基于模拟油井的井下测试仪温度修正校准方法*

肖文聪,马铁华*,崔春生,温星曦

(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)



基于模拟油井的井下测试仪温度修正校准方法*

肖文聪1,2,马铁华1,2*,崔春生1,2,温星曦1,2

(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)

针对石油井下射孔压力测试中,在射孔完井过程中会释放大量的热量,压阻式压力传感器的温度效应成为影响测试精度的主要因素。为准确测取井下压力,用现有模拟油井试验装置模拟井内高温高压环境建立了校准系统。在多个温度环境下进行校准试验,通过与溯源性校准的标准测试系统的对比计算,利用最小二乘法得出压阻传感器在不同温度条件下的灵敏度,根据测试仪采集的实时温度数据值修正了压力数据,计算表明压力曲线峰值比修正前小1.4 MPa,为压力峰值的2.08%,表明该压阻传感器温度效应产生的影响不可忽略,基于模拟油井的温度修正校准方法能有效减小温度效应的影响,提高了测试精度。

动态校准系统;灵敏度;温度修正;油井测试;压力传感器

井下测试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温度数据的专用仪器,使用时随射孔枪一起下到预定油层,自动完成内触发存储数据,射孔压裂结束后回收读取测试数据。射孔压裂是一个极其复杂的物理化学过程,工程上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,增加油气渗透性。而其过程中压力波数据是作为评估压裂质量和优化射孔方案的主要依据[1-3]。

目前在役的油井深度多数在500 m～4 000 m之间,平均深度为1 500 m,井下静态温度随深度增加而升高,温度梯度约为1 ℃/100 m,这意味着测试仪器实际测试环境温度是在常温基础上增加十几 ℃甚至几十 ℃,另外,在射孔瞬间火药推进剂燃烧产生高压气体脉冲的同时会释放大量热能,井内温度急剧升高[4]。由于压阻式压力传感器具有温度效应特性,测试仪器受温度影响会产生灵敏度温度漂移和零点漂移,影响射孔压力信号的测试准确性,因此采用模拟应用环境下的校准方法为井下测试仪做压力灵敏度的温度修正。美国Sandia国家实验室在文献[5]中设计了实际尺寸的模拟井眼试验主要是为研究射孔直径、射孔密度、推进剂燃烧速度、药量、射孔方位等因素对压裂效果的影响,而国内外利用模拟应用环境油井装置对井下测试仪器进行校准的较少,大多采用静态校准方法校准仪器。

1 测试仪温度特性与模拟应用环境下的校准装置

1.1 测试仪的温度特性研究

石油井下测试环境恶劣,采用存储测试技术具有很大的优势。存储测试装置基本结构框图如图1所示。

图1 存储测试结构框图

图2 压阻式传感器测量电路原理图

测试系统主要由压阻传感器和测试电路两个模块组成,实际测试中测试电路的温漂(-40 ℃～140 ℃)最大为0.01%,满足测试精度的需求,因此压阻传感器温度特性是影响测试系统精度的主要因素[6]。

压阻式传感器是利用固体的压阻效应将被测压力转换为电信号,环境温度是影响压阻系数的关键因素。图2是压阻式传感器测量电路原理图,图中UOC是输出电压。

式中,ΔRti(i=1,2,3,4)为温度变化时各电阻的变化量,UOCT为温度T时的输出。

由于材料特性和加工工艺差异,组成测量电桥的各个桥臂的测量电阻温度系数不一致,致使不加压时电桥(零点输出)输出不平衡,并且这一状态随温度变化而变化,这一现象称为零点漂移[7]。同时,压阻式传感器的灵敏度与压阻系数成正比关系,而压阻系数为温度的函数,在加压情况下电桥的满量程输出也要受温度的影响,因此温度对传感器灵敏度的精度影响是不可忽略,需要对系统作温度效应修正。

1.2 模拟应用环境下的校准装置及其工作原理

石油井下环境温度、压力及高能气体压裂模拟实验装置(以下简称模拟油井实验装置)是用来对井下测试仪进行动态校准标定的装置[8],该装置结构如图3所示,主要由高能气体脉冲发生器、标准压力检测记录系统和泵站及油路系统组成。

图3 油井模拟实验装置的总体系统结构图

模拟油井实验装置可产生峰值达150 MPa的动态压力信号,脉宽在可持续100 ms,上升时间小于10 ms。可提供容器内常压～50 MPa静压,工作温度最高为200 ℃。

装置中标准压力检测记录系统包括3个经过溯源性校准的标准级压力传感器Kistler 6213BK,其量程为1000 MPa,工作温度-196 ℃～200 ℃,固有频率150 kHz,灵敏度1.2 pC/bar。其后连接有3个高精度电荷放大器Kistler5015和高精度瞬态波形记录仪以记下3个标准P-t曲线,此标准系统在204研究所利用284型活塞式压力机对其静态特性进行了校准,校准时传感器与电荷放大器一一对应,实验完毕后,利用最小二乘法得出系统的工作方程,线性误差及重复性误差,最终得出系统的精度等级,标准系统校准结果见表1。取3个标准系统输出的均值作为真值,可实现对井下测试系统进行与实际使用环境相同的高压、高温条件下的动态校准。

表1 标准校准系统静态性能指标

井下测试仪的校准采用环境因子校准方法[9],模拟油井实验装置是环境模拟装置,实现对测试环境高温高压环境的模拟,能承受150 PMa高压和200 ℃瞬态高温。系统校准标定时,使压力传感器的传压孔和3个标准压力传感器孔相对,固定被校测试系统,密封模拟油井装置。在脉冲压力发生器中分别放入发射药,然后开始通过泵路给模拟油井内部加静压并对主体部分升温,达到预定初始压力和温度后,通过定时系统对脉冲压力发生器点火,这样装置内就能产生与射孔压力类似的高温高压脉冲信号了,测试系统触发并记录实时压力温度变化曲线,数据记录完后,由计算机读出测试仪数据。同时,计算机采集卡记录3路标准P-t曲线,取其3路数据均值作为真值,通过把测试仪数据和标准系统数据一起进行数据处理,且根据实时测得的温度数据可对关键压力数据进行校准修正,实现一次对测试系统进行与实际使用环境相似的压力、温度条件下的动态校准。

图4 模拟油井装置校准曲线

图4是某次模拟油井装置中的校准实验曲线,曲线1是3个标准压电传感器测得数据的平均值。曲线2是P-T测试仪测得的数据。两条曲线的相关性是0.999。由3个标准压电传感器测得的数据处理,可知标准系统的最大峰值伸展不确定度为0.092 MPa。实际标定时常在不同温度下对测试系统进行多次校准,可分别求出各温度下系统平均灵敏度。

2 基于模拟油井的井下测试仪校准方法

选择模拟油井试验装置产生的动态压力值作为校准压力,分别在常温、多个温度环境下对测试系统进行动态校准[10]。在一次校准实验中,按上述操作可测得到3条标准系统测试曲线分别为y1(t),y2(t),y3(t)和1条被校测试仪压力曲线x校(t)。对以上四条数据进行如下处理:

①对四条数据首先采用30 kHz截止频率进行数字滤波处理,滤掉随机噪声的影响;

②对3套标准测试系统计算彼此间的相关系数

式中yi(t)和yj(t)(i,j=1,2,3)分别为三套标准测压系统压力曲线。要求ρij≥0.999 7,认为数据有效,否则剔除该数据;

3 井下实测数据温度修正

表2 某测试系统4种温度动态压力灵敏度

对于小于60 ℃的环境中测试数据均使用表中60 ℃灵敏度,其他温度下的压力灵敏度按所在温度区间的分段线性插值计算得到。对于Ts～Ts+1区间的某一温度Tx,工作直线方程取值为:

实测曲线的压力和温度值都是不断变化的,温度值不是某一恒定的值,因此实际测试的压力曲线应该根据对应的温度数据计算该温度下的动态灵敏度,从而获得修正压力曲线。测试系统某次实际下井测得的曲线及补偿后曲线如图5所示。其中温度曲线是该测试系统采集的井下实时温度数据,原始压力曲线是直接按60 ℃环境灵敏度显示的压力曲线,修正后压力曲线是根据同步温度数据换算校准灵敏度得出修正后的井下射孔压力曲线,数据显示修正后压力曲线峰值比修正前小1.4 MPa,为压力峰值的2.08%,由此可知该压阻传感器的温度效应引起的数据误差不可忽略,而基于模拟环境下的测试仪温度修正校准方法有效提高了测试仪的精度。

图5 实测压力曲线温度修正

4 结论

本文针对影响井下测试仪压力测试精度的压阻传感器温度漂移情况,通过建立的模拟油井实验装置,使测试仪承受与其使用环境相似的高温高压的环境力作用下进行动态校准。经在多种温度环境下与标准测试系统的对比计算,利用最小二乘法得出压阻传感器在不同温度条件下的灵敏度,根据测试仪采集的实时温度数据值修正了压力数据,有效减小温度效应的影响,提高了测试精度。该方法可适用于瞬态高温条件下的动态压力的温度修正和校准。

[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]Burman J,Schoener-Scott M. Predicting Wellbore Dynamic-Shock Loads Prior to Perforating[J]. SPE 144059. 2011:4.

[4]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.

[5]Cuderman J F. High-Energy Gas Fracturing in Cased and Perforated Wellbores[J]. Sandia Report Sand. 1986,6:86-1133.

[6]刘祖凡,祖静,崔春生. 石油井下测压器温漂的软件补偿[J]. 计算机测量与控制,2012,20(1):273-277.

[7]孟立凡,蓝金辉. 传感器原理与应用[M]. 北京:电子工业出版社,2007.

[8]崔春生,马铁华,裴东兴,等. 模拟油井校准系统原理及应用[J]. 中国测试技术,2007,33(6):38-42.

[9]祖静,张志杰,裴东兴. 新概念动态测试[J]. 测试技术学报,2004,18(6):1-4.

[10]张瑜,祖静,张红艳,等. 基于环境因子的火炮膛压测试仪校准装置[J]. 探测与控制学报,2012,34(6):35-41.

[11]张瑜,祖静,张红艳. 火炮膛压测试系统的环境因子校准技术[J]. 火力指挥与控制,2012,37(9):209-214.

[12]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.

[13]张瑜,裴东兴,祖静. 高压传感器在高静压下的动态校准方法[J]. 传感技术学报,2011,24(8):1146-1151.

[14]崔春生,雷霄,裴东兴. 加压状态下P-T仪的加速度效应修正方法[J]. 传感器与微系统,2013,32(7):8-12.

[15]崔春生,雷霄,裴东兴. 压电式加速度传感器在高冲击环境下的零漂分析[J]. 传感技术学报,2007,20(7):1522-1527.

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。

TemperatureCorrectionCalibrationMethodforDownholeTesterBasedonSimulativeOilWell*

XIAOWencong1,2,MATiehua1,2*,CUIChunsheng1,2,WENXingxi1,2

(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)

In the oil well perforation pressure testing,a lot of heat will be released during the process of perforation. The temperature effect of piezoresistive pressure sensor is a main factor influencing the testing precision. To accurately measure the downhole pressure,we had set up calibration system with existing wells simulation test device. The simulation test device is used to simulate downhole high temperature and high pressure environment. Several calibration tests were done under multiple temperature environments. The test results were contrasted with the standard test system. The standard test system was trace calibrated. The piezoresistive sensor sensitivity under different temperature conditions was draw out by the least square method. At last,the pressure data was modified according to the real-time temperature data which is collected by tester. Calculation shows that the peak pressure curve is 1.4 MPa smaller after modification. This account for 2.08% of the peak pressure. And it shows that the impact of piezoresistive sensor temperature effect should not be neglected. The temperature correction calibration method for downhole tester based on simulative oil well can effectively eliminate the effect of temperature,improve the test accuracy.

dynamic calibration system;sensitivity;temperature correction;oil well testing;pressure sensor

项目来源:山西省煤层气联合研究基金项目(2013012010);2014年度山西省回国留学人员科研项目(2014-052)

2014-05-14修改日期:2014-08-04

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.024

TP216

:A

:1004-1699(2014)09-1293-05