第三章电子压力计测试工艺概要.docx
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第三章电子压力计测试工艺概要
第三章电子压力计测试工艺
编写：
李伟
审核：
郭金明
1997.4.8
目录
1.前言
2.电子压力计的结构及原理
3.电子压力计测压作业
4.电子压力计录取数据的质量控制
1.前言
1.1现代试井的内容
70年代到80年代，随着科学技术的发展，特别是电子计算机的广泛使用和高精度电子压力计的研制成功及推广使用，使试井技术产生了重大突破，逐步发展成一整套以导数图版（布德图版）拟合分析方法的现代化试井技术，人们称此时的试井为“现代试井”。
那么，现代试井包括哪些内容呢？
主要有以下4方面：
（1）应用高精度的、可以在井下长时间工作的、数据录取的间隔以秒计的井下仪表来录取压力数据。
主要是指地面直读（SRO）或井下储存式（MRO）电子压力计。
（2）与高精度的压力计配套的井下开关工具和井下测试工具。
主要是指井下开关阀或直读阀（SRO阀）和PCT，APR等井下测试工具。
（3）以图版拟合法为中心的现代试井解释理论和方法，主要是指以导数图版（布德图版）拟合的分析方法。
（4）实现上述理论和方法的现代试井解释软件。
从以上4个方面，我们可以看到高精度电子压力计的重要性，只有使用了高精度电子压力计才使计算实测压力对时间的导数成为可能。
这个问题我们在下面举例说明。
1.2现代试井方法的意义
在现代试井方法中，由于使用了高精度的地面直读（SRO）或井下储存（MRO）电子压力计，可以作如下的工作：
使用DST工具进行延长测试或是完井测试。
这主要是利用地面直读（SRO）电子压力计进行测试，可以对油层和油藏作业分析判断。
使用电子压力计测取的压力数据，可以求出反映地层特性的导数曲线，不但可以确切地计算地层参数，并且可以作出地层储集空间非均质性质、边界性质等分析判断，从而作出油藏初步评价。
使用高精度地面直读（SRO）电子压力计，进行特殊项目测试，如井间干扰试井或脉冲试井，搞清储层结构（连通性）。
1.3压力计精度，分辨率对压力导数的影响
为了便于比较，有必要将常用的电子压力计和机械或压力计主要性能指标列出如下：
表1GRC和PANEX电子压力计主要性能指标
型号
精度％FS
分辨率FS
数据记录最快速率
GRCEMS-7xxEE
0.04
0.09psi
1S
RGCEMS-7xxF
0.04
0.09psi
0.1S
GRCQMS-700F
0.02
0.01psi
0.1S
PANEX2500MRO
0.025
0.0002%
0.5S
PANEX2500SRO
0.025
0.0002%
1S
表2部分常用机械式压力计的主要性能指标
型号
精度％FS
分辨率FS
最长工作时间h
AmeradaRPG-3
0.2
0.05
360
KusterK-3
0.25
0.04
120
JohnstonJ-200
0.25
0.25
192
可以看到，机械式压力计不论精度成分辨率均低于电子压力计，其中精度大约差10倍（一个数量级），分辨率差100倍至几百倍（二个数量级）；它在井下工作时间受钟机走时限制，不能很长；读卡片过程受各种人为因素影响，时间录取间隔有限，并进一步降低了测压精度和分辨率。
由于仪器精度低，分辨率低，导致压力导数点离散严重，以至无法运用现代试井解释方法对径向流作出正确判断，也无法分析地层的非均质性。
例1某井的流量参数为下表3
流量史图为图1
表3某井流量参数
流动段
产量（m3/day）
持续时间（hr）
1
232.8
0.475
2
0.0
4.900
3
232.0
9.600
4
601.0
3.500
5
1002.0
6.900
6
0.0
50.000
我们给定如下参数进行试井设计：
（KAPPA试井解释软件）
Pi=4903psiC=0.00268STB/psi
S=1.35K=160md
h=20m
首先选用石英晶体式电子压力计，分辨率为0.02psi，得到如图2所示的双对数压力和压力导数曲线图。
然后选用机械式压力计，分辨率为5psi，得到如图3所示的双对数压力和压力导数曲线图。
从图2、图3中，我们注意到两图的压力对数曲线（上）完全一样，而压力导数曲线（下）就有很大的差别。
其主要原因是：
机械式压力计精度及分辨率低，造成压力导数点严重离散。
图2中压力导数曲线很平滑，水平径向流段很明显，但图3中压力导数曲线很离散，水平经向流段也不明显，到最终段曲线下掉，容易造成错误判断。
例2流量参数为下表4
其流量史及压力历史为图4
我们给定如下参数用KAPPA试井解释软件进行试井设计
Pi=4903psiC=0.01STB/psi
S=1.35k=160md
h=20m两条不渗透边界L1=200m,L2=700m
表4某井流动参数
流动段
流量（M3/day）
持续时间（hr）
1
232.8
0.475
2
0.0
4.900
3
232.0
9.600
4
601.0
3.500
5
1002.0
6.900
6
0.0
80.000
首先用理想的压力计，行到如图5所示的压力及压力导数曲线图。
然后用石项晶体式压力计，分辨率为0.02psi，得到如图6所示的压力及压力导数曲线图。
再用应变式电子压力计，分辨率为0.5psi，得到如图7所示的压力及压力导数曲线图。
最后用机械式压力计，分辨率为5psi，得到如图8所示的压力及压力导数曲线图。
从图5到图8，我们可以清楚地看到，石项晶体式电子压力计的导数曲线十分接近理想情况，应变式电子压力计的导数曲线已经开始离散，而机械式压力计的导数曲线已严重离散，无法判断第二条不渗透边界的开始点。
因此，我们可以说，压力计的精度，分辨率越高，用测量到的压力数据作出的压力导数曲线越接近实际情况。
如果渗透率很低，则由于记录时钟有限，往往测不到边界反应。
例3流量参数如下表5
终关井360小时，已经达到机械式压力计最大记录时间。
为了便于设计和说明问题，没有考虑下井时间、初开、初关时间及二开时间。
我们给定如下参数用KAPPA试井解释软件进行试井设计。
Pi=5662psiC=0.01STB/psi
S=2.52K=5.87md
h=23m一条不渗透边界L=300m
表5某井流动参数
流段
产量（M3/day）
持续时间（hr）
1
130.0
1.48
2
0.0
8.00
3
140.0
9.00
4
180.0
5.00
5
0.0
360.0
理想的压力计的压力及压力导数曲线如图9所示。
石英晶体式（分辨率为0.02psi）电子压力计的压力及压力导数曲线如图10所示。
机械式（分辨率为5psi）压力计的压力及压力导数曲线如图11所示。
从图9、图10中，我们都不能判断出是否有边界，即关井时间不够长，才刚波及到边界（调查半径305m）。
从图上的导数曲线判断似乎不是不渗透边界。
而从图11的压力导数曲线判断，好象可以求出不渗透边界的距离。
这是由于导数点严重离散造成的。
要作出正确的判断大约要关井60天，如图12，图13所示。
图13是理想情况的压力及压力导数曲线。
图13是石英昌体式（分辨率为0.02psi）电子压力计的压力及压力导数曲线。
综上所述，我们可以清楚地看到，使用高精度高分辨率的电子压力计录取压力数据是现代试井中必不可少的手段。
2.电子压力计的结构及原理
2.1电子压力计的分类
一般情况下，电子压力计可按录取数据方式和传感器类型分类
按录取数据方式可分为：
井下储存式（MRO）和地面直读式（SRO）电子压力计。
电子压力计按传感器类型可分为：
（1）应变式电子压力计
其压力传感器采用金属应变薄膜制成，结构见图14所示。
结构与原理：
它的感应元件是金属膜片，在膜片上固定有四个应变片，膜片外部受压部分附有橡胶保护膜，四个应变片构成一测量电桥电路。
当被测压力作用在膜片上，膜片产生形变导致桥路电阻变化，电桥两端电压随之变化，该电压经控制振荡器放大，并将直流电压转换成交变振荡频率。
特点：
精度和分辨率一般，抗震性能较好。
（2）电容式电子压力计
采用电容应变式压力传感器。
代表产品：
GRC公司的EMS系列电子压力计。
这种传感器的结构及特性将在后面详细叙述。
（3）石英晶体式电子压力计
该种电子压力计传感器采用石英晶体切片做成。
代表产品有GRC的QMS系列产品。
该传感器的结构及特性在后面章节详述。
（4）振弦式电子压力计
该种压力计传感器采用振动钢弦变送器，张紧的钢弦接在承压膜片上，钢弦的张力大小取决于膜片的承压程度。
在变送器内电磁场的作用下，钢弦产生振动，其振动频率与钢弦的张紧程度有关。
当膜片承压发生弯曲形变，钢弦张力变小，振动频率随之发生变化。
（5）固阻式电子压力计
传感器测压的工作原理是，在压力计内有上、下两个气室，井下压力作用于下气室，由气室内惰性气体介质再传给感压元件，由于感压元件的压阻效应与形变，则同时产生对应压力的电讯号输出。
上述两种电子压力计均由国内厂家研制开发，特点是结构简单、性能可靠，但与其它类型压力计相比，测量压力量程小、压力精度及分辨率较低。
2.2GRC及PANEX电子压力计的结构及原理
我们目前在海上作业经常使用的电子压力计主要是美国GRC及PANEX厂家生产的电子压力计，将重点讨论该两种电子压力计的结构原理、特性及使用。
2.2.1GRC电子压力计的结构及原理
GRC电子压力计有两种不同类型传感器系列：
EMS和QMS系列。
EMS系列传感器采用电容式传感器，QMS系列传感器采用石英晶体式传感器。
我们目前使用两个系列都是储存式电子压力计，它们主要由三部分组成：
压力计部分、储存数据和控制部分、工作电源（电池）部分。
压力计部分主要由传感器及附助电路组成，GRC的传感器有两种类型：
电容式及石英晶体式
（1）电容式传感器：
电容式传感器结构示意图如图15所示，传感器主要由膜片、金属片、电路板等组成，弹性元件膜片与金属片构成电容的两个极板。
感压膜片受地层压力作用，膜片中央上凸，推动金属片上移，从而加大了金属片与膜片之间的位移，使电容器之间的距离发生变化（即△C变化），从而引起振荡频率的改变。
该电路中，振荡频率与电容C关系为：
F=1/2（LC）-1/2
该系统中温度传感器是一个温控电阻，其阻值随地层温度改变而变化，使温度振荡器的输出频率亦发生变化。
电容式传感器的技术性能：
优点：
结构简单牢固、抗震性好、压力程较大、精度、分辨率较高。
缺点：
传感器电容在多次受力后金属片变形，频率漂移较大，需经常标定、校正，在较长时间的试井测压中，数据有漂移，压力精度受影响。
（2）石英晶体式传感器
该种传感器结构与原理：
将整块的石英单晶沿一定的方向切割下来，利用石英晶体的压电效应，在石英晶体的两端电极加以交变电压且频率与晶体的固有频率一致，就可引起石英晶体稳定度很高的谐振。
当变化的流体压力作用在敏感石英晶体上，引起敏感晶体晶格变化而产生频率的改变，但基准晶体（稳定状态）处于密封的常压环境，基准频率不变。
经过集成电路的混频作用后，产生差频的变化，即将压力的物理量转化为电量频率信号输出。
温度传感器也与压力传感器封装在一起，能起到校正压力的作用。
石英晶体式传感器的技术性能：
优点：
压力量程大、测量精确度和分辨率高、稳定性很好、漂移量很小。
缺点：
石英晶体性脆、防震性差、加工复杂、成本高。
但近年来，加工技术有了很大发展，成本有所下降。
（3）附助电路
附助电路的主要作用是对从传感器输出的频率信号进行整形及控制压力、温度频率信号的通道，并将这些信号送到储存部分处理、储存。
GRC电容式压力计部分型号为EPG-720，石英晶体式压力计部分型号为QPG-877。
储存数据和控制部分主要由CPU（中央处理器）、存储器及附助电路组成。
CPU是电子压力计的心脏，负责控制压力、温度频率信号的录取及储存。
存储器有EEPROM（电可擦除存储器）和FLASHMEMORY（闪速存储器）两种，它们都是不需要电池保持存储数据的存储器。
EEPROM与FLASHMEMORY的区别是，后者读写速度快，存储密度高，具有更大存储数据能力。
工作电源部分主要由高温电池及电池外筒组成。
这部分的作用就是给存储式电子压力计提供工作电源（不是保存数据电源）。
高温电池大部分使用的是高温锂电池，它具有持续工作时间长、性能可靠、经济效益高等特点。
因此，得到了普遍的使用。
电池外筒是装高温电池的地方，既可使用包装好的电池组，又可使用单个电池。
2.2.2PANEX电子压力计的结构及原理
PANEX电子压力计也有两个不同类型传感器系列：
1500（石英电容式）系列和2500（扭短电容式）系列，每一系列按录取数据方式不同可分为：
井下储存式（MRO）、地面直读式（SRO）及储存直读（COMBO）两用三种电子压力计。
储存式与GRC储存式相似，只是传感器不同，存储器没有使用FLASHMEMEROY。
地面直读式只有压力计部分，没有储存数据和控制部分，它录取数据的控制指令及工作电源由单芯电缆提供，同时录取到的数据由单芯电缆传送到地面计算机接收。
储存直读（COMBO）两用型即直读杆和储存杆可以互换，而压力计部分是共用的。
它们的结构图见图16至图20。
（1）石英电容式传感器
石英电容式传感器结构图见图21，其结构为表面镀有不锈钢金属膜的石英极板，构成内外双层的电容电路。
在传感器的内芯与外壳组成的双电容中，外壳部分构成的外电容同时受井下压力、温度的作用产生电容极板间距离的变化，相应形成一个电容值△C外=△P+△T。
而内芯部分构成的内电容主要受温度的影响，造成内电容极板间产生位移，形成相应的内电容△C内=△CT。
以内芯产生的电容为参考电容，则基本可抵消△T对△P的影响，从而提高压力的测量精度。
该种传感器的特点：
结构牢固、高抗震性，内部间隙小，信号漂移小，无需经常性的仪器校正标定。
（2）扭矩电容式传感器
扭矩电容式传感器是PANEX公司新研制开发的一项专利产品。
其主要由扭矩梁、瓷极板、波纹管三个部份组成，见图22。
该传感器的关键部件为专门设计的特殊波纹管。
在受井下流体压力作用下，波纹管形成扭矩带动镀有金属层的陶瓷电容极板产生旋转，不同的方向产生两边不同的电容板位移。
该电容变化值只是压力变化的反应，△C=△P，温度的作用只是使波纹管发生长度之间形变。
电容板没有发生旋转时，相应的电容量不发生变化。
扭矩电容的真正意义是完全隔开了温度，压力对电容变化的影响，电容变化量是压力数据的真实反映。
该传感器的主要特点：
精度、分辨率高、基本消除了温度对压力数据精度的影响，结构牢固、高抗震性。
至此，我们总结一下电子压力计的构成及工作原理
储存式电子压力计，方框图如下：
压力、温度录取指令
↓
传感器辅助电路压力、温度频率信号→CPU存储器←
压力计部分↑控制、存储部分
工作电源（电池）提供工作电源
2.3GRC及PANEX电子压力计的技术规范及特点
2.3.1GRC电子压力计的技术规范及特点
（1）EMS系列
外径：
1.5"（3.81cm）,1.25"（3.175cm）
长度：
44"（111.76cm）,40（101.60cm）
重量：
5.8kg3kg
工作压力上限：
10000psi,15000psi
最高工作温度：
EMS-700为3500F（1770C）,EMS-770为3000F（1500C）
EMS-725为2570F（1250C）
传感器类型：
隔膜电容式
压力精度：
0.04％offullscale
稳定性：
每天漂移＜0.1psi
重复性：
＜0.1psi
灵敏度：
＜0.01psi
分辨率：
＜0.01psi
温度精度：
±20F（＜3000F）,±30F（＞3000F）
温度分辨率：
0.010C
存储器类型及容量：
EEPROM:
40000个数据组（Time,P.T）
FLASHMEMORY:
400000个数据点
录取数据速度及方式：
EEPROM：
1秒至1小时，FLASHMEMORY：
0.1秒至1小时。
共有20个时间段的编程模式，每个时间段内可取0、最快至最慢中间的任意值。
（2）QMS系列
外径：
1.5"（3.81cm）,1.25"（3.175cm）
长度：
58.76"（149.25cm）58.76"（149.25cm）
工作压力上限：
16000psi
最高工作温度：
3500F（1770C）
传感器类型：
石英晶体式
压力精度：
0.02%offullscale
重复性：
＜0.01%offullscale
灵敏度：
＜0.01psi
分辨率：
＜0.01psi
温度精度：
10C（20F）
温度分辨率：
±0.010C（±0.020F）
存储器类型及容量：
与EMS相同
录取数据速度及方式：
与EMS相同
2.3.2PANEX电子压力计的技术规范及特点
（1）1500系列
外径：
1.25"（32mm）
长度：
MRO：
67.3"（170.95cm）,SRO:
50.83"（129.11cm）
工作压力上限：
5000，10000或15000psi,可超压至110％
最高工作温度：
1525型：
1250C，1550型：
1500C，1575型：
1750C
传感器类型：
石英晶体电容式
压力精度：
0.025%offullScale
分辨率：
0.01psi
温度精度：
±0.50C（0.90F）
温度分辨率：
SRO:
0.010C,MRO:
0.10C
存储器类型及容量：
EEPROM：
13619个数据组（Time.P.T），可升到21811个数据组。
数据录取速度及方式：
SRO：
0.8秒，MRO：
1秒至18小时，有64个不同的时间段，2分钟至128小时，一分钟增量的延迟时间。
（2）2500系列
外径：
1.28"（32mm）
长度：
MRO:
67.5（172cm）,SRO:
50.5"（128cm）
工作压力上限：
5000,10000或15000psi，可超压至110％
最高工作温度：
1550型：
1500C，1575型：
1750C
传感器类型：
扭矩电容式
压力精度：
0.025％offullscale
重复性：
0.003%offullscale
分辨率：
0.0002%offullscale
温度精度：
±10C（±1.80F）
温度分辨率：
0.010C（0.010F）
存储器类型及容量：
EEPROM:
75000个数据组（Time,P.T），可升级到150000个数据组
数据录取速度及方式：
SRO：
1秒。
MRO：
0.5秒至18小时，可划分为64个时间段。
可有任意的延迟工作时间。
3.电子压力计测压作业
电子压力计按下井方式不同一般可有四种不同的作业工艺：
压力计托筒下井，钢丝作业下井，电缆作业下井，永久式压力计。
3.1压力计托筒下井测试工艺
这种作业工艺过程是，在地面编好录取数据程序，用电脑通过接口传送给电子压力计，接上压力计工作高温电池，然后将压力计装到压力计托筒上，与DST测试工具一起下到井下，然后按DST测试管柱起出，将压力计拆下，通过接口与电脑连接，回放所存储的数据到电脑进行数据处理。
在这种作业中，压力计托筒一般处于封隔器之上测试阀之下。
压力计托筒有两种不同的形式：
内置式和外置式。
（1）内置式，如图23所示，压力计置于内支架上，最多可以安装四支压力计。
支架置于外筒内，外筒与DST工具串相连接下井。
这种压力计托筒的优点是：
由于有外筒保护，压力计不会受到井壁的碰撞，由于两头有橡胶垫圈，减震作用较好。
缺点：
只能测内压不能测外压，由于受内外径限制，外筒壁不能做得太厚。
因此，打紧扭矩不能过大。
（2）外置式，如图24所示，四支压力计置于托筒外槽内，托筒上部有卡环，将压力计卡住，下部其中两个位置有导压孔，可测管柱内部压力。
压力计上部接一般胶圈，起减震作用，这种压力计托筒的特性是，
优点：
既可测管柱内压力，又可测管柱外压力，投棒和钢丝作业对压力计完全没有影响。
缺点：
对压力计保护不够，压力计容易受到井壁撞击而损坏，减震性能与内置式相比要差些。
压力计托筒下井测试工艺的特点：
施工工艺简单，需要的相关设备少，因此，工作可靠易行。
缺点：
灵活性差，录取数据程序是在地面编好设定的，压力计一旦下井无法改变。
无法实时作出压力导数曲线，关井时间长短要靠经验判断，不能用于探边和干扰（或脉冲）试井。
3.2钢丝下井测试工艺
这种测试工艺主要用于油田生产测压（压力梯度、流压、静压）。
作业过程与压力计托筒下井作业差不多，压力计接到钢丝作业工具上，通过钢丝下井。
有专用的测压工具串，自上而下依次为：
绳帽、加重杆、震击器、减震器、上电子压力计、扶正器、下电子压力计。
用这种工艺测压，对工具串及上下井速度有特别要求，要清醒认识到电子压力计和机械式压力计的区别，要把电子压力计作为电子仪器来对待，起下速度不能超过150ft/min（46m/min）。
所使用的震击器的冲程量不能超过6英寸。
对于测压力梯度，PANEX电子压力计明确要求，每个点要停的时间，2500系列：
5min,1500系列：
20~30min。
对于不稳定试井，至少要停30min，以使压力计温度达到稳定。
这种测试工艺的特点：
优点：
所需相关设备较少，施工工艺简单，用于生产井的不稳定试井时，较易于编制数据录取程序。
缺点：
压力计易受撞击损坏，压力计工作时间受储存器容量及电池容量限制；无法实时作出压力导数曲线，关井时间长短要靠经验判断，不能用于探边和干扰（或脉冲）试井。
3.3电缆测试工艺
电子压力计电缆作业设备一般有：
直读式电子压力计、井下开关阀或SRO阀、地面防喷设备、电缆绞车及计算机系统。
这种测试工艺既可用于DST测试，也可用于生产井测试。
在DST测试中，一般同时下入存储式电子压力计，压力计托筒下在测试阀的下面，井下开关阀或SRO阀下在测试阀的上面。
3.3.1井下开关阀和SRO阀
（1）井下开关阀（以Schlumberger的产品为例）
井下开关阀主要由两大部分组成：
阀体和阀促动器。
如图25所示，阀体作DST工具的一部分一起下井，阀体一般处于测试阀的上面。
在DST工具下井过程中，阀体上的活瓣阀是保持开着的，压力计连接在阀促动器上部，通过电缆下到阀体内坐好。
它的下井过程如下：
连接在电缆上的工具串必须以约150ft/min的速度下井，在快到阀体时以60ft/min速度进入阀体。
当重量消失表明阀促动器已进入阀体后，再下放20ft电缆以确保阀促动器进入阀体并让锁块锁上。
为了确定阀促动器是否已锁住，要上拉电缆，直到除工具串重量
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