地层压力动态响应的精确测量_薛永增.pdf

测 井 技 术WELL LOGGING TECHNOLOGYVol.47 No.2 Apr 2023第47卷 第2期 2023年4月文章编号：1004-1338（2023）02-0224-06地层压力动态响应的精确测量薛永增，支宏旭，张彩虹，余强，高天瑞，张华勇（中海油田服务股份有限公司油田技术研究院，河北 三河 065201）摘要：精确测量地层压力动态响应能够准确快速地获得地层压力参数，是油气田勘探开发的重要环节。介绍了地层测试器压力测量系统的基本组成，提出了一种地层压力动态响应的精确测量方案。该方案以Quartzdyne石英压力传感器为核心，基于混合厚膜集成电路的硬件采集电路和系统软件，通过IIC总线读取Quartzdyne石英压力传感器的压力计数值、温度计数值、温度标定系数和压力标定系数。再经过解算算法进行解算，从而计算出真实的压力值和温度值，得到地层压力动态响应的精确测量结果。归纳了地层压力动态测量中的4种常见问题：机械和电路系统异常、传感器本身异常、作业方案设计不合理和井壁不光滑。提出的地层压力动态响应精确测量方案已经过渤海油田上百口井数年的实际应用，能够满足175 下地层压力测试的需求。关键词：地层测试器；石英压力传感器；厚膜集成电路；地层压力；地层温度；渤海油田中图分类号：P631.84 文献标识码：ADoi：10.16489/j.issn.1004-1338.2023.02.015Accurate Measurement of Dynamic Response of Formation PressureXUE Yongzeng,ZHI Hongxu,ZHANG Caihong,YU Qiang,GAO Tianrui,ZHANG Huayong(Well-tech Research and Development Institute,China Oilfield Services Limited,Sanhe,Hebei 065201,China)Abstract:In order to obtain the formation pressure parameters accurately and quickly,it is necessary to measure the dynamic response of formation pressure accurately,which is an important step in the exploration and development of oil and gas fields.This paper introduces the basic composition of the pressure measurement system of the formation tester and proposes an accurate measurement scheme for the dynamic response of formation pressure.The scheme takes the Quartzdyne quartz pressure sensor as the core,and based on a hardware acquisition circuit and system software of a hybrid thick film integrated circuit.The pressure,temperature,temperature calibration coefficient,and pressure calibration coefficient of the Quartzdyne quartz pressure sensor are read through the IIC bus.The solution algorithm is used to calculate the true pressure and temperature,and accurate measurement results of the dynamic response of formation pressure are obtained.This paper summarizes four common problems in dynamic measurement of formation pressure,including mechanical and circuit system abnormality,sensor abnormality,unreasonable operation plan design,and uneven wellbore.The scheme proposed in this paper has been applied in hundreds of wells for many years,and can reliably meet the requirements of formation pressure testing at 175.Keywords:formation tester;quartz pressure sensor;thick film integrated circuit;formation pressure;formation temperature;Bohai oilfield0 引 言作为油气层快速评价的有效手段，地层测试器广泛应用于油气田勘探开发之中1-6，它能快速、经济地完成地层压力动态响应的测量和流体取样，帮助估算地层压力、地层渗透率、预估产能、判断储集层之间的连通性，并为设计完井方案和开发方案提供重要信息7-8。近年来，中海油田服务股份有限公司自主研发了175 电缆式地层测试器EFDT、快速地层测试器IRFT和随钻地层压力测试器IFPT9-13。这些仪器设计了相似的地层压力测量系统，包括嵌入密封橡胶的推靠坐封装置、流体管线、抽吸泵、基金项目：中国科学院战略性先导科技专项（A 类）子课题“随钻地层测试流体取样仪器研制”（XDA14020202）第一作者：薛永增，男，1985 年生，高级工程师，硕士，从事地层测试器井下测控系统设计。E-mail：通信作者：支宏旭，男，1990 年生，工程师，硕士，从事地层测试器井下测控系统设计。E-mail：薛永增，等：地层压力动态响应的精确测量第47卷 第2期225 Quartzdyne石英压力传感器、基于多芯片组件技术的混合厚膜集成电路、CAN总线和供电电源等组成单元。Quartzdyne石英压力传感器是地层压力测量系统的核心，具有测量精度高、分辨率高、耐温范围宽、动态响应好、性能稳定等特点14，在井下高精度压力测量领域得到了广泛应用。斯伦贝谢公司的仪 器Pressure Xpress和Pressure Xpress-HT也 曾 使 用Quartzdyne石英压力传感器测量地层压力15。本文介绍了地层测试器压力测量系统的基本组成，以Quartzdyne石英压力传感器为核心，设计了地层压力动态响应的精确测量系统，阐述了Quartzdyne石英压力传感器温度、压力解算算法和IIC总线通讯协议，提出了基于混合厚膜集成电路的采集电路硬件、软件设计，并给出了实井案例。该测量系统充分考虑了传感器安装位置、标定、维护保养和连接器设计，可获得准确的地层压力动态响应数据，并可对常见故障进行及时处理。1 地层测试器压力测量系统地层测试器压力测量系统主要包括地层测试器基体、蓄能器、推靠坐封装置、流体管线、石英压力传感器、抽吸装置、探针（含橡胶垫和吸口）等组成部分。探针为金属盘，盘面嵌入一层橡胶，盘心为吸口，吸口是地层测试器内部管线与地层的连接通道 16-17。推靠坐封装置，一般为机械液压系统，该系统能提供探针张开收缩的运动控制。蓄能器是机械回收装置，辅助液压系统完成探针的回收，当地层测试器出现断掉故障时，蓄能器能保证探针基本完成回收动作，从而避免仪器遇卡和探针跌落。仪器进入目标测点深度后，地层测试器保持静止状态，在推靠坐封装置的控制下，探针张开，推靠在井壁之上，液压系统压力保持在20 MPa以上，以确保探针和井壁之间的推靠力足够大。因为橡胶的密封作用，刺破泥饼进入地层的吸口和环空之间保持隔绝。之后，抽吸装置以固定的抽吸速度（mL/s）完成总量一定的抽吸动作，抽吸结束之后，系统继续维持一定时间的静止状态，最后回收探针，结束单点测压，系统下电。在上述过程中，管线内部的石英压力传感器需要全程监控管线内部流体的压力，并将压力实时上传地面或者存储在仪器内部的存储器内。石英压力传感器测量的是压力时间曲线，即地层压力的动态响应。对于电缆地层测试器，仪器处于电缆悬停状态，需要在仪器探针的对面设计推靠臂，以确保探针与地层紧密坐封；对于随钻地层测试器，仪器与钻杆刚性连接，不需要设计探针对面的推靠臂（见图1）。推靠臂抽吸装置橡胶吸口探针石英压力传感器地层流体环空图1 地层测试器压力测量系统示意图2 传感器和采集电路2.1 石英压力传感器简介Quartzdyne石英压力传感器集成了压力晶体、温度补偿晶体和参考晶体（见图2）。参考晶体的频率特性几乎不受压力和温度影响，并且振荡频率非常高，它的高频振荡信号通过混频器分别与压力晶体和温度补偿晶体的振荡信号比较，经过整流和滤波后控制频率计数器进行计数。石英压力传感器输出的是当前探头感受到的压力和温度计数值，只要在一定的门限时间内读取该值，就能通过算法解算出压力值和温度值。参考晶体的引入提升了测量分辨率和精度，Quartzdyne石英压力传感器的分辨率高达0.01 psi*，精度为 0.02%。此外，其内部含有非易失性存储器EEPROM，存储压力和温度标定系数。石英压力传感器需要定期重新标定，将标定系数写入EEPROM，以保持传感器的高精度18。Quartzdyne石英压力传感器有7个电气连接信号（见图2），具体分别为：SCL（I2C总线时钟信号），SDA（I2C总线数据信号），VCC（供电正极），GND（供电负极），Ref（参考晶体7.2 MHz振荡频率输出），A1/T（寻址信号1），A2/P（寻址信号2）。其中，I2C总线是Quartzdyne石英压力传感器与数据采集电路之间的通讯接口，数据采集电路通过设备地址访问*非法定计量单位，1 psi=6 894.76 Pa，下同2023年测 井 技 术226 石英压力计的压力计数器、温度计数器、控制寄存器、非易失性存储器EEPROM，完成压力和温度计数值采集、状态控制、出厂信息读取以及标定参数读写等操作。寻址信号A1或者A2与供电负极连通时，代表逻辑信号“0”，悬空时代表逻辑信号“1”，共有“00”“01”“10”“11”这4种连接方式。因此，数据采集电路可通过1路I2C总线同时访问4个Quartzdyne石英压力传感器。频率计数器非易失性存储器压力晶体温度补偿晶体参考晶体SDASCLRefA2/PA1/TVCCGND图2 石英压力计结构框图2.2 解算算法与通讯协议Quartzdyne石英压力传感器的压力值、温度值与压力计数器、频率计数值存在关系见式（1）。p=t0+t1X+t2 X 2+t3 X 3t0=C0,0+C0,1Y+C0,2Y 2+C0,3Y 3t1=C1,0+C1,1Y+C1,2Y 2+C1,3Y 3（1）t2=C2,0+C2,1Y+C2,2Y 2+C2,3Y 3t3=C3,0+C3,1Y+C3,2Y 2+C3,3Y 3t=e0+e1Y+e2Y 2+e3Y 3 式中，p为压力，psi；X为压力计数值；Y为温度计数值；ti为温度补偿系数（i=0，1，2，3）；Ci,j为压力标定系数（i=0，1，2，3；j=0，1，2，3），psi；t为温度，；ei为温度标定系数（i=0，1，2，3），。传感器作为从节点，通过I2C总线与外界通讯。以读压力计数值为例，主节点首先发送“空读”指令至从节点，如果压力计数器已准备好数据，则在I2C总线第9个时钟周期回传1个“ACK”位，并开始传输数据。此时，主节点至少读取1个字节的数据，然后接连发送“NACK”位和“STOP”位，结束当前总线传输。主节点按照时序要求间隔一定时间正常读取4个字节的压力计数值，并在每次读最后1个字节之后接连发送“NACK”位和“STOP”位，结束当前总线传输；如果压力计数器没有准备好数据，则在I2C第9个时钟周期回传1个“NACK”位，此时主节点也要发送“STOP”位结束当前总线传输。读温度计数值的方法与压力计数值相同。由于数字式石英压力计的计数周期在0.001 s至2.300 s之间，因此，数据采集电路分别读取压力和温度计数值的时间间隔必须在此时间范围之内，否则会出现较大数值误差，本文设计中读数据时间间隔为250 ms。由解算算法和通讯协议可知，采集电路应具备IIC总线接口，通过IIC总线读取Quartzdyne石英压力传感器的压力计数值、温度计数值、温度标定系数和压力标定系数，通过公式进行解算，得到32位单精度浮点数形式的真实的压力值和温度值。2.3 采集电路硬件设计石英压力计数据采集电路具备3个功能：为传感器提供高质量的3.3 V直流电源；采集压力计数值、温度计数值和标定系数，并解算出真实的压力值和温度值；按照一定的通讯协议将解算后的工程值通过CAN总线发送至主控板。图3是应用在电缆式地层测试器EFDT中的Quartzdyne石英压力传感器的采集电路结构框图和实物图，它由单片机及其外围电路、电源转换电路和电源监测与复位电路3部分组成。（1）单片机及其外围电路。单片机是采集电路的核心器件，采用NXP公司的MC9S12XEP100MAL。该单片机的时钟源由11.059 2 MHz的无源晶体提供，工作主频达100 MHz，可提供最高50 MHz的外设时钟。同时，单片机集成了丰富的外设资源，包括64 kB的非易失性存储器，8个通用串行总线控制器SCI，5个CAN总线控制器，2个I2C总线控制器，实时定时器RTI等。此外，单片机的工作温度范围为 40125，良好的温度性能保证了其在井下环境中长时间运行的稳定性。（2）电源转换电路。电源转换电路的功能是将5.0 V输入电源转换为数字式石英压力计及单片机正常工作时所需的3.3 V，为产生稳定且高质量的输出电源，薛永增，等：地层压力动态响应的精确测量第47卷 第2期227 该设计选用TI公司的低压差线性稳压器TPS76901。TPS76901具有极低的输入与输出压差，当压差大于71 mV时，就能保持输出电压稳定。TPS76901搭配较低ESR值的10 F固态钽电容，能够有效降低输出的纹波。此外，该芯片适用于严苛环境，能够在175 的环境温度下保证100 mA的输出能力。（3）电源监测与复位电路。单片机的有效复位保证CPU的程序计数器被初始化为合适的初值，防止CPU从未知程序段开始执行，造成系统紊乱。MC9S12XEP100MAL采用低电平复位，要求芯片的RESET管脚保持至少128个系统时钟周期的低电平，然后置高电平。该设计选用带电源监控功能的复位芯片TPS3836K33，该芯片的固定复位时间为200 ms。当 检 测 到VDD管 脚 电 压 高 于 门 限 电 压（2.93 V）时，芯片内部定时器开始计时，复位输出置低保持200 ms，然后输出置高电平，结束复位。接口芯片CAN总线控制器I2C控制器CANSCLSDA5.0 VCAN总线数字式石英压力计电源监测与复位电路电源转换电路3.3 VRESET单片机电路图3 采集电路结构框图和实物图2.4 采集电路软件设计Quartzdyne石英压力传感器采集电路软件采用模块化结构，由主程序模块和多个子程序模块构成（见图4）。通电后，首先进行初始化，完成系统时钟配置、IO口设置、I2C控制器寄存器配置、CAN总线控制器寄存器配置以及定时器设置。经过1 ms延时之后，CPU执行读EEPROM数据子程序，完成标定系数的读取，启动2.2 s计数器之后进入死循环；当2.2 s计时器溢出时，CPU会强制读一次压力和温度计数值防止出现大数值误差。软件使用了CAN接收中断接收采集命令，当接收到与接收邮箱ID匹配的远程帧时，在接收中断服务子程序中，通过发送邮箱发送当前真实的压力值、温度值，退出中断后回到循环入口，等待新的计数器溢出、采集命令。3 实际案例与常见问题3.1 实际案例图5是使用该地层测试器压力测量系统在渤海某井取得的测压曲线。图5中pQ是Quartzdyne石英压力传感器测量到的压力值，psi；v是抽吸速度，mL/s。初始化获取标定系数读EEPROM计时器是否溢出进入循环采集命令？发送温度和压力的工程值触发压力计数器读取计数值触发温度计数器读取计数值根据标定系数解算压力和温度启动计数器是否否是图4 系统软件流程图2023年测 井 技 术228 01020304050601 6001 8002 0002 2002 4002 6002 8003 000pQv时间/10 spQ /psi00.20.40.60.81.0v/（mLs-1）图5 典型测压曲线该曲线以时间为横轴，以Quartzdyne石英压力传感器的压力测量值、抽吸速度为2个纵轴。测试点垂深1 540.7 m，测深2 892.7 m。压力测量值的波动反映了地层压力的动态响应，显示了测前、坐封、压降、压力恢复以及测后这5个过程中压力变化情况。实际作业中，测试前泥浆柱压力2 886.82 psi，测试后泥浆柱压力2 886.15 psi，测试前后泥浆柱压力差为0.67 psi，反映出整个测量过程泥浆柱压力较为稳定，同时传感器稳定性较好。测压过程中设计4次抽吸：第1次抽吸速度为2 mL/s，清理仪器管线；第2次调查预测试，抽吸抽吸速度为3 mL/s，用于判断地层情况，从图5中可知，调查预测试压降在400 psi，表明该点渗透性较差，正式抽吸应设计较慢的抽吸速度；第3次、第4次为正式抽吸，抽吸量10 mL，抽吸速度0.5 mL/s，重复2次抽吸。测压结束后，选择第3次和第4次中较好的一次测压数据作为正式测压数据。该井选择第4次抽吸测压数据作为正式数据，将抽吸2 min后的恢复压力视为地层压力，地层压力为2 333.5 psi。该系统在渤海地区已应用上百口井，稳定性较好，测量精度达到了设计指标的要求。3.2 常见问题3.2.1 机械和电路系统异常探针有效坐封是准确测量的基本要求，漏封将导致测量失败。液压系统故障导致探针不能伸展到有效位置，这是漏封的常见原因之一。仪器管线出现异物堵塞管线，将影响压力传导，也会造成测量失败。仪器电路系统出现问题，无法完成传感器数据的采集、存储，或者不能完成向地面系统传递测量值的操作，这些都可能造成测量失败。3.2.2 传感器本身异常实际应用中，Quartzdyne石英压力传感器本身也会出现异常。随着使用年限增长，原本具有良好弹性的波纹管会出现塑性形变，使传感器在0500 psi的低压测量范围内误差骤然增加，此时必须更换波纹管。传感器内部的硅油是外部压力向内部压力晶体传递的必要中介，任何情况导致的硅油泄露，都会造成传感器精度下降，这时必须更换硅油。在安装和拆卸中不可扭动螺纹，以防止硅油泄露。泥沙等异物会附着在波纹管之上，造成压力传导问题，必须定期清洗波纹管。地层测试器的压力传感器必须每年标定，随着使用年限的增长，传感器压力晶体频率特性和传感器内部电路中存储的标定数据将存在差异，必须通过重新标定消除差异，进而有效控制测量精度18。3.2.3 作业方案设计不合理Quartzdyne石英压力传感器内含压力晶体、温度补偿晶体和参考晶体共3种晶体，晶体间的温度差异将造成较大的精度损失。当地层测试器到达目标深度后，必须经过充足的等待时间，待3个晶体处于温度平衡状态，测量精度才能达到最优。传感器必须远离发热器件，一旦受到热冲击，传感器需要经过一定时间才能恢复精度。必要时，传感器应该置于温度较为恒定的绝热瓶之中，以获得精确的压力测量。实际测压作业中，抽吸完成之后，压力恢复时间的设计非常重要。压力恢复时间设置得太短，则地层压力尚未恢复至原始地层压力，会造成测量值比实际地层压力低；而压力恢复时间设置得太长，将造成经济上的浪费。一般设置一个压力对时间的最小变化率，当这个最小变化率低于某一阈值后，结束测压。如果目标地层温度异常，为了准确测压，务必减少地层温度异常对传感器敏感晶体的温度冲击。传薛永增，等：地层压力动态响应的精确测量第47卷 第2期229 感器应与仪器基体紧密连接，保持较低的热阻，传感器收到热冲击之后，将很快恢复常态。测压过程中减少抽吸量，减少地层流体流入管线，就会造成传感器敏感晶体的温度冲击，影响压力测量结果。研究温度不敏感的高精度压力传感器，是解决目标地层温度异常造成测压不够准确的根本解决途径。单晶体解决方案、多晶体优化空间位置方案，都是可行方案。3.2.4 井壁不光滑问题如果遇到井壁不光滑的情况，漏封概率将大大增加。漏封后有必要将仪器转动一定角度，或者上下移动较小的距离，再次尝试坐封。如果根据常规测井资料，能够提前确认井壁不光滑或者裂缝地层，可选择橡胶面积更大的探针，以提高坐封的成功率。单次下井要携带多种探针，根据实际坐封效果选择不同种类的探针。4 结束语（1）论述了地层压力动态响应的精确测量技术，叙述了地层测试器压力测量系统的组成，介绍了Quartzdyne石英压力传感器的通讯协议和解算算法，设计了175 采集电路的硬件和软件，分析了具体的应用案例，总结了常见故障及解决措施。（2）提出的地层压力动态响应的精确测量方案，经过了渤海地区上百口井的实际应用，稳定性、可靠性较好。（3）目前地层压力动态响应的精确测量技术存在不足有3点。缺乏根技术，石英晶体的设计、加工和高温混合厚膜电路设计制造属于核心技术，掌握在国外企业手中，中国虽有类似产品，但最高耐温、测量精度等关键指标均低于国外品牌。传感器有效测量点与探针吸口存在距离，这段液柱造成测量值和真实地层压力之间存在误差，需进行补偿。实际作业中，地层压力测试中的抽吸速度、抽吸量缺乏理论模型和实验依据，受经验支配较多，理论研究和实际作业需求脱节。参考文献：1 冯永仁，左有祥，王健，等.地层测试技术及其应用的进展与挑战J.测井技术，2019，43（3）：217-227.2 高翔，白晓捷，贾丽，等.电缆地层测试器的技术现状及发展趋势J.西部探矿工程，2010，22（10）：109-111.3 陈勇，卢选民.国内外电缆地层测试器新进展J.石油矿场机械，2013，42（3）：27-31.4 高翔，白晓捷，贾丽，等.电缆地层测试器的技术现状及发展趋势J.西部探矿工程，2010，22（10）：109-111.5 王向荣，周灿灿，王昌学，等.电缆地层测试器测井应用综述J.地球物理学进展，2008，91（5）：1579-1585.6 徐锦绣，吕洪志，崔云江.渤海地区电缆地层测试应用效果分析J.中国海上油气，2008，20（2）：106-110.7 周艳敏，陶果，李新玉.新型电缆地层测试器渗透率反演方法研究J.测井技术，2008，32（6）：493-497.8 谷宁，陶果.基于神经网络方法的电缆地层测试器渗透率解释模型研究C/中国地球物理学会第二十届年会论文集，西安，2004.9 秦小飞，冯永仁，周明高.电缆式测井仪器液压系统设计及应用J.液压气动与密封，2015，35（2）：81-84.10 秦小飞，冯永仁.电缆式地层测试器推靠坐封装置安全性设计J.机械工程师，2014，14（3）：140-143.11 褚晓冬.地层测试器自动控制的设计与实现J.油气井测试，2015，24（1）：71-73，78.12 冯永仁，秦小飞.ERCT地层测试器液压系统集成设计J.测井技术，2012，36（5）：523-525.13 钱德儒，郑俊华，高润峰，等.地层压力模拟测量短节研制J.石油机械，2021，49（4）：58-63.14 宋万广.随钻地层测试器中测压传感器选型及应用J.仪器仪表用户，2013，20（3）：23-25.15 匡立春.电缆地层测试资料应用导论M.北京：石油工业出版社，2005.16 陈永超，张小康，周明高，等.地层测试器极板式超大探针坐封性能研究J.机械工程师，2015，15（10）：109-111.17 陈永超，周明高，秦小飞，等.地层测试器极板式大探针短节的研制与试验J.石油机械，2016，44（1）：16-19，24.18 支宏旭，余强，薛永增，等.石英压力传感器自动标定技术研究J.测井技术，2019，43（1）：97-100.（修改回稿日期：2023-02-21 编辑 王小宁）