自适应随动触发射孔压力存储测试方法*

肖文聪，马铁华*，崔春生，岳掌宽，苗松珍(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原00051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原00051; .国网能源新疆准东煤电有限公司，新疆昌吉65200;.中国人民解放军第四三二八工厂，山西长治06000)

自适应随动触发射孔压力存储测试方法*

肖文聪1，2，马铁华1，2*，崔春生1，2，岳掌宽3，苗松珍4
(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051; 3.国网能源新疆准东煤电有限公司，新疆昌吉652300;4.中国人民解放军第四三二八工厂，山西长治046000)

针对前一代石油井下压力测试系统中绝对压力触发方式稳定性不高，触发压力选择不灵活，受工艺差异影响较大，关键数据易丢失等问题，提出了随动式触发方式的存储测试方法。该方法结合环空压力变化的特点，采用A/D与D/A控制器实时更新当前比较器压力数据，通过模拟比较，实现自适应随动触发功能。分析与实践表明:随动式触发方式能灵活适应不同射孔工艺捕捉瞬变压力信号的关键环节，有效提高了单次测试准确触发的可靠性。

自适应随动触发;射孔压裂;存储测试;可靠性

射孔技术是利用火药或推进剂的燃烧产生高压气体脉冲压裂地层，形成连通油气井与地层的多个径向裂缝，是有效的油气田增产措施。油井测压仪是用于自动测取油气田开采过程中射孔枪下井、射孔和压裂恢复整个施工过程关键压力数据的专用仪器，为高质量打开油气层，优化新的施工设计，完善射孔器设计，进一步研究射孔工艺提供研究依据［1-3］。

触发技术是油井测压仪中信息获取的关键技术，合理的触发方式能够帮助我们可靠获取关键信息，特别是针对射孔及高能气体压裂这样单次性瞬变信号，且环境无法引线，对触发技术的要求更高。当触发不准确时，关键的脉冲压力信号将会丢失。针对前一代油井测压仪中绝对压力触发方式存在抗干扰能力差，稳定性不高，受工艺和环境影响较大，容易在射孔脉冲压力信号未到来之前误触发等缺陷。因此，提出了基于自适应随动触发方式的油井测压仪设计。

1 动态存储测试与绝对压力触发方式

1.1 动态存储测试

石油井下射孔压裂过程中存在高温高压高冲击以及空间狭小复杂等恶劣环境。要在这样恶劣的环境下保证测试仪器可靠工作，采用存储测试技术具有很大的优势。存储测试技术的工作原理为:将传感器和外围测试电路牢固放置在耐高温耐腐蚀高强度的保护壳体内，壳体与外界接触面均通过螺纹和耐高温O型圈密封咬合，只把传感器的敏感面露出与被测信号直接接触，这样恶劣的工作环境就不会影响到测试电路的正常工作;然后将整个测试装置直接放入测试环境或测试对象中，信号被实时记录并存储在存储器内，记录完毕后回收测试装备读取数据［4-7］。存储测试装置结构框图如图1所示。

图1 存储测试结构框图

1.2 绝对压力触发方式

在油井射孔压裂存储测试中，触发技术是捕捉瞬变信息的关键环节，要求做到没有来射孔信号时不能误触发，射孔信号到来时可靠触发。前一代油井测试仪采用的是常用的绝对压力触发方式。

射孔弹起爆以后，内部火炸药迅速燃烧，井内环空压力剧增，见图2。这样就可以根据压力脉冲的峰值设定一个触发压力，当信号压力超过该压力时，电路进入触发状态开始高速采集［8］。图2中P1即为设定的绝对触发压力。

图2 绝对压力触发原理图

但由于测试仪工作环境特殊，井深不同，水的静压会有很大差别［9］;下井过程较长、环境恶劣，难免会有干扰毛刺或噪声信号使仪器误触发。另外，实际操作时绝对压力触发方式并不能适用于所有施工工艺，工艺不同压力传感器感受到井中液体的环空压力变化差别很大。具体而言，如采用电缆传输时，压力上升和下降基本都是匀速的，压力变化率约20 kPa/s，相对比较缓慢;使用TCP(油管传输)传输时，受到油管起下过程中在环空突然激起的准静态压力会升高1 MPa～5 MPa，上升率约为0.2 MPa/s;油管传输到特定层位，根据工艺的不同有可能会进行加压起爆等工艺，这个过程升压速度比较慢，但升高的压力会在静压的基础上增加20 MPa～30 MPa。而复合射孔及高能气体压裂生成的动态压力与上述的信号相比，上升时间要快很多，约20μs～60μs，见图3。但峰值压力受很多因素的影响差别很大，一般比静水压高出10 MPa～70 MPa，比如动态负压射孔增加的动态压力10 MPa～12 MPa，只比油管激起的准静态压力高几个兆帕。综上所述，环空中压力变化很复杂的，触发方式必须由复杂压力变化中的起爆压力特征决定，故特别设计随动触发方式以保证触发的可靠性。

图3 环空压力信号特征与随动触发原理

2 自适应随动触发方式的油井测压方法

压力的相对变化率是爆炸信号独特的特征，结合变化的差值能够判断起爆信号，将这种方法称为随动触发方法［9］。这种方法能够适合多种井下复合射孔和高能气体压裂的施工工艺，其实现原理如图4所示。

图4 随动触发比较数据存储

数据Pt…Pt-Δt是在内存空间开辟的一组FIFO寄存器，采集的当前数据Data in赋值给Pt，Pt的值赋给Pt-1，以此类推，Pt-Δt的数据丢弃不用。这样形成一个按顺序排列的，不断更新的数据流。每一次更新数据后，都判断Pt-Pt-Δt是否大于等于10 MPa，如果成立，继续延迟20μs判断，如果仍然成立，则认为触发信号到，否则不改变原来状态继续等待触发信号。Δt是2个数据的时间间隔，一般取1 ms，可以认为当前数据一直在和Δt时间之前的数据进行比较，而Pt-Pt-Δt是一个始终随着井下过程变化的值。

具体硬件通过比较器、ADC、DAC精确配合实现。比较器输入信号是经DAC转换输出的模拟信号和ADC12采样前的模拟信号VINP。FIFO每1 ms更新一次DAC的输入，每一次更新会在ADC12转化的数字量基础上加上一个可编程的量PΔt(10 MPa)。这样，随动触发电路会自动的在采样过程中寻找到在1 ms内外界压力变化超过PΔt的射孔信号，并且进入比较器中断将采样状态切换成触发状态。为了避免毛刺干扰引起的误触发，比较器中断会延迟20μs再次判断比较器的输出CAOUT是否为1，如果不是将不改变采样状态。其原理框图如图5所示。

图5 硬件实现随动触发原理图

由于整个测试过程时间较长，下井阶段不同数据特点也不同，为防止无用数据冗余，采样策略及负延迟设计与触发技术的配合是系统设计的关键［10-11］。本系统采用自适应采样策略，整个采样过程为:上电后系统通过TA定时器中断控制ADC12以1 Hz的采样频率采样，用以记录下井阶段静压;当实时压力值随下井深度升高到预先编程静压值时，系统确认进入目标油层，进入125 kHz高频采样阶段，这时采到的数据是高频往1KB空间负延迟FIFO里写，并更新比较器DAC端的输入，1 kbyte负延迟数据是保证射孔信号完整的关键，TB定时器中断控制从FIFO起始地址写入Flash存储器的速度，等待触发信号的到来;当射孔压力变化值达到随动触发压力的差值时，电路触发便以125 kHz的速度直接往存储器里存数据，此数据便是射孔关键数据;高速存储5 s后，TA定时器控制ADC12进入500 Hz中速采样，测取压力恢复数据10 min;结束后系统进入待读数低功耗状态。变频采样负延迟随动触发原理图如图6所示。

图6 变频采样负延迟随动触发原理图

3 测试验证

本次改进设计经实验室标定和多次模拟试验后，在某油田进行了复合射孔压裂测试。图7曲线是内置式随动触发方式的复合射孔井下实测曲线。

测试时记录仪放置在射孔器的底部，图7曲线以负延迟起始点数据作为坐标时间原点，ts时刻开始下井采集数据，从曲线可以看出电缆下井15 min左右到达目标油层，时间零点处是未点火时井内液体静压16.34 MPa。t1时刻起爆测试电路触发，高压气体冲出射孔器，射孔器外环空压力上升，由于环空中充满液体，几乎没有自由体积，因此压力上升很快，约88μs达到了峰值压力56 MPa。t2时刻地层开裂井内气体被大量吸收，因而压力突降。t2时刻之后的压力基本上属于类准静态压裂过程，同时推动液柱向上运动。压力大于25 MPa的总有效压裂作用时间约10 ms。

图7 随动触发复合射孔井下实测数据

图中可以观察到t3时刻有个峰值为35 MPa的压力脉冲，这是射孔压裂脉冲传到井底并被反射回来的压力波，称其为伴随脉冲［12］。伴随脉冲在传播和反射过程是有规律的，传播距离越远，脉冲的时间间隔就越宽，同时峰值压力越低。因此射孔层位越靠近井底，伴随脉冲特征越明显，而且离主脉冲越近，甚至当主脉冲作用时间特别长的时候，两者叠加在一起。

从曲线参数可以看出测试结果符合射孔压裂过程的压力变化规律，自适应随动触发设计方案在油井测试仪中是十分可行的，具有可靠性和实用性。

4 结论

本文提出了自适应随动触发射孔压力存储测试的方法。该方法结合环空压力变化特点，灵活控制AD、DA控制器，借用负延迟技术和变频采样策略，实时采集和更新当前比较器压力数据，通过模拟比较，实现自适应随动触发功能，准确测取石油井下射孔压力关键数据。实践表明该方法不受工艺差异的影响，与施工中难以预测的绝对压力也没有关系，触发稳定可靠、抗干扰能力强。

［1］崔春生.新型石油井下动态参数测试技术研究［D］.太原:中北大学，2007.

［2］赵纯.微功耗小体积石油井下压力测试系统研究［D］.太原:中北大学，2009.

［3］祖静.新概念动态测试［J］.测试技术学报，2003，18(z):1 -10.

［4］李亚娟，尤文斌，杨卓静，等.无线控制的负延时存储测试方法［J］.探测与控制学报，2011，33(4):15-16.

［5］马英卓，祖静，张瑜.低功耗瞬态火炮膛压存储测试以设计［J］.传感技术学报，2013，26(1):128-130.

［6］董玉冰，杜红棉，祖静.基于无线控制的冲击波超压测试系统［J］.传感技术学报，2010，23(2):279-281.

［7］尤文斌，马铁华，祖静，等.基于加速度修正的弹底压力存储测试方法［J］.探测与控制学报，2012，34(4):6-8.

［8］张文栋.存储测试系统的设计理论及其在导弹动态数据测试中的实现［D］.北京:北京理工大学，1995.

［9］崔春生.油气井复合射孔/压裂过程动态信息获取方法和理论［D］.太原:中北大学，2013.

［10］裴东兴，赵慧武，马铁华，等.射孔压力存储测试系统的关键技术研究［J］.测井技术，2010，34(6):610-612.

［11］刘祖凡.井下动态压力测试技术研究［D］.太原:中北大学，2012.

［12］李东传，石健，金成福.复合射孔器压裂能力评价方法的探讨［J］.火工品，2008(3):32-35.

肖文聪(1989-)，男，汉族，湖北鄂州人，硕士，研究方向为动态测试与智能仪器，freexruce@gmail.com;

马铁华(1964-)，男，汉族，山西交城人，教授，博士生导师，主要从事测试计量技术及仪器学科、现代传感技术与系统、光通信技术，matiehua@nuc. edu.cn。

Adaptive Servo Trigger Method in Perforating Pressure Storage Testing*

XIAO Wencong1，2，MA Tiehua1，2*，CUI Chunsheng1，2，YUE Zhangkuan3，MIAO Songzhen4

(1.National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Education Ministry Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China; 3.State Grid Energy Xinjiang Zhundong Coal Co-Ltd，Changji Xinjiang 652300，China; 4.People’s Liberation Army 4328 Factory，Changzhi Shanxi046000，China)

The absolute pressure trigger mode is not stable in the previous generation of downhole pressure test system.In previous method，the choice of absolute trigger pressure is not flexible，it is greatly influenced by technological differences.As the key data in absolute pressure trigger mode lost easily.We put forward the adaptive servo trigger storage testing method.According to the transformable characteristics of the annulus pressure，this method uses A/D and D/A controller to update currentcomparator pressure data in real time.It achieved the adaptive servo trigger function by simulation comparison.Analysis and practice show that the servo trigger method can be adapted to different perforating technology flexibility.It can capture the key link of transient pressure signal.This method improved the reliability of the single test accurate trigger effectively.

adaptive servo trigger;perforation fracturing;storage testing;reliability

TP23

A

1004－1699(2014)05－0587－04

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.05.003

项目来源:山西省煤层气联合研究基金项目(2013012010);山西省归国留学人员重点科研项目(2008003)

2014-02-28

2014-04-14