油井射孔压力测试仪

张红艳，崔春生，马铁华

(1.中北大学计算机与控制工程学院，山西太原 030051；2.中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原 030051；3.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051)



油井射孔压力测试仪

张红艳1，崔春生1，马铁华2,3

(1.中北大学计算机与控制工程学院，山西太原 030051；2.中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原 030051；3.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051)

射孔时的瞬态压力会对射孔枪和油井井壁套管产生巨大的冲击，冲击力可能对井壁套管造成不可修复的破坏，严重的可能会导致油井报废，造成巨大浪费。为了研究射孔压力变化规律，设计了射孔压力测试仪，该仪器以CPLD为控制核心，实现数字逻辑控制功能。通过分析射孔枪上相邻两射孔弹爆炸的时间间隔确定了仪器的采样频率，依据被测信号的特点，设计了编程自适应分段均匀采样策略。使用该测试仪对不同射孔工艺过程进行了测试，获得了大量压力曲线，为研究射孔工艺机理、评价射孔施工效果以及促进新的射孔产品研发提供了数据依据。

动态测试;油井;射孔压力;采样策略;自适应

0 引言

射孔是石油勘探与开发过程中的一项关键技术，当油井钻探完成后，因为井壁套管和套管外固井水泥的阻挡，地层中的石油不会自动流出，要进行射孔作业[1-2]。采用专门仪器设备将射孔枪输送至井下预定深度，射孔枪内装填火药或推进剂，引爆射孔弹，在含油段井壁上射开孔，使地层中的原油流入油井[3-4]。射孔时的瞬时压力会对射孔枪和井壁套管产生巨大的冲击，如果冲击过大，可能对井壁套管造成不可修复的破坏，严重的可能会导致油井报废，造成巨大浪费[5-6]。因此，为了制定合理的射孔工艺并保证射孔作业的安全，必须了解射孔时的压力变化规律。

我国石油分布的地质条件复杂，对射孔工艺要求高，获取几千米深的石油井下的射孔压力具有很大难度[7]。因此必须研制耐高温、高压，抗高冲击和高可靠性的射孔压力测试仪。

1 射孔压力测试环境分析

射孔作业过程比较复杂，如图1所示，可以分为下井、射孔和压裂、压力恢复3个阶段。

(1)下井过程。下井时需要通过电缆将射孔枪置于油井中所需进行射孔的位置，根据井深的不同下井所需要的时间也不一样，对于2 km深的油井，下井时间约20 min。这段时间内井下的压力包括静液压力、上覆岩层压力、底层压力和基岩应力。在射孔前，在射孔位段这3种压力的总值变化率为0.05 MPa/s，这3种压力统称为井下静压。

(2)射孔过程。当射孔枪被置于预定的位置时就可以通过导爆索引爆射孔弹，引爆后，射孔弹中炸药产生的高能气体能在枪与井壁之间产生一个动态高压。射孔过程瞬时完成，爆炸时产生的压力上升时间很快，上升沿较为陡峭。

(3)压力恢复阶段。随着射孔弹内炸药和火药产生的高能气体对于油层的作用，高温高压气体会随井液一起进入射孔孔眼,并不断地向油气层推进，这样会增强油层的渗透性使液体从油层中渗出，这时同样会有缓慢的压力变化。

综上，射孔压力测试环境十分恶劣，可能的环境有：高冲击(可达到10 000g)，瞬时高温(可达2 000 ℃)，持续高温(可达200 ℃以上)，高压(达到200 MPa)，强振动等，测试持续时间较长。因此，测试仪的量程要宽，要有良好的频率响应特性，同时要具有快速综合处理数据的能力及高可靠性。此外，由于受井筒尺寸限制，测试仪体积必须尽量小。

图1 射孔枪井下作业示意图

2 系统总体设计

2.1 系统组成及工作原理

测试仪主要由耐高温高强度壳体、压力传感器、电路模块及电池组成，原理框图如图2所示。

图2 石油井下射孔压力测试仪原理框图

压力传感器选择的是HKM-375M-20000A型压阻式压力传感器，具有量程高、耐高温、可抗高冲击、动态性能良好等优点[8-9]。壳体采用超高强度钢制造，经热处理达到额定强度，以保护传感器及电路在高温高压环境下不受损坏。电路模块是核心部件，由放大电路、A/D转换电路、存储器、逻辑时序控制电路、电源控制器及接口电路等组成。电路以CPLD作为控制芯片，采用硬件描述语言和原理图设计输入相结合的方法实现数字部分的所有逻辑控制，内部功能图如图3所示。电池选用的是锂-亚硫酰氯耐电池，工作电压幅值为3.3～3.6 V，能在高温环境下给电路稳定供电。

图3 CPLD内部功能图

2.2 采样策略设计

采样策略是指仪器在一次测试过程中系统行为的描述，是依据对被测信号特征估计，综合考虑测量时间、存储容量等因素来确定的[10-11]。

射孔过程中，相邻两射孔弹爆炸的时间间隔可以为确定系统采样频率提供依据。枪身内主要由聚能射孔弹、弹架以及连接射孔弹的导爆索组成，如图4所示。由图4可知，每发射孔弹由导爆索连接，相邻两个射孔弹相位角为90°，射孔弹长度与弹架外径相仿，导爆索将射孔弹以螺旋状形式连接起来。聚能射孔弹结构示意图如图5所示。

图4 射孔弹连接实物图

图5 聚能射孔弹结构示意图

螺旋线连接示意图如图6所示，射孔枪直径为d，两个射孔弹之间导爆索的长度可由式(1)求出。

(1)

式中：ac为两射孔弹的垂直距离；bc为圆弧长度，可用公式nπd/360计算；n为圆弧对应的角度，n=90°。

图6 螺旋线连接示意图

目前射孔枪满弹时，装弹密度一般为16发/m,即ac=62.5 mm。普遍使用的射孔枪枪架直径d为62 mm，由式(1)可得两个射孔弹间导爆索长度L为79.2 mm。

相邻两射孔弹爆炸的时间间隔即长度为L的导爆索燃烧完的时间，导爆索是通过炸药燃烧的，国内生产的炸药传爆速度为7 308～8 012 m/s[12]，这里取7 900 m/s。则相邻两射孔弹引爆的时间间隔为

因此，相邻两射孔弹爆炸时的压力信号频率为100 kHz。工程上，系统的采样频率至少是被测信号频率的10倍，因此，要准确测试每发射孔弹射孔时所产生环空压力的大小及脉冲宽度，测试仪的采样频率应为2 MHz。

为达到最佳测试效果，根据被测对象变化规律，射孔压力测试仪采用编程自适应分段均匀采样策略，即通过事先编程，把整个数据采集记录过程分为若干个均匀采样阶段，每一阶段的开始时间、采样频率、存储点数是根据被测信号的变化规律自适应调整。

测试仪的采样过程分为3个阶段：

(1)压力测试仪随射孔器下井的过程中，压力变化缓慢，采用低速采样模式，下井前，结合射孔段的深度，通过计算机对测试仪预编程。编程设置压力阈值，当环境压力小于压力阈值时，采样频率为0.008 Hz，当超过压力阈值时，采样频率为2 MHz，数据抽点存储，按1 Hz抽点，存储容量为8 kB；

(2)射孔瞬间，射孔爆炸冲击波脉宽为ms级，压力信号突变幅值大于5 MPa，测试仪变为高速采样模式，采样频率为2 MHz，存储容量为248 kB；

(3)射孔结束后，压力进入恢复过程，测试仪进入中速采样阶段，压力变化过程相对缓慢，采样频率为500 Hz。存储满256 kB后测试仪又进入低功耗状态。

测试仪工作状态图如图7所示，使用时测试仪通过筛管与射孔枪连接同时下井，完成压力信号的采集与存储，试验后回收测试仪，读取测试数据，具有抗干扰能力强、可靠性高、操作简便、精度高等优点。

图7 测试仪工作状态图

3 实测数据分析

测试仪研制成功后，在大庆、辽河等油田得到了广泛应用，测取了大量不同射孔工艺的压力曲线。

图8是127 mm常规射孔的实测曲线，作业井为注水井，井深2.1 km，射孔段1.69 km，低渗砂岩构造，套管钢级J-55，套管规格139.7 mm，壁厚7.72 mm，射孔厚度2 m。装弹密度16发/m，弹型DP44RDX-3，射孔弹含RDX 38 g。从曲线可以看出：射孔爆炸前，井下静压为18 MPa，峰值压力为78 MPa，峰值持续时间为0.272 ms。在峰值过后产生了一段负压，负压持续0.35 ms，其持续时间长短与射孔器的长度和射孔深度等有关。在负压之后，由于井底反射回来的冲击波，以及液柱回落又使压力回升至40 MPa左右，并缓慢降低，最后恢复至静压。

图8 常规射孔压力曲线

图9是外径102 mm内置式复合射孔器的实测曲线，井深2.05 km，低渗砂岩构造，井内液体为清水，套管钢级J-55，套管规格139.7 mm，壁厚7.72 mm，射孔厚度2.5 m，装弹密度16发/m，射孔弹类型为DP44RDX-3；各射孔弹之间安放推进剂药饼，装药总重量1.4 kg。从图中看出：在射孔段1.7 km处，静压为23 MPa，射孔炸药爆炸压力峰值为72 MPa，压裂压力峰值为70 MPa，持续时间为8 ms。

图9 复合射孔及频谱分析

图10是某油气井射孔曲线，井深2.35 km，井内液体为清水，水面与井口平，射孔段在1.9 km，3 m多脉冲增效复合射孔器，射孔密度16发/m，油井套管钢级J-55，套管规格139.7 mm，壁厚7.72 mm，射孔厚度3 m，每发射孔弹预装火药30 g(射孔弹两侧各含有15 g)。从图中可看出水下静压值约为24 MPa，第一个压力峰值约为93 MPa，峰值持续时间为8 ms；第二个压力是由于二级火药压裂产生的，压力峰值为52 MPa，峰值持续时间为5.8 ms；由于两级火药的燃速不同，使得两个压裂峰值产生大约为50 ms的时间差。

图10 多脉冲射孔及频谱分析

通过实测压力曲线可知，不同的射孔工艺产生的压力峰值、峰值个数、作用时间、压力上升的速率均不同。

4 结论

本文所述的射孔压力测试仪实现了射孔过程动态压力的实时采集与存储，系统采用了编程自适应分段均匀采样策略，根据被测信号特征，把整个数据采集记录过程分为若干个均匀采样阶段，每一阶段的开始时间、采样频率、存储点数根据被测信号的变化规律自适应调整。射孔过程中相邻两射孔弹爆炸的时间间隔为确定系统采样频率提供了依据。射孔压力的准确测量为评价射孔施工效果、深化射孔工艺机理研究及促进新的射孔产品研发提供重要的数据依据。该测试仪也可用于水文、水利、地质钻探的井下压力测试。

[1] 郭海敏.生产测井导论.北京:石油工业出版社,2003.

[2] 刘玉芝.油气井射孔井壁取芯技术手册.北京:石油工业出版社,2000.

[3] 周海峰,马峰,陈华彬，等.射孔段管柱动态载荷综合测试.测井技术,2014,38(2):247-251.

[4] 黄引娣.多级脉冲复合射孔技术产能效果分析.油气田地面工程,2013,32(10):129-130.

[5] 欧阳伟平,刘日武.射孔完井参数对试井理论曲线的影响.石油学报,2013,34(3):528-534.

[6] 刘祖凡,祖静.射孔枪枪内压力测试系统的研究.工程设计学报,2011,18(5):378-381.

[7] 崔敏.油井测压器及其在射孔工艺研究中的应用.自动化仪表,2010,31(7):57-58.

[8] 肖文聪,马铁华,崔春生，等.射孔压力测试系统的研究.仪表技术与传感器,2014(9):97-98.

[9] 张健中，杜红棉，韩青林.压阻式压力传感器光干扰消除实验及测试.仪表技术与传感器，2014(1):14-15；18.

[10] 张文栋.存储测试系统的设计理论及其应用.北京:高等教育出版社,2002.

[11] 何斌,徐锦,杨建.高g值加速度存储测试装置设计及实现.仪表技术与传感器,2011(11):28-30．

[12] 梁纯,孙新波,王海东.导爆索爆速的测定及影响因素分析.测井技术,2006,30(1):98-100.

OilWellPerforationPressureTestInstrument

ZHANGHong-yan1,CUIChun-sheng1,MATie-hua2,3

(1.SchoolofComputerandControlEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2.ScienceandTechnologyonElectronicTest&MeasurementLaboratory，Taiyuan030051,China;3.KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement(NorthUniversityofChina),MinistryofEducation,Taiyuan030051,China)

The transient pressure produced in the process of perforation has some impacts on perforating gun and oil well casing pipe,and the impact may cause irreparable damage to oil well casing pipe.Severe damage may lead to the well scrapped,even cause huge waste.The pressure test instrument was designed in order to study the change rule of perforating pressure.The instrument took CPLD chip as the control core,and the digital logic control function of the system was realized.The system sample frequency was determined through analyzing the explosion time interval between adjacent two perforating charge.The adaptive piecewise uniform sampling strategy was designed based on the characteristics of the measured signal.The tester was used to test different perforating process and a lot of pressure curves were obtained.These data provide basis for the mechanism study of perforating technology and the effect assessment of perforating construction and promote research and development of new perforating product.

dynamic test;oil well;perforation pressure;sampling strategy;adaptive

2014-10-24 收修改稿日期：2015-03-18

TH

A

1002-1841(2015)08-0026-03

张红艳(1978—)，讲师，硕士，主要研究领域为动态测试与智能仪器。E-mail:snow-zhang@163.com 崔春生(1981—)，讲师，博士，主要研究领域为动态测试与智能仪器。E-mail:zhanghongyan@nuc.edu.cn