电子压力计试井工艺.docx
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电子压力计试井工艺
第七章电子压力计试井技术
电子压力计试井技术可分为地面直读测试技术和井下存储测试技术，地面直读测试技术是将电子压力计随同测试工具一起下入井中，再从井口下入电缆进行对接，电子压力计将测试期间感应到的井下压力、温度变化，通过电缆传到地面计算机系统，在计算机上显示、读出并及时解释、分析和处理。
井下存储测试技术是将电子压力计与存储记录仪、电池组成一体随同测试工具带入井下，（或用钢丝下入井中），存储记录仪就像一台微型计算机一样把电子压力计感应到的井下压力温度变化存储在随机存储器中，测试结束，从井中起出，将其与计算机相接，按照预定的控制程序将存储的压力、温度、信号进行回放。
地面直读测试工艺，是七十年代末期开始研制、发展起来的一项新技术，该装置采用先进的电子技术与计算机系统，直接服务于油气井测试。
目前地面直读技术已在世界上广泛地应用。
地面直读设备采用高精度电子压力计，具有测试资料准确可靠、省时快速的特点，还能进行井底流量测量，井底噪声测量，磁性定位，高压物性取样，多种功能测试。
地面直读测试技术措施，获得优质资料，减少浪费。
现将地面直读测试工艺原理作一简要介绍。
一、地面直读测试技术简介
地面直读测试装置主要由四大部分组成（见图7一1）。
（1）井下工具部分。
（2）井口防喷装置。
（3）计算机资料录取与分析系统。
（4）动力卡车及各种地面辅助装置。
全套装置设备多，结构复杂，涉及气动、液压、机械传动、电子等方面，其核心部分是电子压力计及与其匹配的计算机组合系统。
其基本原理如下：
计算机接口箱输出60mA
交变电流通过7／32″单芯包装电缆输入压力计，压力计传感器采用应变电桥原理，将地层压力值转化为电阻、电压变化、再经接收转换电路的电压控制振荡器整频放大。
转换为电流频率值信号，经计算机计数板接收并使用校正参数处理后，折算为井底压力值输出，操作人员从计算机屏幕直接读到实时井底压力数据并可同时进行数据的录取追忆、解释、分析与处理。
二、电子压力计作用原理及技术性能
（一）TPT应变电阻压力计作用原理及技术性能
如图（7一2）所示，
TPT压力计传感器采用4个应变片固定在一个金属薄膜上，薄膜外部受压部分附橡胶保护膜。
温度感应采用铂丝记录。
压力与温度的计量电流分走二个电路回路，通过二级管单向节流，正向电流接收为压力电流频率信号，反向电流接收为温度频率信号。
（1）温度测量流程转换示意图：
见图7一3。
铂丝受温度变化影响面产生形变，由此导致铂丝电阻变化，电阻与温度遵循下述函数关系式，即：
R=Ro+αT+βT2式中：
R一电阻值α一转换系数Ro－初始电阻值β0一转换系数T－温度
所以温度变→电阻变→端部电压变（因电流恒定为60mA）→VCO（电压控制振荡器）
进行处理，将电流放大整波，并产生相应频率变化，其温度与频率成下述函数关系：
T=To＋af＋bf2式中：
To—常数Ｔ一温度
f一计量温度的输出电流频率a一转换系数
b－转换系数压力计温度电流频率经计算机接收并按上述关系式进行参数校正处理，可直接在屏幕上显示即时温度值。
（2）压力测量流程转换示意图
如图7－4所示，传感器4个应变片分为电路电桥中的4个电阻。
由于压力变化产生形变导致电桥电阻变化。
图中各式符号分别为：
＃一正比符号
B一金属片恒定应变系数；
RR
E；在输入电流恒定为60mA时，V只正比。
RR
V的变化，经VCO（电压控制振荡器）对电流放
P一压力；
K一压力计量电流频率正比系数；
R一电阻；
V一电桥端电压；
X一金属片形变距离；
H一压力计量电流频率校正系数；
I一压力计量电流频率校正系数；
G一温度常数；
J一压力计量电流频率校
正系数；fP—压力计量电流频率；
R
因此P正比BX；正比BX；V正比
R
所以井底压力P的变化导致电桥端电压大整波率变换，井底压力与电流频率遵循下列函数关系：
P=G+HfP+IfP2+Jf3P压力计量电流频率信号经电缆传递，由计算机接收，并经上式参数校正转换为井底压力在屏幕上输出。
（3）压力计标定原理与方法
TPT应变电阻压力计传感器数学模型是利用多次函数叠加而成。
如图7－4A所示。
因压力受温度影响，与频率对应曲线是一条上凹曲线，见图7
4B。
在右图2
电流频率的对应关系。
为了消除压力一频率曲线上凹、及图温度漂移采用了I、J、H、G四个参数进行校正。
在本章（率折算关系式为：
P=G+HfP+IfP2+JfP3其中
下列关系式：
Ｇ=G0T0+G1T+G2T2+G3T3
I=I0T0+I1T+I2T2+I3T3
H=H0T0+H1T+H2T2+H3T3
H=JH=J0TT0+HT+HT+HT
中T0，T1，T2，T3分别为不同的温度下，压力P与计量压力电流频率的对应关系曲线。
其中T2的虚线部份是指在T2温度下实际压力与计量压力电流频率的实际走线，而实线部份是采用数学归纳方法近似实际走线的模拟函数曲线。
为消除温度漂移影响，使压力与计量压力电流频率转换为直线对应关系，见图74C中直线是消除温度影响后，压力与计量7一4B中横向移动现象，对2）节中已知压力与计量电流频
4C。
图7一
G为截距，H为斜率，I，
J为直线修正系数。
由于这四个参数
其中T一温度；其它均为系数，这样压力转换需要16个系数，温度需要3个系数（即A，B，C），共需19个校正参数方可实现计量电流频率对温度、压力的准确换算。
（4）TPT应变电阻压力计技术性能及额定参数
TPT电子压力计较之机械式波纹管压力计具有精度高，灵敏性强和能地面直读的优点。
其基本技术指标如下：
（a）精确度如图7－5所示为TPT压力计标准走线，理想情况（即压力计无误差时）应为45°直
线，所谓精度即指压力计允许的最大误差范围。
图中虚线即为精度的允许误差标定线。
TPT应变电阻压力计精确度为5psi。
（B）迟滞性
如图7一6所示，所谓迟滞性即指输入压力在增变与减变两种形式下在同一压力值下测量所显示的最大差值。
ＴPT应变电阻压力计迟滞性为3psi。
（c）重复性如图7一7所示，所谓重复性即指输入压力在多次增变或减变的同样条件下，在同一压力输入点，输出压力值的最大差值。
TPT应变电阻压力计重复性为3psi。
（d）分辩率所谓分辩率即指压力计对输入压力信号变化所能够记录的最小变化值。
TPT应变电阻压力计分辩率为0.02psi（磅／英寸2）。
以上介绍了TPT压力计4种额定技术参数与压力作用原理。
随着电子技术的进一步发展，电子压力计也向着高效能，多功用方向发展，如有用于直读式或用于井下存储式或井下存储与直读两用式等电子压力计。
从传感器类型分类，有应变电阻型和石英晶体型，及电容型和晶体电容型等。
石英晶体压力计作用原理，是通过井底压力触发晶体振荡，经转换电路接收处理，折算为相应电流频率值，输入计算机，再经参数校正折算为井底压力值输出。
其温度记录原理与TPT温度记录原理相同。
现将三种压力计额定技术参数列表如下：
压力计类型
压力量程
精确度
分辨率
重复性
迟滞性
温度量程
精度
分辨率
备注
波温管压力计
10000pis
0.25%
5pis
150℃
±1℃
0.5℃
TPT应变电阻压力计
10000pis
0.05%
0.02pis
3pis
3pis
150℃
±0.3℃
0.03℃
GRC石英晶体压力计
10000pis
0.025%
0.01pis
0.25pis
小到忽略不计
150℃
±0.3℃
0.03℃
通过对比可看出电子压力计较机械式压力计除了具有能够直读的优越性外，其计量精度与分辩率都提高了数十倍，从而使现代试井方法如干扰试井，脉冲试井等，在工艺上成为可行。
二）GRC电子压力计
1．简述：
GRC电子压力计是由美国地球物理研究公司研制的，井下仪器主要由两部分组成：
压力计和存储记录仪。
压力计型号有EPG一520和EPG一720，存储记录仪的型号有EMR一502（已不生产）和EMR一710（新产品）。
一般情况下，EPG一520主要用于地面直读，但也可以与EMR一502配套存储作业。
而EPG一720主要与EMR一710配套进行井下存储作业。
下面就介绍一下它们的基本结构、原理、以及不同工作方式的系统配置。
2．电子压力计和存储记录仪的基本结构、原理简介
（1）电子压力计EPG一520、EPG一720的基本结构及原理
由于EPG一520和EPG一720基本原理是相同的，只是输出频率和工作电压不一样（由电路部分决定），EPG一720加上一个专用的变频装置GIU后，就和EPG一520相同了。
故仅以EPG一520为例。
1基本结构
EPG一520电子压力计主要由以下几部分组成：
a．压力振荡器（改进后的哈脱莱振荡电路）
b．温度探头／温度振荡器
c．变换电路（开关电路）
d．1：
4计数器／分频器
2基本原理
我们知道，EPG一520（720）是电容应变式压力计。
其基本原理是利用感压膜片受地层压力作用时而产生形变这一特性，将其作为压力计中压力振荡电路的电容器。
见示意图
由图7—8不难看出，当感压膜片受到地层压力的作用时，即可产生一个位移，使得电容器之间距离发生变化，进而引起电容器的电容C发生变化，又因为该压力计采用的是改
进后的哈脱莱振荡电路，且属于LC振荡电路，而在LC振荡电路中振荡频率f=1/
2LC），所以，由该电容器和其它元件组成振荡器的输出频率也随之发生变化，即
PC
温度探头主要是一个铂电阻。
利用其阻值受地层温度的变化，进而引起温度振荡器的输出频率发生变化来实现测定井下温度的。
上述变化的压力与温度频率两个信号经过开关电路和分频器等输出到GSC一503信号转换器再经过计算机处理，换算成实际的地层力、温度值。
见图7一9。
（2）存储记录仪（EMR）的基本结构及原理（以EMR一710为例）：
EMR一710是与EPG一720配套使存储记录仪，其存储容量为21000个数据点（压力与温度点数之和）。
见7一10为EMR－710主线路板。
该仪器就象一台微型计算机一样，把数据存储在RAM（随机存储器）中，它既可以通过计算机的询问来选取所存数据，也可以从计算机内存中选取新的控制数据。
同时还为EPG－720提供7伏左右的电压。
其基本结构见图7—11。
这里，CPU逻辑混合电路包括CPU、时间振荡器、采样信号计数线路、时钟计数线路和一切所要求的相关逻辑路。
见图7一12。
CPU（中央处理器）在这里相当于信号转换器GSC一503。
时钟振荡器作为CPU的时钟，以使CPU完成各项逻辑任务。
将这个时钟分频可为CPU提供中断信号，并为采样计数电路提供时间控制信号。
RAM（随机存储器）是用于随机存取各种信息。
后备电池是一种锂电池（电压为3.6V），其作用是当仪器的外接电源断开时，使得随机存储器中的数据得以保存。
（3）EMS—700系统的基本结构
我们知道，EMS—700系统是由EMR一700和
EPG一720组成的，但两者是彼此独立的，它们之间是靠燕尾槽连接的。
而信息传递是靠一组专用连接电缆完成的。
见图7—13，7—14，7一15，7一16。
3．井下仪器的规格、性能及特点
规格：
EPC一520：
直径１.5＂长度13.63＂重量2磅（0.9公斤）
ENS一700：
直径1.5重量12.7磅性能：
耐温：
压力量程（psi）：
长度EMR－710／EPG-720／一个电池外筒约40＂
300～350℉
250050001000015000
精度（+/-psi）：
2.5
4.5
9
15
分辨率（psi）：
0.01
0.01
0.02
0.04
灵敏度（psi）：
0.01
0.01
迟滞性（psi）（+/-）
0.5
1
4.5
8FSR
稳定性（偏差），
（psi／天）⋯
⋯⋯可预测
0.1
FSR
可重复性（psi）
：
0.1
响应时间：
4分钟
1psi
当遇到50℉的变化时，压力计的时间响应要限制在已公布的精度标准中所规定的的范围内。
特点：
体积小、重量轻、使用方便、可靠性强
4．电子压力计的不同工作方式的系统配置（以新设备为例）
GRC电子压力计可分为两种工作方式，即：
EPG一520与GSC一503信号转换器配合搞地面直读（电缆下入）；
EPG一720与EMR－710组成EMS－700系统搞井下存储（钢丝下入或随管柱下）
1）地面直读系统配置，见图7一17。
GSC－503信号转换器是电子压力计与计算机之间的媒介装置，其主要作用：
1提供电子压力计所需电源
2实现在每只压力计的压力和温度传感器之间的开关。
③选择所需压力计（共4只）。
④将压力计的模拟信号转换成计算机所能接受的数字信号。
⑤信号转换器内部有一个电子钟，用以记录实际的时间。
以上是地面直读的系统配置。
在实际现场测试时，还需要电缆车、泵车、仪器车、井口防喷装置等。
在整个测试过程中，井下的压力、温度变化情况，操作者均可在荧光屏上看到，并可根据实际情况和要求，利用键盘的特殊功能键来调整任意一个参数（如改变采
样率和单位、数据存盘、绘图、打印等）
2）井下存储方式（以EMS－700为例）：
井下存储工作方式的系统配置如图7一18。
EMS一700m适用于三种编程方式：
①ΔT方式
这里，便携式计算机也可以用IBM一30计算机代替，主要是为了方便，因为该机体积小、重量轻，并备有充电电池，到现场编程、回放数据时，不用外接电源。
b．现场下井仪器的配置（见图7一19）
EMS一700所用外接电源为高温高能电池，一般下井一次用一筒电池，如果需要延长仪器的工作时间，还可以使用级联电池组（有专配的负极接头和电池外筒），两筒电池之间采用并联形式，所以电压不会因此而升高，毁坏仪器。
该仪器所用电池有：
碱电池：
一筒为7节、开路电压10.5伏左右、
耐温为250℉，在最高温度下，使用寿命约为220
小时。
氧化银电池：
一筒为6节，开路电压为9伏，
耐温330℉，在最高温度下，使用寿命约220小时。
ΔT、ΔP和备用方式。
即可根据时间来编程，其中有20个间隔，每个间隔范围为0.001～65.536小时，在每
一个间隔内，压力计所记录的压力与温度数据点的比率、采样率均可自由选择。
两个采样之间的时间为0.001～65.536小时（注：
采样率≤间隔时间）。
②ΔP方式
当压力计测得一个预定压力时，便进入了压力变化方式，最快采样率为3.6秒，最慢为15.36分钟。
3备用方式利用备用方式可以保证压力计在压力变化方式不至于过早地将数据装入存储器里。
备用方式含有一组预定数量的数据点，其数量由操作者自己确定（这些数据点以相等的时间间隔排列）。
当测试到所编程序的末尾的时候，这些数据就在压力变化的方式下存入了存储器中。
表7—2EMS—700控制程序表日期年月日
压力计号：
测试号：
井号：
井名：
间隔号
间隔时间
采样率
压力个数
温度个数
总采样数
1
2
当你利用EM8一700存储式压力计试井之前，必须根据被测井的基本数据及有关资料设计试井方案，再根据试井方案选用合适的编程方式编制一个控制程序表。
见表7一2ΔT方式）。
然后通过键盘输入计算机，并传送到EM8一700中（注：
编程后不要马上接电池，否则仪器将开始工作）。
仪器下井之前，将事先准备好的装有电池的电池筒与EMS一700连接，再接好钢丝绳帽方可下井测试（或装入托筒，可随管柱下入）。
测试完毕，取出仪器，利用计算机通过EMS一700专用接口电缆选用固定程序将测试
数据回放出来并存入磁盘，以便为解释工作提供可靠依据。
注：
仪器再次编控制程序时，直接按要求输入即可，原旧程序和数据将自动清除。
（三）PANEX电子压力计
1．简介
PANEX公司的井下电子压力计主要有三个系列：
1300、1400和1500系列。
存储接头主要有1420一100系列。
1300系列及1400系列的电子压力计的主要型号有：
model1420B、modell320和
modell450三者的主要区别是其温度量程不同，modell320压力计的温度量程为0℃～163℃，mode11420为0℃～190℃，modell450为0℃～200℃，当作为直读压力计使用时，用单芯电缆把井下压力计与地面的数据录取系统相连，即可实现在地面对井下压力的实时监测。
作为储存压力计使用时，将这种型号的压力计与编好工作程序的1420一100系列的存储接头相连，再接上电池组，用钢丝或管柱下入井中，即可实行存储试井作业。
1500系列压力计的主要型号有：
modell525、1550和1575。
这三种型号的压力计除了度量程不同外，其它技术性能基本相同，它们的温度量程分别为125℃、150℃和175℃（即型号号码的后两位数字加上100℃）。
1500系列压力计与1320及1420系列压力计的主要不
同点是：
1500系列压力计内装有两个可互换的线路芯筒，即SRO（直读线路芯筒）和MRO
（存储线路芯筒），当作为直读压力计使用时，在压力计里装上SRO芯简，用单芯电缆把它与地面数据录取系统相连进行地面直读作业。
当作为存储压力计使用时，用MRO芯筒替换下SRO芯筒，把装有MRO芯筒并编好工作程序的压力计与电池组相连，用钢丝或管柱送入井下进行压力存储作业。
另外，1500系列压力计的外径为32mm，比1300和1400系列的压力计外径小6mm。
1420一100系列的存储接头的主要型号有：
medel1420一101、model1420一111、medell420一114、modell420－130，它们之间的主要区别是最大工作温度和存储容量的不同及有无“压力增量”功能（当具有“压力增量”功能时，可以用设定的压力变化量控制采样速率）。
这五种型号的存储接头除modell1420一101无“压力增量”功能外，其它四种都有此功能。
前二者的最大工作温度为163℃，后两者为177℃它们的存储容量依次分别为：
2910、2892、10316、13619、30002个数据点（每个数据点包括时间、压力和温度）。
目前，国内引进的PANEX压力计以model1320、modell525）和存储接头modell420一101为多，下面将主要以这三种型号仪器为例进行介绍。
PANEX压力计存储接头的基本原理、结构和特点
（1）Model1320电子压力计
1原理
我们知道Panex电子压力计为石英晶体电容式电子压力计。
因此有必要了解一下石英晶体的特征。
石英晶体的特征一压电效应：
若在石英晶片上施加机械压力时，将在晶片相应的方向上会产生数量相等的正负电荷。
相反，若在晶片两极加一电场，晶片会产生机械变形。
这种物理现象称为压电效应。
Panex电子压力计就是根据石英晶体的这一特征，在石英晶体片的两个对应表面上喷镀一对金属极板，见图7一20e将其作为压力计的变送器的感应元件。
所以当喷镀金属极板的英片受到地层压力P的作用时，极板上便产生电荷，而且产生的电荷量与压力的大小成正比。
由于极板上的电荷发生变化，导致两极板间电容量C发生变化，进而引起由该感压元件和其它元件组成的振荡电路的输出频率发生变化。
该变化的频率信号经过电子压力计专用信号转换器换算，即可看到实际的压力值。
②结构：
见图7一20f
在PANEX压力传感器的实际线路中，采用了双频测量技术，利用这项技术精确地测量两个电容值的比率一这两个电容值随地层压力变化而变化。
为了实现这种测量，用一个专门设计且误差极小的开关，把两个电容变化值交替地接通同一个电子线路。
由于这个开关仅是一个具有两通道的元件，因而对于比率测量，消除了电路因素误差。
同时利用线性化消除残留的间距误差，再通过电容频率转换器把不稳定性造成的误差降至很低，由于消除了这些误差，所以PANEX压力计的精度较高，性能也比较好（注：
由于资料缺乏，故仅供参考）。
3特点
a．具有较高的精度和分辨率。
b．每0.8秒就可完成一次温度和压力的传输。
c，具有较高的过压能力。
d．利用Medel300的自动标定功能，很容易进行简单的现场标定。
（2）Modell420－101存储接头
1原理：
将压力计信号进行转换，按照预设指令，将数据存入EEPROMs（可电清
除可编程序存储器）。
2结构：
见图7一21
③特点
a．用电信号清除内存不需要紫外线照射和用后备电池保存数据。
b．使用电池的数量可以改变（6一12节）。
c．用可监听的信号进行系统自检，显示压力计、存储接头和电池组工作是否正常。
d．每个数据点同时包括时间、压力和温度。
（3）Model1525SRO／MR0压力计
1原理：
参阅Medell320和Medell420－101
2结构：
见图7一22
3特点
SRO同Model1320，MPD同Model1420一101。
3．PANEX电子压力计的技术规范
（1）Modell320压力计①温度量程：
0℃一163℃②工作温度范围：
同温度量程
3最大过压能力：
压力量程小于或等于于10000psi时为额定压力的115%。
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