淺談井下電子壓力計的現狀和應用
摘 要：電子壓力計是廣泛應用于測量和記錄油氣田地層中的油、氣、水等介質(zhì)的壓力及溫度值的電子設備，也是一種具有高實(shí)時(shí)性，高精確度、高分辨率“三高”特征的井場(chǎng)壓力及溫度測試裝置。本文從電子壓力計的原理和應用現狀入手，闡述了壓力計在井下測試過(guò)程中經(jīng)常出現的失效形式，同時(shí)簡(jiǎn)單的分析了導致電子壓力計失效的原因和主要影響因素，并進(jìn)行了系統的總結，提出了具有針對性的改進(jìn)方法和失效預防措施。
關(guān)鍵詞：電子壓力計；原理；應用現狀；失效形式；影響因素；預防措施
1、 前言
在油田勘探和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，油氣田地層的壓力及溫度的測試和監控是試油、試采工作的重要任務(wù)，也是制定井場(chǎng)生產(chǎn)制度、確定井場(chǎng)產(chǎn)量及標定完井情況的數據基石，因此為了正確評價(jià)礦藏地層的油氣當量，及時(shí)精確地測量含油、含氣層的壓力及溫度值具有非常重要的現實(shí)意義。壓力計和溫度計是測試過(guò)程使用的主要儀器設備，而其發(fā)展也經(jīng)歷了從最初的低精度、單一品種的純機械式結構到復雜的電子式結構的變革。隨著(zhù)電子電工技術(shù)的迅猛發(fā)展，具有高精度、高靈敏度、高集成性能的電子壓力計如雨后春筍。目前，全國各大油田應用較為廣泛的電子壓力計多達數十種，而由于壓力計的生產(chǎn)廠(chǎng)家眾多、型號繁雜、儀器電池檢測、識別和操作方式的不同，在使用過(guò)程中很容易造成混淆。另外，在礦藏層油氣的勘探和開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，由于電子壓力計長(cháng)期工作在惡劣環(huán)境之中，再加之儀器的選型不當、部件的性能不可靠及人為的操作失誤都能造成電子壓力計使用過(guò)程中的失效，甚至導致試采工藝的失敗。因此對影響井下電子壓力計失效的主要因素進(jìn)行分析和預防具有非常重要的現實(shí)意義。
2、工作原理及性能指標
2.1、工作原理
電子壓力計是一種主要用于油氣田礦層壓力和溫度值測量的高精密的電子儀器。其核心部件是壓力傳感器和溫度傳感器，由于壓力計的工作環(huán)境惡劣多變，因此感應元件的制作需要選用符合深層井下作業(yè)的耐高溫、高壓的特殊材料以確保電子電壓計的精確度和可靠性。根據壓力傳感器和溫度傳感器的應變電橋原理，壓力計的振蕩電路在井下地層壓力和溫度的共同影響作用下，將被測礦層的壓力值、溫度值轉化為電路系統識別電阻值及電壓值，并由振蕩電路整頻轉換為計算機識別的電流頻率值信號，再經(jīng)軟件校正處理，折算成測試人員需要的井下壓力和溫度數據。從以上的構成原理可見(jiàn)，電子壓力計的核心回路共包含兩個(gè)測量電路：壓力測量電路和溫度測量電路。
2.2、性能技術(shù)指標
電子壓力計具有高靈敏度、高精確度、高可靠性的特點(diǎn)，其性能技術(shù)指標如下：
2.2.1、精確度
在壓力計無(wú)誤差時(shí)的理想狀態(tài)下，壓力計標準曲線(xiàn)應為一次曲線(xiàn)，但是由于受到地層中諸多因素的影響，壓力計的實(shí)際圖譜走線(xiàn)為二次或三次曲線(xiàn)。正常工作狀態(tài)下，壓力計測量允許的精確度誤差為±4psi。
2.2.2、遲滯性
遲滯性指的是壓力計在測量過(guò)程中從正反兩個(gè)方向接近同一目標測量值時(shí)所顯示數據的最大差值，遲滯性誤差與壓力計傳感器使用的材料、制造安裝水平及使用環(huán)境有很大關(guān)系。正常工作狀態(tài)下，壓力計允許的遲滯性測量誤差為±2psi。
2.2.3、重復性
重復性誤差是指壓力計在全測量范圍內和同一工作條件下,同一操作者從同方向對同一輸入壓力值進(jìn)行多次連續測量所獲得的隨機誤差，重復性誤差與壓力計使用的地層環(huán)境及傳感器材料有關(guān)。正常工作狀態(tài)下，壓力計允許的重復性測量誤差為±3psi。
2.2.4、分辨率
分辨率指的是當測量的目標壓力值變化時(shí)，壓力計所能識別的最小輸入量的變化值。正常工作狀態(tài)下，壓力計分辨率為0.02psi。
3、 電子壓力計的應用現狀
3.1、電子壓力計的分類(lèi)
電子壓力計按照試井、測井工藝可分為地面直讀式電子壓力計、井下存儲式電子壓力計及新型直讀式電子壓力計。
3.1.1、地面直讀式電子壓力計
地面直讀式壓力計是指采用地面直讀測試技術(shù)將電子壓力計隨同測井工具一共投入被測井中，之后從井口下入信號電纜進(jìn)行對接，電子壓力計將被測礦層的壓力及溫度的變化通過(guò)信號電纜傳輸到地面的計算機系統，在計算機上通過(guò)操作軟件顯示、讀出并實(shí)時(shí)的對被測礦層的數據進(jìn)行處理和分析。
3.1.2、井下存儲式電子壓力計
井下存儲式壓力計是指采用井下存儲測試技術(shù)將由單片機系統組成的存儲記錄儀及供電電池與電子壓力計進(jìn)行捆綁集成，并隨同測試工具投入被測井，存儲記錄儀的單片機系統按照預先設定的采集存儲程序將電子壓力計感應到的礦層中壓力及溫度的變化存儲在存儲器中，測試任務(wù)結束后，將電子壓力計從井口取出，并與計算機相連，系統將按照預定的操作程序將記錄儀中存儲的壓力及溫度數據進(jìn)行回放。
3.2、電子壓力計的失效
由于電子壓力計需要長(cháng)期在高壓、高溫等惡劣的地質(zhì)工況下使用，加之其組成部件本身容易老化，這些外部因素及內部因素都可以導致壓力計的測量誤差。而試油、試采工藝對壓力計的精度、分辨率及穩定性等技術(shù)參數都有較高的要求，因此使用過(guò)程中較大的測量誤差就會(huì )使壓力計的測量值嚴重的偏離實(shí)際值，從而導致了電子壓力計的失效。壓力計在使用過(guò)程中導致失效的原因主要有以下幾種：
電子壓力計的核心部件是壓力傳感器、溫度傳感器、微處理器、存儲器；主要構成電路為：信號放大電路、數據轉換電路、振蕩電路。這些電子元件及電路都會(huì )在劇烈震動(dòng)的情況下導致電子壓力計的失效。
（2） 、測量數據紊亂
電子壓力計數據接口操作軟件的不成熟及電路的內置電池能量不足都會(huì )導致壓力計采集的壓力及溫度數據與測試時(shí)間的非對應性關(guān)系，這種況且稱(chēng)之為電子壓力計的數據紊亂。
（3） 、非點(diǎn)
電子壓力計的另外一種失效形式是非點(diǎn)，指的是壓力計所采集的數據即溫度值、壓力值嚴重失真，大幅度偏離正常值，導致壓力計測量曲線(xiàn)的扭曲變形。在實(shí)際測試過(guò)程中，共有2種非點(diǎn)形式：一種是可以通過(guò)修正、刪除部分失真點(diǎn)而獲得正常測試曲線(xiàn)的少數非點(diǎn)；另一種是無(wú)法通過(guò)修改、刪點(diǎn)等技術(shù)手段祛除影響而恢復正常測試曲線(xiàn)的非點(diǎn)。前一種非點(diǎn)我們可以稱(chēng)之為采點(diǎn)偏差，而后一種情況我們稱(chēng)之為電子壓力計的非點(diǎn)失效。
（4） 、數據未寫(xiě)入或未采全
支配電子壓力計數據處理的核心部件是帶有固定儲存容量的的微處理器，因而在對壓力計的硬件進(jìn)行編程時(shí)，必須合理的設置計數器的時(shí)序，并要綜合考慮寄存器的儲存容量，使系統在計劃的采集時(shí)間內能夠按序的讀寫(xiě)，同時(shí)要確保數據的存入數量，防止溢出，避免造成測試的失敗。
(5) 、超量程
超量程使用是導致電子壓力計失效的又一原因，如果在測試前沒(méi)有選擇好適合被測井段工況的壓力計，有可能在測試深井的過(guò)程中造成傳感器的損壞而導致電子壓力計的失效。
(6) 、電池鈍化
電子壓力計的供電裝置通常為高溫鋰電池，而在出廠(chǎng)前為了防止電池的自然放電要在其特性表面形成一層鈍化保護膜，而鋰電池的這種特性會(huì )導致其在低溫段電壓不穩定，測量井下數據時(shí)容易造成采點(diǎn)異常，甚至會(huì )出現不可修復的非點(diǎn)失效和數據紊亂。
(7) 、泄露
從技術(shù)上分析，泄露是導致電子壓力計失效的主要因素。實(shí)際應用過(guò)程中井下壓力計有三處容易出現泄露現象：首先是傳感器的導壓點(diǎn)附近；其次是密封核心電路板的密封倉；第三處是儀器與測井鋼纜連接的部分。導壓點(diǎn)附近的密封主要由制造工藝來(lái)保證，通常在高精度的機床加工中心，通過(guò)精心設計結構參數，能保證在導壓點(diǎn)附近承受井下的高壓而不漏水；密封倉采用的是O型圈密封技術(shù)，同樣高精度的機械加工，能夠保證壓力計的深井耐壓能力；儀器與鋼纜連接部分是最容易引起泄露的地方。在安裝過(guò)程中儀器與鋼纜的連接，我們通常稱(chēng)之為“鎧裝”。這一工藝過(guò)程必須保證以下幾點(diǎn)：
a、鋼纜與儀器的信號連接必須是柔性連接，不承受軸向拉力。
b、鋼纜與儀器之間有抗法向轉動(dòng)的裝置，避免信號連接被扭斷。
c、鋼纜與儀器連接點(diǎn)應沉沒(méi)在絕緣填充材料中，外部壓力只能作用到填充材料上，確保電信號與外部的絕緣。
(8) 人為因素
人為因素對電子壓力計的影響主要有兩個(gè)方面：一是新手操作導致在壓力計裝配過(guò)程出現部件的損壞，由于電子壓力計屬于精密儀器，因此對于測試人員的操作水平及專(zhuān)業(yè)知識要求相對較高。二是運輸過(guò)程中因保管不善，造成儀器內部電路的損壞而導致的數據紊亂及數據未采全現象。
4、失效預防措施
4.1、由于電子壓力計對于地層中的高溫、高壓及劇烈震動(dòng)較為敏感，因此為了減輕傳感器瞬間受力強度，設計者應在硬件電路或軟件系統方面設置一套壓力緩沖裝置。另外對于高溫、含硫的地層應改變壓力計的密封結構，防止泄露造成的電纜、電路及傳感器等部件的腐蝕和損壞。
4.2、按照優(yōu)選搭配及壓力計的性能特征選用適當量程，適當存儲容量的壓力計。由于壓力計的性能不穩定性，選型時(shí)應綜合對產(chǎn)品在使用過(guò)程中所能出現的問(wèn)題及可靠性進(jìn)行分析，達到互補性的組合。例如，對于采點(diǎn)密度相對較稀的井區，一般選用低存儲量的壓力計，而測氣及壓裂井廠(chǎng)由于采點(diǎn)較多，一般選用大量程，高存儲量的壓力計。另外對于深井及采用深井壓裂工藝的特殊井型一般選用精度高、抗震性能好的SPAR壓力計，而測氣井、聯(lián)作井則應選用DDI、SEI新型電子壓力計。
5、 結語(yǔ):
掌握和分析電子壓力計的工作原理、性能指標及失效形式，合理進(jìn)行壓力計的選型與搭配，確保儀器的維護與標定到位，對于提高電子壓力計下井測試的成功率，在實(shí)際試采過(guò)程中已經(jīng)取得了明顯成效。同時(shí)，針對電子壓力計的各種失效形式，做好配套工藝的設計與革新，也是不斷挖掘測試儀器在油氣試采工作中發(fā)揮最大潛能的有效方式。目前，由于適用于復雜地質(zhì)巖層的電子壓力計測試技術(shù)和工藝還不甚全面，因而我們在今后的工作和學(xué)習中仍要加強理論學(xué)習，不斷的積累經(jīng)驗和優(yōu)化設計方案，為油田的勘探和開(kāi)發(fā)提供更有力的技術(shù)支持。
參考文獻：
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