiàn)代測量的要求，動態(tài)測試技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代測試技術(shù)的主流 [11]。由于被測量具有時變性、隨機性和相關(guān)性，隨著祖靜教授新概念動態(tài)測試?yán)碚摰奶岢雠c應(yīng)用，被測環(huán)境的影響成為不可忽視的因素，使測量系統(tǒng)的測量不確定度參數(shù)不在是一個具體數(shù)值，而可能隨著被測參數(shù)、時間、環(huán)境因子而變化，且在極端應(yīng)用條件下，不確定參數(shù)變化甚至十分劇烈，因此使用靜態(tài)測量不確定度的評定方法已不能科學(xué)評定這類測量結(jié)果的質(zhì)量，必須采用動態(tài)測量的不確定度評定方法。對動態(tài)不確定度評定原理的研究與應(yīng)用，為現(xiàn)代不確定度理論的主要方向。對于動態(tài)不確定度評定問題，合肥工業(yè)大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室已進(jìn)行了一些研究，將動態(tài)不確定研究與測試系統(tǒng)相結(jié)合，對由于測量過程中系統(tǒng)空間上的動態(tài)變化及測試過程中系統(tǒng)特性變化導(dǎo)致不確定度的動態(tài)性進(jìn)行了初探。同濟大學(xué)的殳偉群、北航的黃俊欽、中國計量學(xué)院的宋明順等也進(jìn)行了動態(tài)測量不確定度研究，并簡單說明動態(tài)測量不確定度的評定步驟，進(jìn)行了動態(tài)不確定度方法的探討。國外的一些專家學(xué)者將非統(tǒng)計理論引入不確定度評定體系，給動態(tài)不確定度評定打開了新的局面，但總體上來看，都是對動態(tài)不確定度的初步探討，還需要進(jìn)一步的研究。 本課題完成的工作及研究內(nèi)容1) 射孔、壓裂壓力測試系統(tǒng)的研究：分析上代產(chǎn)品實測過程中系統(tǒng)故障原因及被測環(huán)境和被測信號特點，明確系統(tǒng)設(shè)計要求，確定系統(tǒng)總體設(shè)計方案及其工作過程，對測試系統(tǒng)的機械殼體、硬件電路設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。2) 測試系統(tǒng)動態(tài)特性研究：根據(jù)動態(tài)測量對系統(tǒng)動態(tài)特性的要求，對測試系統(tǒng)所采用傳感器的動態(tài)特性進(jìn)行研究，并對測試系統(tǒng)的靈敏度進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)標(biāo)定。中北大學(xué)學(xué)位論文83) 動態(tài)不確定度評定研究：在 GUM 的測量不確定度評定理論的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了靜態(tài)測量不確定度評定方法，結(jié)合動態(tài)測量原理及測試系統(tǒng)的動態(tài)特性，基于誤差源進(jìn)行了動態(tài)不確定度的研究，分析了動態(tài)不確定度來源的特點及其合成方法。4) 動態(tài)壓力測試系統(tǒng)引起的動態(tài)不確定度分析：根據(jù)射孔壓力測試原理、測試系統(tǒng)動態(tài)特性及其高溫、高壓、高沖擊的工作環(huán)境等，分析動態(tài)測試系統(tǒng)不確定度來源，求出各不確定分量，最后給出測試系統(tǒng)的擴展標(biāo)準(zhǔn)不確定度。中北大學(xué)學(xué)位論文9第二章 石油井下壓力測試系統(tǒng)的研究射孔、壓裂瞬間動態(tài)壓力參數(shù)是評價射孔、壓裂效果的重要指標(biāo)，現(xiàn)有理論還無法定量確定射孔、壓裂作業(yè)過程中產(chǎn)生的 P～t（壓力～時間）特性曲線是否適合該地層條件，這樣的射孔彈及藥量能否產(chǎn)生需要的 P～ t 曲線，因此，對射孔、壓裂壓力參數(shù)的測取是顯得十分必要。石油井下壓力測試系統(tǒng)是為滿足射孔、壓裂工藝的發(fā)展需求而研制的，能夠完整可靠地測取壓裂過程中的 P～t 曲線，為提高油氣井產(chǎn)能和射孔、壓裂工藝技術(shù)的研究提供理論依據(jù)。 被測對象及測試要求分析 射孔技術(shù)及被測環(huán)境分析P～t 測試儀要放置到被測環(huán)境中，與射孔槍有相同的運動狀態(tài)，實時完成對動態(tài)壓力信號的采集與存儲，最后回收測試儀，通過計算機處理和顯示測取的動態(tài)壓力信號，是存儲測試技術(shù)在民用領(lǐng)域的一個重要應(yīng)用；其主要技術(shù)特點是在被測環(huán)境中實時實況采集存儲，事后回收處理再現(xiàn)；關(guān)鍵技術(shù)在于保證研制的 P～t 測試儀在被測環(huán)境中能夠正常工作，且不影響（或在允許范圍內(nèi)）被測對象工作 [12]，這就要求對射孔技術(shù)及石油井下環(huán)境有充分的了解。（1）射孔作業(yè)是油氣田開發(fā)和勘探的重要環(huán)節(jié)，是形成井筒與油氣儲層之間液、氣流通通道的主要方式。近年來，射孔完井技術(shù)不斷發(fā)展與完善，大體上分為以下幾個階段：精確打開油氣層、保護(hù)油氣層和進(jìn)一步解放油氣層三個階段，射孔器大體經(jīng)歷了機械射孔器、子彈射孔器、聚能射孔器等階段，輸送方式有：電纜輸送和油管輸送，相關(guān)配套設(shè)備也在不斷完善 [13]。隨著對油氣井多次的開發(fā)與利用，油氣層質(zhì)量下降，類型更加復(fù)雜，常規(guī)射孔技術(shù)無法滿足要求，對射孔器、射孔工藝提出了更高的要求，要求開發(fā)技術(shù)的深入發(fā)展，復(fù)合射孔技術(shù)應(yīng)用而生。復(fù)合射孔一次完成射孔和壓裂兩個過程，整個過程中出現(xiàn)兩次峰值壓力：聚能射孔彈峰值壓力和壓裂藥延遲燃燒產(chǎn)生的峰值壓力。高能氣體的壓裂作用是復(fù)合射孔的中北大學(xué)學(xué)位論文10關(guān)鍵，壓裂藥主要成分之一是在沖擊波作用下易發(fā)生爆炸的硝化棉，壓裂藥添加在射孔槍內(nèi)聚能射孔彈的四周，導(dǎo)爆索引爆射孔彈同時引燃壓裂藥，通過聚能射孔彈的爆速和壓裂藥的燃速差來實現(xiàn)射孔與壓裂，壓力的產(chǎn)生和維持是二者綜合作用的結(jié)果 [14]。復(fù)合射孔技術(shù)已經(jīng)被各大油田廣泛使用，但還存在很多問題，甚至出現(xiàn)安全事故，主要問題是井下環(huán)境中藥劑的安全性、沒有完善的理論說明能量釋放過程，檢測手段不完善，復(fù)合射孔過程中容易出現(xiàn)射孔槍的脫裂或斷槍，影響油氣井的開發(fā)利用，造成經(jīng)濟損失，因此，進(jìn)一步推動復(fù)合射孔技術(shù)的發(fā)展，需要通過完整的理論體系來指導(dǎo)實踐。（2）測試系統(tǒng)工作環(huán)境分為地面和井下，我們主要分析井下工作環(huán)境及其對儀器的影響。井下壓力和溫度主要受井深的影響，同時還與當(dāng)?shù)氐膸r層結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。地下溫度隨深度的增加而升高，地溫梯度通常為(1~3) ℃／百米，火山活動區(qū)較高，井下壓力主要是由液柱重量引起，壓力梯度大約為 [15]。在深度幾千米的井下，溫度可能達(dá)到數(shù)十度，壓力值達(dá)到數(shù)十兆帕，甚至更高，溫度對電路的影響是非常大的，通常會影響電路的精度和可靠性，甚至造成電子元器件的損壞，導(dǎo)致電路無法正常工作，同時由于靜液壓力的存在和射孔槍爆炸時會產(chǎn)生劇烈的振動和沖擊，壓力測試系統(tǒng)必須采取防護(hù)措施。 井下壓力測試系統(tǒng)故障分析根據(jù)我國射孔、壓裂工藝的不斷發(fā)展缺乏完善的理論指導(dǎo)這一現(xiàn)狀，本實驗室結(jié)合自身技術(shù)優(yōu)勢，開發(fā)研制了不同型號的井下動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)，在國內(nèi)各大油田投入使用，但由于油井深度、井況、射孔、壓裂工藝等的不同，現(xiàn)場實測也有失敗的現(xiàn)象，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為下一代產(chǎn)品的研制提供珍貴的資料，有必要分析和總結(jié)失敗的原因。在多次的現(xiàn)場實測過程中導(dǎo)致失敗的情況有以下幾種：? 電池故障——在射孔、壓裂壓力實測現(xiàn)場，測試系統(tǒng)與射孔槍連接在一起，承受射孔彈爆炸時的高沖擊作用，電池在高沖擊下會出現(xiàn)瞬間掉電的現(xiàn)象，造成系統(tǒng)復(fù)位，導(dǎo)致現(xiàn)場實驗的失敗。? 傳感器故障——我們使用的是壓阻式壓力傳感器，在井下高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境中，傳感器會有以下幾種故障：傳感器被震壞；傳感器零點漂移嚴(yán)中北大學(xué)學(xué)位論文11重，導(dǎo)致裝置誤觸發(fā)；傳感器工作頻帶不能滿足測試要求。? 電路故障——在實測過程中經(jīng)常出現(xiàn)電路故障，主要有：晶振失效，晶振為整個系統(tǒng)提供時鐘信號，晶振失效后整個系統(tǒng)就停止運行；單片機等主控芯片的失效，導(dǎo)致測試系統(tǒng)不能按照要求運行等。? 觸發(fā)電平設(shè)置故障——由于測試系統(tǒng)在下井前需要進(jìn)行編程設(shè)置，由于觸發(fā)電平設(shè)置不合理，導(dǎo)致測試系統(tǒng)不能觸發(fā)，無法獲得射孔、壓裂壓力變化數(shù)據(jù)。總之，以上都是在現(xiàn)場實測過程中出現(xiàn)的各種問題，通過對故障的分析與總結(jié)，將實踐經(jīng)驗運用于測試系統(tǒng)研發(fā)中，為研制更為可靠的井下壓力測試系統(tǒng)提供實踐經(jīng)驗。 測試系統(tǒng)需要滿足的測試要求根據(jù)前面對射孔、壓裂技術(shù)及井下環(huán)境的分析可知，P～t 測試儀工作在高沖擊、高溫、高壓，空間有限制的惡劣環(huán)境下，且采用電池供電，結(jié)合先前實測的經(jīng)驗教訓(xùn)，總結(jié)出井下壓力測試儀必須滿足的測試要求：（1） 機械殼體、電路模塊的體積應(yīng)盡可能的小，滿足存儲測試要求，且能耐高溫、高壓、高沖擊，裝配簡單，易操作。（2） 電路設(shè)計在滿足技術(shù)要求的前提下，優(yōu)化系統(tǒng)邏輯，保證在實際工作環(huán)境中正常工作，且盡量降低系統(tǒng)功耗。（3） 傳感器必須具有較好的動態(tài)特性，且能夠適應(yīng)高溫、高壓、高沖擊的環(huán)境。（4） 儀器必須具有良好的密封性，防止井下液體進(jìn)入儀器，導(dǎo)致無法正常工作。（5） 電源必須在整個測試過程中有穩(wěn)定的電壓輸出值。（6） 測試儀各部件在整個使用過程中性能指標(biāo)不能發(fā)生突變，保證測試精度。 井下壓力測試儀的設(shè)計綜合考慮測試要求，井下壓力測試儀應(yīng)滿足低功耗、小體積，且能夠在高溫、高中北大學(xué)學(xué)位論文12壓、高沖擊的惡劣環(huán)境中安全、可靠的測取射孔、壓裂過程中動態(tài)壓力信號，同時保持?jǐn)?shù)據(jù)長時間不丟失，保證順利回收被測信息。 測試系統(tǒng)的總體設(shè)計測試系統(tǒng)由兩部分組成，一部分為井下部分，由傳感器及信號調(diào)理電路、電源管理電路、數(shù)據(jù)采集與存儲電路構(gòu)成，將傳感器獲得模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理電路，通過單片機控制內(nèi)部 A/D 進(jìn)行信號的采集，然后存入電路中的存儲器，完成信號的采集、處理、存儲。另一部分，主要由計算機構(gòu)成，對測試儀存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取分析、處理及顯示數(shù)據(jù)圖表以及打印，兩部分通過 USB 及專用接口電路通信，傳輸數(shù)據(jù)，測試系統(tǒng)的組成如圖 所示。單片機數(shù)據(jù)采集存儲控制模塊電路傳感器 信號調(diào)理電路存儲模塊電源管理模塊壓力源接口電路計算機高溫電池機械殼體 圖 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)工作狀態(tài)分析根據(jù)測試系統(tǒng)要測取的壓力信號：地面和下井過程中的靜壓信號、射孔與壓裂時的快速瞬變信號及射孔后壓力恢復(fù)信號，確定測試系統(tǒng)的工作過程如圖 所示，將測試系統(tǒng)的工作狀態(tài)確定為 8 個：中北大學(xué)學(xué)位論文13圖 測試系統(tǒng)工作過程1) 低功耗狀態(tài)。由于被測環(huán)境的特殊性，為了保持測試系統(tǒng)的可靠性，電池采用焊接方式與測試電路連接，系統(tǒng)不工作時處于特定的低功耗狀態(tài)；2) 定時等待狀態(tài)。因測試系統(tǒng)采用電池供電，為了提高電池的有效利用率與系統(tǒng)有效工作時間，結(jié)合實際施工過程設(shè)定一個定時值，使系統(tǒng)在射孔、壓裂前的大部分時間處在低功耗狀態(tài)；3) 低速采樣。電路啟動后，在射孔、壓裂前的一段時間內(nèi)對井下的靜壓低速采樣；4) 高速采