試論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於測量和記錄油氣田地層中的油、氣、水等介質的壓力及溫度值的電子裝置，也是一種具有高實時性，高精確度、高解析度“三高”特徵的井場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程中經常出現的失效形式，同時簡單的分析了導致電子壓力計失效的原因和主要影響因素，並進行了系統的總結，提出了具有針對性的改進方法和失效預防措施。
關鍵詞：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
在油田勘探和開發過程中，油氣田地層的壓力及溫度的測試和監控是試油、試採工作的重要任務，也是制定井場生產製度、確定井場產量及標定完井情況的資料基石，因此為了正確評價礦藏地層的油氣當量，及時精確地測量含油、含氣層的壓力及溫度值具有非常重要的現實意義。壓力計和溫度計是測試過程使用的主要儀器裝置，而其發展也經歷了從最初的低精度、單一品種的純機械式結構到複雜的電子式結構的變革。隨著電子電工技術的迅猛發展，具有高精度、高靈敏度、高整合效能的電子壓力計如雨後春筍。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，而由於壓力計的生產廠家眾多、型號繁雜、儀器電池檢測、識別和操作方式的不同，在使用過程中很容易造成混淆。另外，在礦藏層油氣的勘探和開發生產過程中，由於電子壓力計長期工作在惡劣環境之中，再加之儀器的選型不當、部件的效能不可靠及人為的操作失誤都能造成電子壓力計使用過程中的失效，甚至導致試採工藝的失敗。因此對影響井下電子壓力計失效的主要因素進行分析和預防具有非常重要的現實意義。
2、工作原理及效能指標
2.1、工作原理
電子壓力計是一種主要用於油氣田礦層壓力和溫度值測量的高精密的電子儀器。其核心部件是壓力感測器和溫度感測器，由於壓力計的工作環境惡劣多變，因此感應元件的製作需要選用符合深層井下作業的耐高溫、高壓的特殊材料以確保電子電壓計的精確度和可靠性。根據壓力感測器和溫度感測器的應變電橋原理，壓力計的振盪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，並由振盪電路整頻轉換為計算機識別的電流頻率值訊號，再經軟體校正處理，折算成測試人員需要的井下壓力和溫度資料。從以上的構成原理可見，電子壓力計的核心迴路共包含兩個測量電路：壓力測量電路和溫度測量電路。
2.2、效能技術指標
電子壓力計具有高靈敏度、高精確度、高可靠性的特點，其效能技術指標如下：
2.2.1、精確度
在壓力計無誤差時的理想狀態下，壓力計標準曲線應為一次曲線，但是由於受到地層中諸多因素的影響，壓力計的實際圖譜走線為二次或三次曲線。正常工作狀態下，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程中從正反兩個方向接近同一目標測量值時所顯示資料的最大差值，遲滯性誤差與壓力計感測器使用的材料、製造安裝水平及使用環境有很大關係。正常工作狀態下，壓力計允許的遲滯性測量誤差為±2psi。
2.2.3、重複性
重複性誤差是指壓力計在全測量範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行多次連續測量所獲得的隨機誤差，重複性誤差與壓力計使用的地層環境及感測器材料有關。正常工作狀態下，壓力計允許的重複性測量誤差為±3psi。
2.2.4、解析度
解析度指的是當測量的目標壓力值變化時，壓力計所能識別的最小輸入量的變化值。正常工作狀態下，壓力計解析度為0.02psi。
3、 電子壓力計的應用現狀
3.1、電子壓力計的分類
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、井下儲存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採用地面直讀測試技術將電子壓力計隨同測井工具一共投入被測井中，之後從井口下入訊號電纜進行對接，電子壓力計將被測礦層的壓力及溫度的變化通過訊號電纜傳輸到地面的計算機系統，在計算機上通過操作軟體顯示、讀出並實時的對被測礦層的資料進行處理和分析。
3.1.2、井下儲存式電子壓力計
井下儲存式壓力計是指採用井下儲存測試技術將由微控制器系統組成的儲存記錄儀及供電電池與電子壓力計進行捆綁整合，並隨同測試工具投入被測井，儲存記錄儀的微控制器系統按照預先設定的採集儲存程式將電子壓力計感應到的礦層中壓力及溫度的變化儲存在儲存器中，測試任務結束後，將電子壓力計從井口取出，並與計算機相連，系統將按照預定的操作程式將記錄儀中儲存的壓力及溫度資料進行回放。
3.2、電子壓力計的失效
由於電子壓力計需要長期在高壓、高溫等惡劣的地質工況下使用，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、試採工藝對壓力計的精度、解析度及穩定性等技術引數都有較高的要求，因此使用過程中較大的測量誤差就會使壓力計的測量值嚴重的偏離實際值，從而導致了電子壓力計的失效。壓力計在使用過程中導致失效的原因主要有以下幾種：
***1***、效能不穩定
電子壓力計的核心部件是壓力感測器、溫度感測器、微處理器、儲存器;主要構成電路為：訊號放大電路、資料轉換電路、振盪電路。這些電子元件及電路都會在劇烈震動的情況下導致電子壓力計的失效。
***2*** 、測量資料紊亂
電子壓力計資料介面操作軟體的不成熟及電路的內建電池能量不足都會導致壓力計採集的壓力及溫度資料與測試時間的非對應性關係，這種況且稱之為電子壓力計的資料紊亂。
***3*** 、非點
電子壓力計的另外一種失效形式是非點，指的是壓力計所採集的資料即溫度值、壓力值嚴重失真，大幅度偏離正常值，導致壓力計測量曲線的扭曲變形。在實際測試過程中，共有2種非點形式：一種是可以通過修正、刪除部分失真點而獲得正常測試曲線的少數非點;另一種是無法通過修改、刪點等技術手段祛除影響而恢復正常測試曲線的非點。前一種非點我們可以稱之為採點偏差，而後一種情況我們稱之為電子壓力計的非點失效。
***4*** 、資料未寫入或未採全
支配電子壓力計資料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體進行程式設計時，必須合理的設定計數器的時序，並要綜合考慮暫存器的儲存容量，使系統在計劃的採集時間內能夠按序的讀寫，同時要確保資料的存入數量，防止溢位，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程中造成感測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導致其在低溫段電壓不穩定，測量井下資料時容易造成採點異常，甚至會出現不可修復的非點失效和資料紊亂。
***7*** 、洩露
從技術上分析，洩露是導致電子壓力計失效的主要因素。實際應用過程中井下壓力計有三處容易出現洩露現象：首先是感測器的導壓點附近;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線的部分。導壓點附近的密封主要由製造工藝來保證，通常在高精度的機床加工中心，通過精心設計結構引數，能保證在導壓點附近承受井下的高壓而不漏水;密封倉採用的是O型圈密封技術，同樣高精度的機械加工，能夠保證壓力計的深井耐壓能力;儀器與鋼纜連線部分是最容易引起洩露的地方。在安裝過程中儀器與鋼纜的連線，我們通常稱之為“鎧裝”。這一工藝過程必須保證以下幾點：
a、鋼纜與儀器的訊號連線必須是柔性連線，不承受軸向拉力。
b、鋼纜與儀器之間有抗法向轉動的裝置，避免訊號連線被扭斷。
c、鋼纜與儀器連線點應沉沒在絕緣填充材料中，外部壓力只能作用到填充材料上，確保電訊號與外部的絕緣。
***8*** 人為因素
人為因素對電子壓力計的影響主要有兩個方面：一是新手操作導致在壓力計裝配過程出現部件的損壞，由於電子壓力計屬於精密儀器，因此對於測試人員的操作水平及專業知識要求相對較高。二是運輸過程中因保管不善，造成儀器內部電路的損壞而導致的資料紊亂及資料未採全現象。
4、失效預防措施
4.1、由於電子壓力計對於地層中的高溫、高壓及劇烈震動較為敏感，因此為了減輕感測器瞬間受力強度，設計者應在硬體電路或軟體系統方面設定一套壓力緩衝裝置。另外對於高溫、含硫的地層應改變壓力計的密封結構，防止洩露造成的電纜、電路及感測器等部件的腐蝕和損壞。
4.2、按照優選搭配及壓力計的效能特徵選用適當量程，適當儲存容量的壓力計。由於壓力計的效能不穩定性，選型時應綜合對產品在使用過程中所能出現的問題及可靠性進行分析，達到互補性的組合。例如，對於採點密度相對較稀的井區，一般選用低儲存量的壓力計，而測氣及壓裂井廠由於採點較多，一般選用大量程，高儲存量的壓力計。另外對於深井及採用深井壓裂工藝的特殊井型一般選用精度高、抗震效能好的SPAR壓力計，而測氣井、聯作井則應選用DDI、SEI新型電子壓力計。
5、 結語:
掌握和分析電子壓力計的工作原理、效能指標及失效形式，合理進行壓力計的選型與搭配，確保儀器的維護與標定到位，對於提高電子壓力計下井測試的成功率，在實際試採過程中已經取得了明顯成效。同時，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採工作中發揮最大潛能的有效方式。目前，由於適用於複雜地質岩層的電子壓力計測試技術和工藝還不甚全面，因而我們在今後的工作和學習中仍要加強理論學習，不斷的積累經驗和優化設計方案，為油田的勘探和開發提供更有力的技術支援。
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