【正文】 測力計(jì)式應(yīng)變壓力計(jì)結(jié)構(gòu) 圖 33 測力計(jì)式應(yīng)變壓力計(jì)原理圖應(yīng)變壓力計(jì)的讀數(shù)主要受溫度影響和滯后影響。溫度影響主要是由于鎳鉻合金絲的電阻率隨溫度變化而變化。盡管壓力計(jì)同一骨架繞有相同的參考線圈和應(yīng)變線圈進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但由于溫度突然改變后需要一定時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，兩個(gè)線圈之間會存在溫差而導(dǎo)致壓力讀數(shù)的偏差。因?yàn)榫€圈升溫比降溫過程容易得多，故應(yīng)變壓力計(jì)下放測量比上提測量穩(wěn)定得更快。滯后影響取決于施壓方式。壓力增加過程中，應(yīng)變壓力計(jì)的讀數(shù)將有過低的趨勢；反之，壓力降低過程中讀數(shù)有過高的趨勢。對絕大多數(shù)應(yīng)變壓力計(jì)，滯后影響的最大誤差在177。68949Pa(10psi)范圍內(nèi)。如果壓力測井過程中下放測量，滯后影響比上提測量要小。應(yīng)變壓力計(jì)的分辨率為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)單位，即1psi。其重復(fù)性主要受滯后影響，為滿刻度的177。%(177。5psi)。儀器的絕對精度主要取決于壓力系統(tǒng)的標(biāo)定方式，如果不作任何校正，誤差可高達(dá)滿刻度的177。1%(100psi)；經(jīng)過標(biāo)定并作溫度校正后，精度可為滿刻度的177。%(13psi)。 石英壓力計(jì)石英晶體壓力計(jì)是以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。石英是一種壓電晶體，在受外力作用后，其內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移，因而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，電極表面將呈現(xiàn)出與被測壓力成正比的束縛電荷。將石英晶體傳感器接入振蕩電路，響應(yīng)頻率的變化便反映壓力的變化。石英是一種結(jié)晶的二氧化硅(SiO2)，自然形態(tài)為正六棱柱。假想在晶體上取出一個(gè)晶體單元，如圖34(a)所示，其橫截面在不受外力的自然狀態(tài)下為正六邊形，整個(gè)單元電荷互相平衡而呈中性。如果沿圖示的X軸(電軸)和Y軸(機(jī)械軸)方向?qū)w切片，并沿X軸對晶片施加壓力Fx迫使晶格變形，如圖34(b)所示，硅離子由于晶格壓縮而貼近上表面，使上表面出現(xiàn)正電荷，而下表面由于氧離子的貼近而出現(xiàn)負(fù)電荷，于是產(chǎn)生縱向壓電效應(yīng)。如果壓力是沿Y軸方向作用，如圖34(c)所示那樣，將使晶格產(chǎn)生縱向伸長變形，上、下表面由于離子的突出接近而出現(xiàn)負(fù)、正電荷，產(chǎn)生橫向壓電效應(yīng)。如果去掉壓力，晶格重新恢復(fù)正六邊形，電荷自然消失。圖 34 石英晶體壓電效應(yīng)原理壓電式壓力傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)，其大小可用下式表示 （31）式中 —作用在晶體X平面上出現(xiàn)的電荷大?。弧獕弘姂?yīng)變常數(shù)，對石英=10庫侖/牛頓。如果垂直于X軸的晶體面積為，壓力Fx均勻作用在這個(gè)平面上，即相當(dāng)于壓力為px=Fx/S1，則式(69)還可表示為 （32）式中，σx為晶面上的電荷密度?？梢?，晶體表面產(chǎn)生的電荷密度與作用在晶體上的壓力成正比，與晶體的尺寸(厚度、面積)無關(guān)。但是，壓電晶體的自振頻率與厚度有關(guān)。對厚h毫米的石英晶體，其共振頻率為=28650／h(KHz)。在石英晶片上施加壓力時(shí)，其振蕩頻率為 （33）式中，t為晶片厚度，ρ為體積密度，為彈性剛度系數(shù)。當(dāng)振子受壓力作用時(shí)，t相當(dāng)于泊松比變化，ρ相當(dāng)于體積變化，因而為影響f的主要因素。傳感器的自振頻率越高，則它可測出的壓力變化頻率越高。由于石英晶體本身的自振頻率比傳感器的一般工作頻率(10~30KHz)高得多，所以它不會影響傳感器的頻率上限。并且由于石英晶體比其它壓電材料的機(jī)械強(qiáng)度大，電阻率高，穩(wěn)定性好，不易老化和潮解，因此在壓力自動檢測中應(yīng)用很廣。石英壓力計(jì)由井下探測器和地面信號處理機(jī)組成，傳感器如圖35所示，它由兩個(gè)對壓力溫度敏感的石英晶體振蕩器組成。一個(gè)作為測量晶體，作用在晶體上的壓力會改變晶體振蕩器的頻率，并受環(huán)境溫度的影響；另一個(gè)作為參考晶體，置于真空中，其振蕩頻率僅受環(huán)境溫度的影響。平衡條件下，溫度對兩個(gè)晶體的影響相同?？潭葧r(shí)，二者形成一個(gè)配對晶體。圖 35 石英壓力計(jì)傳感器簡圖石英壓力計(jì)的測量響應(yīng)是晶體振蕩頻率的n次多項(xiàng)式，并同測量條件下的溫度有關(guān)，一般取n=3或n=5。若取n=3，則測量響應(yīng)表示為 （35）因此，儀器刻度需要確定G、H、I、J四個(gè)系數(shù)。由于各個(gè)系數(shù)均為溫度的函數(shù)，如，現(xiàn)場測量執(zhí)行預(yù)測程序時(shí)，一共有n2=16個(gè)數(shù)據(jù)要傳送給微處理機(jī)的存貯器，以檢查刻度系數(shù)。若取n=5，則預(yù)測程序需要有25個(gè)數(shù)據(jù)檢查刻度系數(shù)。壓力測量時(shí)，儀器將所測頻率信號通過電纜傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)把接收的信號頻率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的壓力值并記錄，同時(shí)通過陰極射線管顯示或描繪成壓力曲線。通常，儀器本身的溫度也同時(shí)測量并轉(zhuǎn)換成另一頻率電碼信號，這樣，地面儀器就能根據(jù)所測溫度自動進(jìn)行壓力的溫度校正。由此，所測壓力有很高精度。但是，石英壓力計(jì)在實(shí)際測井過程中仍會受溫度和壓力急劇變化的影響?！?，由于參考晶體置于真空中,需要的熱平衡時(shí)間更長些，這就意味著要得到穩(wěn)定的讀數(shù)必須等待數(shù)分鐘以便儀器達(dá)到穩(wěn)定。再者，當(dāng)壓力急劇變化時(shí)，在兩個(gè)晶體之間因?yàn)橛偷母魺岙a(chǎn)生一個(gè)溫度差異，也必須花費(fèi)時(shí)間才能達(dá)到讀數(shù)平衡。因此，石英壓力計(jì)適用于定點(diǎn)壓力測井。 流動壓力測井應(yīng)用穩(wěn)定流動壓力測井是在油氣井穩(wěn)定生產(chǎn)條件下進(jìn)行測量的，主要目的在于分析井內(nèi)流體流動狀態(tài)，估算油、氣井產(chǎn)能，確定油層入井流量關(guān)系，評價(jià)油井產(chǎn)狀和油層特性。油氣井的產(chǎn)能可以用生產(chǎn)指數(shù)來衡量，生產(chǎn)指數(shù)建立了產(chǎn)量變化同井底壓力變化的關(guān)系。當(dāng)油層壓力高于飽和壓力時(shí)，采油指數(shù)用下式計(jì)算 （34）式中，—日產(chǎn)油量；—流動壓力，可在穩(wěn)定生產(chǎn)條件下測??；—井底靜壓，可以關(guān)井用壓力計(jì)測得。一般情況下，常通過測量兩種不同產(chǎn)量下的井底壓力和流量，根據(jù)壓力擴(kuò)散方程的穩(wěn)態(tài)解，用下式估算采油指數(shù) （35）氣井的產(chǎn)能可采用“回井試壓法”進(jìn)行評價(jià)，即令氣井在三種不同的流量下穩(wěn)定生產(chǎn)，測出相應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)。其產(chǎn)能 （36）若將三個(gè)與的關(guān)系畫在雙對數(shù)方格紙上，將得到一條直線。這一直線外推到，就得到該井的潛在產(chǎn)能。在穩(wěn)定生產(chǎn)條件下測得的井底壓力同地面產(chǎn)量的交會圖，可用于確定入井流量關(guān)系，求出井底任意流壓下的產(chǎn)量。入井流量關(guān)系和生產(chǎn)井的垂直舉升能力結(jié)合，還可以評價(jià)井的工作條件。圖36是一口生產(chǎn)井關(guān)井期間發(fā)生層間橫流的例子。入井流量特性曲線表明，井底壓力處于30～35MPa的任意值時(shí)，將導(dǎo)致層間橫流現(xiàn)象。圖 36 關(guān)井期間的層間橫流如果在穩(wěn)定生產(chǎn)條件下同時(shí)測得各層的壓力和流量，作出各層產(chǎn)量同其壓力的交會圖，還可以評價(jià)各個(gè)儲層的生產(chǎn)特性以及層間干擾情況。 穩(wěn)定壓力試井應(yīng)用油井穩(wěn)定試井，是基于油井在一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定生產(chǎn)，其地層壓力相對穩(wěn)定這一概念基礎(chǔ)上。油井穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)，其流動壓力的大小直接反映了地層壓力的大小。在短時(shí)間內(nèi)改變油井的工作制度，即放大或縮小油嘴，其流動壓力和產(chǎn)量都要改變，但其地層壓力和采油指數(shù)可以保持相對穩(wěn)定。這樣只要測出兩種工作制度的流動壓力和流量，就可以比較容易地求出地層壓力和采油指數(shù)。穩(wěn)定試井的基本方法是的讓油井在某一油嘴下穩(wěn)定生產(chǎn)，用流量計(jì)和壓力計(jì)準(zhǔn)確測定油井產(chǎn)量q1和流動壓力。然后更換不同尺寸的油嘴，開井后使其生產(chǎn)重新穩(wěn)定，第二次測量油井產(chǎn)量q2和流動壓力。由于短時(shí)間內(nèi)地層參數(shù)均未變化，基于壓力擴(kuò)散方程的穩(wěn)態(tài)解，可以得到地層壓力 （37）根據(jù)（37）式，可以計(jì)算或用圖解法確定地層壓力。若用橫坐標(biāo)表示油井產(chǎn)量q，縱坐標(biāo)表示油井流動壓力，標(biāo)出兩種工作制度下的測值，兩點(diǎn)連線延伸后與縱軸交點(diǎn)讀數(shù)即為所求的地層壓力，如圖37所示。同樣地，根據(jù)(35)式計(jì)算或圖解，可以確定地層的采油指數(shù)，評價(jià)各個(gè)儲層的生產(chǎn)特性。圖 37 穩(wěn)定試井曲線從(37)式可知，影響穩(wěn)定試井的因素是產(chǎn)量和流動壓力。因此，穩(wěn)定試井要求油井生產(chǎn)正常，產(chǎn)量和流動壓力必須穩(wěn)定。所謂穩(wěn)定實(shí)際上是相對的，一般要求符合下述條件：油井在同一工作制度下，三天內(nèi)產(chǎn)量波動不超過5%；兩次測得的流動壓力波動不超過1at；采油指數(shù)變化不超過15%。采用穩(wěn)定試井法可以不關(guān)井求地層壓力和采油指數(shù)，這樣不影響油井生產(chǎn)，減少產(chǎn)量損失，高寒地區(qū)還可以防止冬季發(fā)生結(jié)凍事故。對于高含水自噴井，用穩(wěn)定試井法求地層壓力更為方便。穩(wěn)定試井法的優(yōu)點(diǎn)是不需應(yīng)用一些很難確定的參數(shù)，如折算半徑、供油面積、導(dǎo)壓系數(shù)等，只要改變油井的工作制度即可求出采油指數(shù)和地層壓力，選擇油井的工作制度；其缺點(diǎn)是耗時(shí)費(fèi)事，不能求更多的地層參數(shù)。在認(rèn)識油層方面，不穩(wěn)定試井是一種更重要的技術(shù)手段。 密度測井生產(chǎn)井中，不同層段或同一厚層的不同部位，可能產(chǎn)出不同性質(zhì)的流體。準(zhǔn)確判斷井底任意深度下流體的性質(zhì)，對于評價(jià)產(chǎn)層特性，求解各相流量，都是非常重要的。目前，生產(chǎn)測井主要通過測量井內(nèi)流體的密度或持水率識別流體的性質(zhì)，常用的流體密度測量技術(shù)有壓差密度計(jì)和伽馬密度計(jì)。 壓差密度計(jì)測井壓差密度計(jì)又稱密度梯壓計(jì)，利用兩個(gè)相距約60厘米的壓敏波紋管，測量井筒內(nèi)流體兩點(diǎn)間的壓力差值。對于摩阻損失不大的井眼，測出的壓力梯度正比于流體密度。測量結(jié)果對于識別井內(nèi)流體的類型以及流動狀態(tài)都有重要應(yīng)用。 測量方法原理壓差密度計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖38所示。壓敏箱和伸縮腔內(nèi)充滿密度為ρo的圖 38 壓差密度計(jì)的結(jié)構(gòu)煤油，當(dāng)儀器置于密度為ρ的流體內(nèi)時(shí)，流體便對壓敏箱產(chǎn)生一個(gè)作用力使浮動連管及與其相連的磁性插棒一起移動，從而使換能器的線圈內(nèi)輸出一個(gè)同井內(nèi)流體密度ρ有關(guān)的信號。在靜流柱中，標(biāo)準(zhǔn)壓差的關(guān)系為 (38)式中，d—壓敏箱間距；θ—井斜角度；—壓敏箱之間的垂直高差；g—重力加速度。根據(jù)總流柏努里方程式，井內(nèi)流道中壓力梯度的完整表達(dá)式應(yīng)為 (39)可以用文字表述為： 總壓力梯度＝重力梯度+摩阻梯度+加速梯度。加速梯度項(xiàng)一般情況下可忽略不計(jì)。因?yàn)橥ǔx器是在穩(wěn)定流動條件下測量的，兩個(gè)壓敏箱間距只有60厘米，其間速度變化很小。摩阻梯度是指流體和管壁以及儀器外表之間摩擦引起的壓力損失，并概括了流體的粘滯影響。一般情況下，當(dāng)流速低于60m/min時(shí)，便可以認(rèn)為壓差密度計(jì)測值僅與靜壓梯度有關(guān)，反映了流體密度值的大小。為了實(shí)用，測出的壓力梯度用密度值表示。斯侖貝謝公司的壓差密度計(jì)GMSB，～ g/cm3， g/cm3，測量精度為177。4％。 測井?dāng)?shù)據(jù)采集壓差密度計(jì)測井需要進(jìn)行精確的儀器刻度和嚴(yán)格的質(zhì)量控制。測井前、后都要進(jìn)行井場刻度?？潭确椒ㄊ窃诘孛嫦葘x器置于空氣中，調(diào)線路靈敏度，使儀器讀數(shù)；然后將儀器置于自來水池內(nèi)，調(diào)線路靈敏度，使儀器讀數(shù)為。這樣刻度后儀器的靈敏度便為。測井過程中的質(zhì)量控制還包括對井下情況的了解、正確操作控制和完整的資料記錄。要了解井內(nèi)出砂情況，以免妨礙儀器測量。并要了解井斜、井底溫度和壓力，檢查立管壓力，了解油管內(nèi)油氣界面深度以及油管上部30m處油的密度。儀器上測和下測必須保證有良好重復(fù)性，在井底靜液柱和高于產(chǎn)液口6 m以上的交連井段內(nèi)，至少以恒定速度進(jìn)行一次上測和一次下測，觀察測井讀數(shù)是否相同。測量過程還需注意觀察電纜張力和套管接箍顯示。測量井段的井斜度數(shù)作記錄報(bào)告，但不能改變儀器刻度作井斜校正。壓差密度計(jì)通常居中測量。在測井過程中，井內(nèi)流體一旦進(jìn)入儀器和套管之間變小的環(huán)形截面處，其流速就會增大，這時(shí)流體繞著移動的測量儀器還會產(chǎn)生一個(gè)附加的速度增量，對測量結(jié)果造成影響。因此，壓差密度計(jì)必須在下井儀器平穩(wěn)起落時(shí)測量和記錄，以提高測量精度，測井速度不超過3000m/h。壓差密度計(jì)的測井結(jié)果用兩種曲線顯示。如圖39所示，實(shí)曲線是用g/cm3刻度的；虛線是沒有刻度的放大測量，其靈敏度是實(shí)線的5倍。一般在已知密度的含水層進(jìn)行刻度，將放大壓差密度的每一個(gè)讀數(shù)用g/cm3來表示。圖 39 產(chǎn)液井中的壓差密度計(jì)測井曲線由前所述，壓差密度計(jì)測井讀數(shù)ρGr不單是流體密度ρf的函數(shù)，其完整的關(guān)系式可表示為 (40)式中，K、F分別表示速度項(xiàng)和摩阻項(xiàng)。速度項(xiàng)K一般情況下是一個(gè)很小的系數(shù)，影響可以忽略。但是，當(dāng)儀器上部與下部的流速明顯不同時(shí)，速度項(xiàng)就可觀了，可能造成測量曲線上的明顯異常。一般在儀器從套管進(jìn)入油管的地方會看到這個(gè)現(xiàn)象，如圖39所示。其原因是儀器上部油管內(nèi)的流速顯著大于下部套管內(nèi)的流速，所以造成一個(gè)上升尖峰。如果儀器下部流速明顯高于上部，則會造成一個(gè)下降異常，在流體進(jìn)入井筒的地方或裸眼井內(nèi)井徑明顯變化的地方，也會看到速度項(xiàng)造成的曲線跳躍。摩阻項(xiàng)F總是造成壓差密度計(jì)讀數(shù)的增加，與大流量以及小尺寸套管、油管或裸眼井等條件下形成的很高流速直接相關(guān)。一般在流量小于300m3/d時(shí)，摩阻項(xiàng)便可忽略不計(jì)。在井斜較大情況下，壓敏箱間距d并不代表60厘米的垂直高差，此時(shí)應(yīng)對測值作井斜校正 (41) 測井資料應(yīng)用生產(chǎn)井中壓差密度計(jì)測井曲線的定性分析可以區(qū)別進(jìn)入井眼的流體類型和劃分流體界面，定量解釋則可以確定兩相流中的持液率。另外，所測壓力梯度值與流量測井資料綜合分析，可以判斷井內(nèi)流體的流動機(jī)構(gòu)。一般說，在射開層段的邊緣上壓差密度計(jì)讀數(shù)有變化，即表明可能有流體進(jìn)入井內(nèi)。若有明顯數(shù)量的自由氣進(jìn)入油、水液柱中，測值會變低；如果有水進(jìn)入油或氣相中，測值會變高。但要注意，應(yīng)將流體進(jìn)入同井筒內(nèi)流體界面處發(fā)生的密度變化仔細(xì)區(qū)分開來。然而，如果壓差密度計(jì)在經(jīng)過一個(gè)射孔井段時(shí)沒有見到測值變化，并不一定該層沒有產(chǎn)出流體，也可能是該層接納井內(nèi)流體，或者產(chǎn)出與井眼內(nèi)已有流體密度相同的流體，應(yīng)當(dāng)結(jié)合渦輪轉(zhuǎn)速曲線分析判斷。所謂產(chǎn)出同密度的流體并非一定是同樣性質(zhì)的流體，比如一個(gè)井內(nèi)水柱中有少量氣體從中流過，混合密度與油相近，如果有油進(jìn)入井眼，壓差密度值不會有什么變化。在停產(chǎn)井中，氣、油、水會按重度分離，壓差密度曲線可以準(zhǔn)確劃分流體界面。生產(chǎn)井中，壓差密度計(jì)測井讀數(shù)經(jīng)校正后給出了井內(nèi)混合流體密度對兩相流動情況，如果井下重質(zhì)相密度和輕質(zhì)相密度已知，假定兩相持率分別為Yh和Yl，則由可得 (42)按此式計(jì)算持液