一、引 言
油井压力测试一直是生产井测试的一个棘手问题。目前国内外大多采用机械压力计进行测量。受其机械传感器灵敏度低以及读曲线装置分辨率的限制,使测量精度很低。而且由于其直径较大,所以每次测试时都要把抽油杆(甚至油管)从井口起出。这项工作即费时、费力,又很繁锁,这给测试工作带来很大不便。近年来国外报导有用引线法测试压力恢复曲线,此方法在测试时需要将传感器和几百至几千米电缆下入井内,测试系统庞大,造价很高。据了解,也有报导用存储式测压原理的,但其价格极其昂贵且未见有产品投放市场。
为此我们研制了智能型压力测试装置。它采用存储技术把经放大后的被测信号直接存储在存储器中,从而大大提高了测试精度。它为一体化结构,体积小,不需取出抽油泵及抽油杆便可下入环形空间完成测试。同时该装置还具有低功耗、耐高温的特性,可在125℃环境下连续工作100多小时。性能稳定,使用方便。
二、电路设计
智能型压力测试装置原理框图如图1。图1电路固化为一体。传感器接收井下压力恢复曲线信号,由桥路将其转换成微弱电压信号输出,送至低漂移放大器将其放大至A/D转换器所能接收的信号,经A/D转换后存入存储器。采样、控制电路控制所有电路协调工作。同时控制传感器电源,在采样时打开传感器电源给桥路供电,在两次采样期间关闭传感器电源,使传感器不工作。
三、技术问题
图2是我国某油田一口生产井的压力恢复曲线。
由图2可知压力恢复过程是一个极其缓慢、微弱的单向变化过程。其恢复过程长达100h以上(一般为4～7天,有时甚至更长)。我国大部分地区井深的温度梯度为30℃/km,对于3km的井下,其环境温度接近100℃。那么如何使测试装置能长时间连续工作在高温环境下,且具有低漂移、高增益、低功耗的特性,就成为该装置研制中的关键技术问题。为此采取如下措施:
1.低漂移、高增益
为了提高传感器的灵敏度,传感器采用了应变式差动电桥。为了减小传感器的零漂,采用了BBZ120-3AA-11型中温度自补偿应变片。且采用半桥工作方式,2片作为工作片,2片作为温度自补偿应变片,有效地克服了温度变化引起的零漂。
为了得到高增益下工作的低漂移放大器。在电路设计上采用了低阻值反馈网络的放大器电路。放大器电路设计成二级。第一级采用低漂移斩波稳零放大器ICL7650构成50倍反向放大器,第二级采用低漂移放大器OP27构成增益可调放大器,中间加了一级滤波器以滤掉斩波稳零放大器的斩波噪声。
为了减小放大器的零漂,除芯片选择及电路设计要合理外,在放大电路的制作工艺上还采取了一系列有效措施,使放大器电路的漂移控制在小于0.1μV/℃。
2.耐高温、低功耗
为了使整个装置能在高温环境下长时间连续正常工作。我们选用了在高温环境下仍具有优良特性的大容量锂电池作为装置的供电电源。在考虑性能、价格因素的基础上合理选择芯片,并对电路中所用所有芯片都进行了高温老化处理。除此之外还采取了良好的密封、隔离和隔热措施。
为了减小电路的功耗,在电路的供电方式上采取了一系列措施。对整个装置中耗能最多的传感器桥路采取脉冲式供电方式,在数据采集前2.79s给传感器桥路供电,以便电路达到稳定状态。数据采集完后再关闭电源。这样可节省功耗78.75%。
四、实验结果及分析
该装置研制成功后,在“油井模拟实验装置”(1993年5月通过了国防科工委技术鉴定)中做了不同环境温度下、各种信号、不同增益条件下、长时间连续工作实验。实验系统见图3。
图1电路装置放入油井模拟实验装置内。油井模拟实验装置内温度可以连续调节,压力可以连续调节。电子电位差计、电子示波器用来监测低漂移放大器的输出Va,计算机用来监测装置的输出Vd。
实验条件:电路装置采用电池供电;放大器增益K=1300。实验结果及分析:
1.漂移特性
分析图1电路装置可知漂移特性主要取决于传感器及低漂移放大器部分。在常压常温下调节图1电路装置的传感器电路和低漂移放大器,使低漂移放大器的输出Va=0。再把装置放入油井模拟实验装置内。调节油井模拟实验装置内压力为常压。在压力不变的条件下做如下实验:
(1)温漂实验 每隔1h改变一次油井模拟实验装置内温度,每隔10min读一次放大器输出Va。1h读6次取其平均值,得到输出Va随温度变化的曲线,见图4。
由图4可见,在温度为T≤125℃内,输出Va随温度的上升缓慢增加,其最大漂移为:ΔVos/ΔT= ΔVa/(KΔT) <0.1μV/℃。当T>125℃时,输出Va随温度的上升而剧增,温漂剧增,输出Va也由直流变为交流噪声,且随温度的增加交流噪声幅度增大。当温度降至125℃以下时,输出又恢复为直流,温漂立即减至<0.1μV/℃。
可见低漂移放大器在T≤125℃温度下工作时,有极小的温漂,温漂<0.1μV/℃。
(2)时漂实验 调节油井模拟实验装置内温度分别为85℃、100℃、115℃、125℃,每个温度下持续时间为100h,测得每一温度下输出Va随时间变化的曲线,见图5。
由图5可见,在温度恒定的情况下,随着时间的变化输出Va基本趋于一稳定值,时漂近似为零。
2.工作状态
放大器增益为K=1300,在不同温度(40～125℃)下,分别调节油井模拟实验装置内压力,用计算机监测装置的输出Vd。监测表明装置工作正常。
图6给出了K=1300、T=125℃、100h内连续工作时的Pt-t曲线(注:输入阶跃压力)。结果表明:装置工作正常、性能稳定。
应该特别指出的是尽管该装置是专门为油井测试而设计的,但并不失其通用性。当改用不同的传感器时它还可以用来测量其它参量。
本文作者：姚素芬 只德瑞
