试论井下电子压力计的现状和应用
摘 要：电子压力计是广泛应用于测量和记录油气田地层中的油、气、水等介质的压力及温度值的电子设备，也是一种具有高实时性，高精确度、高分辨率“三高”特征的井场压力及温度测试装置。本文从电子压力计的原理和应用现状入手，阐述了压力计在井下测试过程中经常出现的失效形式，同时简单的分析了导致电子压力计失效的原因和主要影响因素，并进行了系统的总结，提出了具有针对性的改进方法和失效预防措施。
关键词：电子压力计;原理;应用现状;失效形式;影响因素;预防措施
1、 前言
在油田勘探和开发过程中，油气田地层的压力及温度的测试和监控是试油、试采工作的重要任务，也是制定井场生产制度、确定井场产量及标定完井情况的数据基石，因此为了正确评价矿藏地层的油气当量，及时精确地测量含油、含气层的压力及温度值具有非常重要的现实意义。压力计和温度计是测试过程使用的主要仪器设备，而其发展也经历了从最初的低精度、单一品种的纯机械式结构到复杂的电子式结构的变革。随着电子电工技术的迅猛发展，具有高精度、高灵敏度、高集成性能的电子压力计如雨后春笋。目前，全国各大油田应用较为广泛的电子压力计多达数十种，而由于压力计的生产厂家众多、型号繁杂、仪器电池检测、识别和操作方式的不同，在使用过程中很容易造成混淆。另外，在矿藏层油气的勘探和开发生产过程中，由于电子压力计长期工作在恶劣环境之中，再加之仪器的选型不当、部件的性能不可靠及人为的操作失误都能造成电子压力计使用过程中的失效，甚至导致试采工艺的失败。因此对影响井下电子压力计失效的主要因素进行分析和预防具有非常重要的现实意义。
2、工作原理及性能指标
2.1、工作原理
电子压力计是一种主要用于油气田矿层压力和温度值测量的高精密的电子仪器。其核心部件是压力传感器和温度传感器，由于压力计的工作环境恶劣多变，因此感应元件的制作需要选用符合深层井下作业的耐高温、高压的特殊材料以确保电子电压计的精确度和可靠性。根据压力传感器和温度传感器的应变电桥原理，压力计的振荡电路在井下地层压力和温度的共同影响作用下，将被测矿层的压力值、温度值转化为电路系统识别电阻值及电压值，并由振荡电路整频转换为计算机识别的电流频率值信号，再经软件校正处理，折算成测试人员需要的井下压力和温度数据。从以上的构成原理可见，电子压力计的核心回路共包含两个测量电路：压力测量电路和温度测量电路。
2.2、性能技术指标
电子压力计具有高灵敏度、高精确度、高可靠性的特点，其性能技术指标如下：
2.2.1、精确度
在压力计无误差时的理想状态下，压力计标准曲线应为一次曲线，但是由于受到地层中诸多因素的影响，压力计的实际图谱走线为二次或三次曲线。正常工作状态下，压力计测量允许的精确度误差为±4psi。
2.2.2、迟滞性
迟滞性指的是压力计在测量过程中从正反两个方向接近同一目标测量值时所显示数据的最大差值，迟滞性误差与压力计传感器使用的材料、制造安装水平及使用环境有很大关系。正常工作状态下，压力计允许的迟滞性测量误差为±2psi。
2.2.3、重复性
重复性误差是指压力计在全测量范围内和同一工作条件下,同一操作者从同方向对同一输入压力值进行多次连续测量所获得的随机误差，重复性误差与压力计使用的地层环境及传感器材料有关。正常工作状态下，压力计允许的重复性测量误差为±3psi。
2.2.4、分辨率
分辨率指的是当测量的目标压力值变化时，压力计所能识别的最小输入量的变化值。正常工作状态下，压力计分辨率为0.02psi。
3、 电子压力计的应用现状
3.1、电子压力计的分类
电子压力计按照试井、测井工艺可分为地面直读式电子压力计、井下存储式电子压力计及新型直读式电子压力计。
3.1.1、地面直读式电子压力计
地面直读式压力计是指采用地面直读测试技术将电子压力计随同测井工具一共投入被测井中，之后从井口下入信号电缆进行对接，电子压力计将被测矿层的压力及温度的变化通过信号电缆传输到地面的计算机系统，在计算机上通过操作软件显示、读出并实时的对被测矿层的数据进行处理和分析。
3.1.2、井下存储式电子压力计
井下存储式压力计是指采用井下存储测试技术将由单片机系统组成的存储记录仪及供电电池与电子压力计进行捆绑集成，并随同测试工具投入被测井，存储记录仪的单片机系统按照预先设定的采集存储程序将电子压力计感应到的矿层中压力及温度的变化存储在存储器中，测试任务结束后，将电子压力计从井口取出，并与计算机相连，系统将按照预定的操作程序将记录仪中存储的压力及温度数据进行回放。
3.2、电子压力计的失效
由于电子压力计需要长期在高压、高温等恶劣的地质工况下使用，加之其组成部件本身容易老化，这些外部因素及内部因素都可以导致压力计的测量误差。而试油、试采工艺对压力计的精度、分辨率及稳定性等技术参数都有较高的要求，因此使用过程中较大的测量误差就会使压力计的测量值严重的偏离实际值，从而导致了电子压力计的失效。压力计在使用过程中导致失效的原因主要有以下几种：
(1)、性能不稳定
电子压力计的核心部件是压力传感器、温度传感器、微处理器、存储器;主要构成电路为：信号放大电路、数据转换电路、振荡电路。这些电子元件及电路都会在剧烈震动的情况下导致电子压力计的失效。
(2) 、测量数据紊乱
电子压力计数据接口操作软件的不成熟及电路的内置电池能量不足都会导致压力计采集的压力及温度数据与测试时间的非对应性关系，这种况且称之为电子压力计的数据紊乱。
(3) 、非点
电子压力计的另外一种失效形式是非点，指的是压力计所采集的数据即温度值、压力值严重失真，大幅度偏离正常值，导致压力计测量曲线的扭曲变形。在实际测试过程中，共有2种非点形式：一种是可以通过修正、删除部分失真点而获得正常测试曲线的少数非点;另一种是无法通过修改、删点等技术手段祛除影响而恢复正常测试曲线的非点。前一种非点我们可以称之为采点偏差，而后一种情况我们称之为电子压力计的非点失效。
(4) 、数据未写入或未采全
支配电子压力计数据处理的核心部件是带有固定储存容量的的微处理器，因而在对压力计的硬件进行编程时，必须合理的设置计数器的时序，并要综合考虑寄存器的储存容量，使系统在计划的采集时间内能够按序的读写，同时要确保数据的存入数量，防止溢出，避免造成测试的失败。
(5) 、超量程
超量程使用是导致电子压力计失效的又一原因，如果在测试前没有选择好适合被测井段工况的压力计，有可能在测试深井的过程中造成传感器的损坏而导致电子压力计的失效。
(6) 、电池钝化
电子压力计的供电装置通常为高温锂电池，而在出厂前为了防止电池的自然放电要在其特性表面形成一层钝化保护膜，而锂电池的这种特性会导致其在低温段电压不稳定，测量井下数据时容易造成采点异常，甚至会出现不可修复的非点失效和数据紊乱。
(7) 、泄露
从技术上分析，泄露是导致电子压力计失效的主要因素。实际应用过程中井下压力计有三处容易出现泄露现象：首先是传感器的导压点附近;其次是密封核心电路板的密封仓;第三处是仪器与测井钢缆连接的部分。导压点附近的密封主要由制造工艺来保证，通常在高精度的机床加工中心，通过精心设计结构参数，能保证在导压点附近承受井下的高压而不漏水;密封仓采用的是O型圈密封技术，同样高精度的机械加工，能够保证压力计的深井耐压能力;仪器与钢缆连接部分是最容易引起泄露的地方。在安装过程中仪器与钢缆的连接，我们通常称之为“铠装”。这一工艺过程必须保证以下几点：
a、钢缆与仪器的信号连接必须是柔性连接，不承受轴向拉力。
b、钢缆与仪器之间有抗法向转动的装置，避免信号连接被扭断。
c、钢缆与仪器连接点应沉没在绝缘填充材料中，外部压力只能作用到填充材料上，确保电信号与外部的绝缘。
(8) 人为因素
人为因素对电子压力计的影响主要有两个方面：一是新手操作导致在压力计装配过程出现部件的损坏，由于电子压力计属于精密仪器，因此对于测试人员的操作水平及专业知识要求相对较高。二是运输过程中因保管不善，造成仪器内部电路的损坏而导致的数据紊乱及数据未采全现象。
4、失效预防措施
4.1、由于电子压力计对于地层中的高温、高压及剧烈震动较为敏感，因此为了减轻传感器瞬间受力强度，设计者应在硬件电路或软件系统方面设置一套压力缓冲装置。另外对于高温、含硫的地层应改变压力计的密封结构，防止泄露造成的电缆、电路及传感器等部件的腐蚀和损坏。
4.2、按照优选搭配及压力计的性能特征选用适当量程，适当存储容量的压力计。由于压力计的性能不稳定性，选型时应综合对产品在使用过程中所能出现的问题及可靠性进行分析，达到互补性的组合。例如，对于采点密度相对较稀的井区，一般选用低存储量的压力计，而测气及压裂井厂由于采点较多，一般选用大量程，高存储量的压力计。另外对于深井及采用深井压裂工艺的特殊井型一般选用精度高、抗震性能好的SPAR压力计，而测气井、联作井则应选用DDI、SEI新型电子压力计。
5、 结语:
掌握和分析电子压力计的工作原理、性能指标及失效形式，合理进行压力计的选型与搭配，确保仪器的维护与标定到位，对于提高电子压力计下井测试的成功率，在实际试采过程中已经取得了明显成效。同时，针对电子压力计的各种失效形式，做好配套工艺的设计与革新，也是不断挖掘测试仪器在油气试采工作中发挥最大潜能的有效方式。目前，由于适用于复杂地质岩层的电子压力计测试技术和工艺还不甚全面，因而我们在今后的工作和学习中仍要加强理论学习，不断的积累经验和优化设计方案，为油田的勘探和开发提供更有力的技术支持。
参考文献：
[1]贾世新.石油试采工艺研究，北京：石油工业出版社.1999.8.1
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