（通信与信息系统专业论文）煤层气井复合射孔动态测试技术研究.pdf

图书分类号图书分类号_te38te38; ; te33+2te33+2_ 密级密级 非密非密 udc 621 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 煤层气井复合射孔动态测试煤层气井复合射孔动态测试 技术研究技术研究 李红兰李红兰 指导教师（姓名、职称）指导教师（姓名、职称） 裴东兴裴东兴 教授教授 申请学位级别申请学位级别 工学硕士工学硕士 专业名称专业名称 通信与信息系统通信与信息系统 论文提交日期论文提交日期 2013 年年 5 月月 25 日日 论文答辩日期论文答辩日期 2013 年年 6 月月 2 日日 学位授予日期学位授予日期 2013 年年 7 月月 1 日日 论文评阅人论文评阅人 李建平李建平 李新娥李新娥 答辩委员会主席答辩委员会主席 祖祖 静静 2013 年年 6 月月 1 日日 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学学校可允许学 位论文被查阅或借阅；位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密 后遵守此规定）。后遵守此规定）。 签签 名：名： 日期：日期： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 中北大学学位论文 煤层气井复合射孔动态测试技术研究 摘要 复合射孔技术是煤层气增产的一种重要技术，在对煤层气井进行复合射孔的整个过 程中，压力和温度数据是关键的参数，它们能够反映复合射孔的效果，为煤层气井复合 增产机理提供实测数据。因此对煤层气井下复合射孔动态测试技术的研究非常有必要。 本课题对煤层气井动态测试技术进行了研究，主要完成了四方面的内容： 首先介绍了煤层气井复合射孔动态测试系统的研究背景及意义，分析了煤层气井下 的环境、复合射孔瞬间的环境，然后根据测试的需求设计了煤层气井复合射孔动态测试 系统的总体设计方案，根据设计方案设计了测试系统的硬件和软件。 其次，根据实际测试系统的精度和测试系统稳定性的需求，在模拟煤层气井的应用 环境下对测试系统进行了动态校准，并在不同的温度下获取了测试系统的灵敏度，对动 态测试系统的压力数据进行了温度补偿。 再次，测试系统在校准过程和测试过程中是不断地变化的，得到的测量结果是一个 随时间变化的量。测试系统的输入与输出的对应关系同静态测量相比，具有时变性、随 动性、动态性、相关性等特点。为了提高动态测试系统的精度，分析了动态测量的误差 来源，在建立系统数学模型的基础上，对煤层气井复合射孔动态测试系统进行了不确定 度的分析。 最后，针对在韩城煤层气井获得的实测数据与油井的实测数据进行了比较，分析了 实测数据，并对煤层气井复合射孔器的参数对压裂的影响进行了分析。 关键字：复合射孔，动态测试，煤层气井，动态校准，动态不确定度 中北大学学位论文 the composite perforating dynamic testing technology research of coal-bed gas well li honglan pei dongxing abstract compound perforation technique is a kind of important technology of coal-bed gas well production. in coal-bed methane wells in the whole process of compound perforation, pressure and temperature data are the key parameters, which could reflect the effect of compound perforation, compound for coal-bed methane well production mechanism provide the measured data. so the dynamic test of coal-bed methane well composite perforating technology research is very necessary. this topic of coal-bed methane wells dynamic test technology are studied, mainly to complete the content of the four aspects: first, this article introduces the research background and significance of the composite perforating dynamic testing technique research of coal-bed methane, analyze the down hole environment and the environment of composite perforating moments, and then designed the overall design scheme of coal-bed methane wells compound perforating dynamic test system according to the requirements of test, designed test system hardware circuit and software according to the design scheme . secondly, according to the practical precision of the test system and test the stability of the system requirements, the test system was calibrated in simulation application environment, record test system sensitivity under different temperature. pressure test system for the temperature compensation. third, the test system in the calibration process and testing process is constantly changing, the measurement result is a change over time. testing system of the input and output compared to static measuring, the relation between time-varying, follow-up, 中北大学学位论文 dynamicity, correlation, etc. in order to improve the precision of the dynamic testing system, the paper analyzes the dynamic measurement error sources, on the basis of the system mathematical model is established, the dynamic testing system of coal-bed methane wells composite perforation has carried on the analysis of uncertainty. finally, the measured date of coal-bed methane wells is compared with the measure date of oil well, experimental data are analyzed, and this topic analyze the fracturing effect on coal-bed methane well composite perforating gun parameters. keywords: complex perforation , dynamic measurement , coal-bed gas well , dynamic calibration , dynamic measurement uncertainty 中北大学学位论文 i 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景和意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.2.1 国外研究现状 . 2 1.2.2 国内研究现状 . 4 1.2.3 小结 . 6 1.3 本课题完成的工作及研究内容 . 6 第二章 煤层气井复合射孔动态测试系统总体方案设计 . 8 2.1 测试对象的特点及测试要求 . 8 2.1.1 复合射孔器工作原理 . 8 2.1.2 测试环境分析 . 10 2.1.3 动态测试系统需满足要求 . 13 2.2 测试系统的总体设计方案. 13 2.2.1 新概念动态测试理论 . 13 2.2.2 动态测试系统工作原理 . 14 2.2.3 系统工作状态分析 . 15 2.3 小结. 16 第三章 动态测试系统软硬件设计 . 16 3.1 采样策略的研究. 17 3.1.1 采样策略理论 . 17 3.1.2 射孔信号分析及采样策略的设计 . 18 3.2 测试系统电路设计. 19 3.2.1 测试系统的性能指标 . 19 3.2.2 传感器的选择 . 20 中北大学学位论文 ii 3.2.3 模拟适配电路设计 . 21 3.2.4 数字逻辑控制电路设计 . 24 3.3 测试系统虚拟软件设计. 32 3.4 小结. 34 第四章 动态测试系统的应用环境校准技术及不确定度分析 . 34 4.1 应用环境校准的必要性分析 . 35 4.2 模拟煤层气井动态校准装置. 35 4.3 校准系统合理性的分析 . 36 4.3.1 标准系统的溯源性校准 . 37 4.3.2 校准系统的误差分析 . 38 4.3.3 标准系统的动态响应特性 . 39 4.4 校准数据处理的方法及压力的温度补偿. 40 4.5 煤层气井下复合射孔动态测量不确定度分析. 43 4.5.1 动态测量误差分析 . 44 4.5.2 测试系统数学模型和压力测试系统不确定度分析 . 44 4.5.3 复合射孔动态测试系统所测压力的合成标准不确定度与扩展标准不确定度 55 4.6 小结. 55 第五章 复合射孔动态测试系统实测数据分析及复合射孔压裂效果分析 . 57 5.1 实测实验与数据分析 . 57 5.2.1 射孔参数对压裂的影响 . 59 5.2.1 射径和孔密对压裂的影响 . 59 5.2.2 射孔方位对压裂的影响 . 60 5.3 小结 . 61 第六章 总结与展望 . 62 6.1 全文总结 . 62 中北大学学位论文 iii 6.2 本文的创新与不足 . 62 6.3 应用与展望 . 62 参考文献 . 63 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研工作 . 66 致谢致谢 中北大学学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题研究的背景和意义 我国是煤炭资源大国，煤层气资源极为丰富，资源量约 43 万 m 3 ，居世界第三。煤 层气将作为我国继石油天然气和煤炭之后的新的接替能源，科学合理的开发和利用煤层 气能够缓解油气供应紧张并改善煤矿安全。然而我国煤炭资源的赋存条件普遍具有渗透 率低、吸附性强等突出特点。导致煤层气开采产量低，经济效益差 1。 复合射孔技术是提高煤层气产量的有效方法，通过火药或者推进剂产生高能气体脉 冲来压裂地层，形成了连通煤层气井和地层的多个径向裂缝，从而改善煤岩层的力学和 渗透特性，地层破裂压力平均能够降低 3-5mpa，进一步提高煤岩的导通能力，达到增产 和延长煤层气的稳产期的效果。复合射孔技术在油气井中已经成为一种成熟的增产技 术，射孔方向和压裂缝的扩展都能在该技术上得到有效的控制，然而，煤层气开采同常 规油气藏有区别，该技术应用在煤层气的增透解吸中的有关理论还不太成熟，因此需要 获取井下复合射孔瞬间的动态特征，煤气井和煤岩动态响应等特征信息，通过这些信息 来分析复合射孔的效果，制定合理的复合射孔施工工艺 2，为建立煤层气井复合射孔增 产的数据模型提供有效信息。 煤层气井下的复合射孔压裂过程中产生的高能气体压力在30mpa200mpa之间，整个 过程中的压力变化复杂多样。在复合射孔过程中形成多长的裂缝，枪身和煤层气套管能 承受多少药量所产生的强压，这一切都没有很准确的理论推导和实验验证，只能凭借实 际测试经验。根据不同的井深、装药量及射孔器获得不同的射孔压力-时间曲线是炸药 爆燃，推进剂燃烧和煤岩开裂等过程的最直接的表征量。另外，在煤层气复合射孔过程 中温度也是需要测量的重要参数，复合射孔压裂过程中温度可能达到高于100 0c甚至更 高，有可能毁坏煤层气井复合射孔动态测试系统的电路中芯片，影响传感器的灵敏度， 从而导致了不能获取数据或降低测试系统的准确性 3。煤层气井复合射孔整个过程获取 温度参数，在不同温度下计算该温度下的动态灵敏度，对动态压力进行温度补偿，从而 保证获得更精确的压力数据。所以研制煤层气井复合射孔动态测试仪，对井下温度和压 力进行实时的测试，不仅能反应射孔的整个过程，对射孔效果提供理论数据，而且可以 中北大学学位论文 2 利用温度和压力参数来研究复合射孔增透解析机理，为建立复合射孔增产数学模型提供 数据。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 由于技术封锁，只查到部分针对煤层气井和煤矿巷道内的气体和压力的测试仪。 在 针对射孔压裂参数测试仪的技术方面， 关于油井的射孔压裂的测试仪的文献资源相对较 多，能够查阅到国外关于压力、温度的动态测试仪器，比如电子压力计、温度计等。 （1）加拿大 datalog 技术公司的 datalog 综合录井仪，在煤层气井的钻井过程中能 够实时记录到钻井的深度，时间，钻井液中的气体成分，如轻烃、重烃、co2等，参数 显示精度、单位以及测量参数的报警门限都可由用户自由设定，图形软件的设计灵活多 变，可满足不同用户的需求。但本测试仪只是记录钻井过程中的参数。 （2） 美国的英思科公司 （industrial scientific corporation） 和日本的新宇宙 cosmos 公司生产了多种矿用气体检测仪，可以检测煤矿中的多种气体，分为单气体检测和多气 体检测。下图为英思科公司生产的 m40-m 多气体检测仪，可以检测一氧化碳、硫化氢、 瓦斯、氧气的含量，其外壳具有防震、防冲击、防火的性能。温度范围：-2050 0c。 可记录长达 50 小时的数据。 图 1.1 m40-m 多气体检测仪 （3）欧文（owen）公司研制的高速数据测试仪，其中型号为 hsdr-1700-02a/-04a 的记录仪， 装在射孔枪上可以记录石油井下压力、 温度双参数， 也可以记录压力、 温度、 高量程加速度、低量程加速度四个参数。图 1.2 为该测试系统的样品和其软件界面。 中北大学学位论文 3 该记录仪由 16 位 mcu 控制，能够调节不同采样频率的工作时间长度，在下井过程中能 延时对该数据测试仪进行上电，可以设置 256 个自动触发所需的电平。测试仪的压力范 围 0280 mpa， 温度范围-40123 ， 存储容量达 1m 字节， 长 1219.2mm， 直径为 43.18mm. 图 1.2 高速数据记录仪及其软件界面 （4）斯伦贝谢公司的 memory ps platform 井下测试仪，其有配套的分析数据的专 用软件。该测试仪核心技术是存储测试，无需连线直接测量井下的压力、温度、套管内 的持气量，射孔瞬间高能气体等因素产生三相流的大小。其壳体就有耐腐蚀特性，满足 nace mr 0175 标准。测试仪能够测得的压力高达 103.5mpa,温度高达 150。图 1.3 为 该测试仪，其直径为 43mm。 图 1.3 memory ps platform 测试仪器 （5）美国 panex 公司研制研制了多种石油井下测试仪，其中 model 4250 型测试 仪，能够测量出温度和压力的值，传感器获得的压力、温度模拟信号通过石英振荡器输 出了其信号的数字量，然后再经过导线传送，此种方法弥补了模拟信号易干扰的缺点。 中北大学学位论文 4 该测试仪能够测试 0 到 112mpa 的压力，精度达到0.02%fs。可以测得-20 到 150的 温度，精度 1。 图 1.4 model 4250 型测试仪实物图 国外的动态测井技术能够可靠稳定的采集数据， 具有高速率传输数据和高速率采集 吞吐数据量。在动态测试仪和其相应的软件的结合下获取可视的数据曲线，并实现了远 程通信，建立了现场与基地的网络传输与控制。但是国外动态参数记录仪价格昂贵，封 锁了核心技术， 同时这些石油井下的动态参数记录仪都不满足煤层气井复合射孔增透解 吸过程的动态参数测试。 针对近期发展的煤层气复合射孔增透解吸的新技术的专用动态 参数测试仪器没有见到文献报道。 1.2.2 国内研究现状 国内对复合射。孔煤层。气增透解吸过程的动态参数测试还是一块空白，经查阅文 献， 目前还没有针对复合射孔煤层气动态参数测试仪器。国内的煤矿煤层气浓度、压力、 温度的测试一般是针对煤矿安全的甲烷、一氧花碳浓度测试，风力、液位等的测试，所 用仪器是便携式监测仪、电子压力计等，但是，上述的这些测试也仅仅是稳态测试，即 物理量参数相对变化缓慢，而且基本上是测试煤矿巷道的压力、温度、甲烷浓度、一氧 化碳浓度等参数的测试。与煤层气抽采类似的是石油井下的开采，国内有能够获取石油 井下复合射孔动态参数的测试仪器，国内的测井技术与国外还有一定的差距，下面介绍 了煤矿的便携式传感器，国内关于油井复合射孔的测试仪。 (1)中煤科工集团重庆研究院多年来都研制矿用传感器，有风流压力传感器，液位 传感器，温度传感器，一氧化碳传感器，甲烷传感器，硫化氢传感器。这些传感器都是 针对煤矿井下进行测试，测量煤矿的各种环境指标。其中风流压力传感器是专门用于测 量井下风力的大小，不同型号的测压范围为表 1.1，从表中可以看到其最高测得的压力 中北大学学位论文 5 是 100kpa。温度传感器是用于测量煤矿的采矿巷道的温度，温度测量范围为 050 0c， 中煤科工集团重庆研究院研制的都是针对煤矿巷道的温度、 压力传感器都是针对煤矿开 采面的，没有对高温高压的恶劣环境的温度、压力进行测量。 表 1.1 风流压力传感器不同型号的量程表 产品名称 测量范围 gf100f(a)型风流压力传感器 -100 kpa0 kpa gf5f(a)型风流压力传感器 -5 kpa0 kpa gf5z(a)型压力传感器 0 kpa5 kpa gf100z(a)型风流压力传感器 0 kpa100 kpa (2) 中科院四川分院研制的“微型嵌入式 p-t 仪 4”专门用于记录射孔压裂中的压 力参数，尺寸为80600mm。预先编程设置触发的电平值，当达到触发电平，采集频 率以 1msa/s 持续 200ms 后，再以 100ksa/s 的速率采集数据。整个过程中测试仪处在等 待触发和触发两个状态。所采用的充电电池可提供测试仪工作 8 个小时。该测试仪对各 种井下施工工艺的过程分析不够，电路采样策略还不能满足井下工作过程要求，没有解 决元器件的耐高温和抗冲击等关键问题，现未能进行井下测试。 (3) 西安石油学院、兵器工业部二零四研究所、西北工业大学共同研制开发的“油 气井高能气体压裂 p-t 测试仪5”是通过改造以前用于地面测试压力测试仪，完成了压 力数据的存储与传输。 该测试仪耐温 1400c， 体积 1141200mm， 重 160kg。 但是该 “油 气井高能气体压裂 p-t 测试仪”电路不可靠，离实际应用差距比较大。 (4) 哈尔滨工程大学设计了一种双参数测试仪， 测量石油井下射孔过程中的压力和 加速度6。能够在压力低于 150 mpa，温度低于 150下正常测试，分辨率小于 0.51mpa。采用锰铜压阻传感器采集压力信号，利用压电传感器采集加速度信号。压 力信号和加速度信号经过模拟放大电路后通过单片机采集信号。 在测试射孔时可以通过 井上计算机编程设置测试仪采样周期和测试仪的空闲时间。 但是目前还没有见到该测试 仪的应用报道。 (5) 本实验室多年来研究动态测试与智能仪器， 所针对的都是在恶劣环境下进行的 测试， 并在这个技术领域有很大的优势。 在国内很早就开展了石油井下测试仪器的研究， 也是国内唯一具有成熟产品并且广泛应用于各大油田的研究单位， 研制的一系列测取环 空压力的测试仪（图 1.5）和腔内压力测试仪，测试精度高，可靠性好。产品根据测试 仪的功能可分为单通道石油井下测试仪和多通道石油井下测试仪， 单通道测试仪能够获 中北大学学位论文 6 取射孔过程中的压力曲线，多通道测试仪则能够获取压力、温度、加速度的测量，满足 了不同使用需求。 多通道测试仪主要技术指标如下： 量程： 静压 50mpa,动压 210mpa;加速度:50000g; 温度:-30 0c1500c；动压测试精度:1%f；最高采样率:125khz；分辨率:12bit；工作温 度:-30 0c1500c。 图 1.5 井下多参数测试系统实物 1.2.3 小结 通过与国内外测试仪的参数对比可知，国外的井下测试技术虽然在抗高温和高冲击 的性能，测压、测温的范围和精度等方面还有提高的余地，但是大部分情况都能够满足 测试要求。相对来说，国内所研制的井下测试仪的测压、测温的范围比较低，很多方面 不满足复合射孔的技术要求。因此，国外凭借测井这方面的优势实施对技术封锁或者只 是以高价卖给我国各大油田。为了降低成本，国内也在不断地提高测井技术，近十几年 里，我国在测井方面取得很大的进展，已经接近了复合射孔的技术要求。但在煤层气井 复合射孔动态测试技术方面还是一片空白，没有足够的理论支持和技术指导。 1.3 本课题完成的工作及研究内容 本课题主要是针对我国煤层气井复合射孔增产技术的需求，研究了复合射孔煤层气 井动态测试技术。其主要研究内容为： (1)介绍了煤层气井的复合射孔过程，分析了压力信号的特点，提出了煤层气井复 合射孔动态测试的总体设计方案。 中北大学学位论文 7 (2)对动态测试系统进行了软硬件设计。 (3)对测试仪进行了校准，并对压力信号进行了温度补偿。 (4)分析了测试系统的动态不确定度，确保了实测过程中的精度。 (5)对煤层气井复合射孔进行了实际测试获得了实测数据，并分析了射孔参数对压 裂的影响。 中北大学学位论文 8 第二章 煤层气井复合射孔动态测试系统总体方案设计 2.1 测试对象的特点及测试要求 2.1.1 复合射孔器工作原理 复合射孔是射孔作用和高能气体压裂作用一次完成的施工方式，先通过射孔弹的产 生射孔孔眼，然后推进剂燃烧，在此过程总形成的高能气体通过孔眼在岩层中形成多条 裂缝，提高岩层的导流能力 7。与常规射孔相比复合射孔能够避免在射孔压裂过程中基 岩带来的残渣污染和射孔孔道压实污染，尤其是在一些渗透性差的地层孔道的压实会严 重影响油井的产量。射孔中的残渣污染主要是射孔中产生的套管钢材、水泥、地层岩石 的残渣，残渣呈碎屑状态，残渣随高速运动的气流冲到岩层上，细小颗粒会进入到地层 的孔隙中阻塞孔隙，这些残渣会随着岩石孔隙冲出的液体带出或者只有在试采时才能被 带出，造成污染。射孔孔道的压实污染是指射孔时高速的金属射流冲击到地层岩石上， 除了穿透岩石形成一定深度射孔孔隙之外，还对孔道壁上的岩石产生压力冲击，岩石受 到压力的冲击，会产生永久性压缩变形，结果是孔道壁上的岩石被压紧，密度增加，孔 隙虽小甚至闭合，这种现象称为孔道壁石的压实，压实厚度称为压实带，压实带的渗透 率低，阻碍油气流入井中。 复合射孔技术应用在煤层气的开采中旨在提高煤层气的渗透性，由于煤的强度较 低，很容易在射孔过程中形成射孔通道，所以煤层气井中的复合射孔不同于油气井中的 射孔，主要表现在射孔弹的设计上，根据煤岩力学性能的特点和井下环境对安全的特殊 要求，对复合射孔压裂弹进行了特殊的设计，其射孔弹为一个多面聚能药包，在炮孔中 多面聚能药包由特制的导爆管（传爆炸药）串联起来，解决炮孔中管道效应的负面影响， 在药量小的情况下，不会破坏煤层的顶、底板，导爆管在穿过药包中的那个小部分用阻 波器进行定位，保证了药包在对称点起爆，在多个药型罩在对称点处同时被压垮时形成 了多条对称射流 89。图 2.1 为其示意图。 中北大学学位论文 9 图 2.1 复合射孔压裂弹简图 该射孔弹利用聚能炸药和压裂火药两者的反应速度存在的具有的数量级之差, 引 爆聚能炸药引后形成了多股聚能射流以微秒级的时间在炮孔径对煤体进行射孔, 紧接 着压裂火药( 特制传爆炸药) 被点燃后在毫秒级的时间内产生高能气体，然后进入刚形 成的射孔内,以冲击加载的形式通过射孔通道挤压煤层，高压气体不仅冲刷和清除孔眼 内的残渣, 还在孔周围的压实带上撑出多条裂缝, 从而加大加深射孔，形成大量裂隙。 通过爆炸产生对煤层的震动和高压气体的压胀, 使煤岩内裂隙大幅度增加, 形成了大 范围的裂隙网, 扩大了煤体卸压范围, 提高了煤层的渗透性, 为煤体内煤层气流动创 造通路 10。 由上述分析可知复合射孔的过程是把射孔和压裂结合在一起，火药生成的高能气体 压力在 30mpa200mpa 之间，压力脉冲持续时间从小于 1ms 到大于 1s，在一次下井的过 程中完成了给煤层气井和产气层之间打开通道的工作，也实现了对射孔眼的冲洗和扩大 裂缝， 有效地增加了渗流面积，提高了煤层气的产量。但是井下裂缝长度无法直接测量， 只能通过井下射孔/压裂过程的压力-时间曲线来表征推进剂燃烧，地层开裂等过程的。 图 2.2 为煤层气井下复合射孔过程示意图。 中北大学学位论文 10 煤层 下井柱管 雷管/传爆药柱 套管及固井水泥 复合射孔枪 动压测试仪 图 2.2 煤层气井下复合射孔作业示意图 2.1.2 测试环境分析 我们对测试环境的分析主要从复合射孔前煤层气井下的静态压力、温度和复合射孔 过程中的恶劣环境的分析。 1、煤层气井下静态压力 煤层井下压力主要有煤储层压力、地下水压力、上覆煤岩层压力、底层压力和基岩 压力组成： （1）煤储层压力指煤孔隙裂缝空间上的流体压力，也称为孔隙流体压力。储层 压力与煤层埋深密切相关，两者是线性关系，煤层埋深增加，储层压力随之增高。我国 煤岩储存压力以欠压为主，在深埋小于 500m 时，煤储层平均压力均小于 5mpa,如韩城、 晋城、柳林等地；埋深小于 1000m 时，绝大多数煤储层的平均压力小于 10mpa;当大于 1000m 时，平均压力大于 10mpa 1112。 （2）地下水压力是来自煤储层中的液体（主要是水）的重量产生的。压力的大小 由煤储层中的液体的密度、煤储层液柱的垂直方向的高度决定，煤储层液柱在深为 h 处 的液体的静态压力用 h p ，得到压力的计算公式： 11gh ph （2.1） 中北大学学位论文 11 式 （2.1） 中 h p为液体柱压力， 单位为 pa； 1 为煤层气井中液体的密度， 单位为 2 /kg m； ， 为重力加速度g, ,单位为 2 /m s；为液柱的垂直高度 1 h，单位为m。 （3）上覆煤岩层压力是指覆盖在该煤岩层的地层基质和孔隙中流体的总重量产生 压力。我们用 ob p （单位：pa）表示上覆岩层压力，且沿垂直高度h（单位：m）取平 均值，则 )1( fmaob ghp （2.2） 式中：岩石的孔隙度（量纲 1）； ma （单位： 3 kg / m）为岩石基质的密度；流体密 度 f （单位： 3 kg / m）。 以上三种压力的综合作用也就是煤层气井下的静压，对于一固定的煤层气井中，这 三个参数基本固定不变。我国目前开采的煤层气井主要以浅井为主，深井可达到 2000m 左右，所以煤层气井下的静压能达数十兆帕到几十兆帕。 2、煤层气井的温度 井下温度是煤层气解析的主要参数。也是影响动态测试仪的因素。井下温度受地层 分布、产状、岩性变化、断裂带特性、水文条件、地形特征的方面的影响。煤层内部的 热以传导方式流入地壳内部，构成地壳内的热源。在均质和水平岩层的条件下，煤层气 井下深处的温度可用如下方程表示 0 2 2 dz td (2.3) 积分式（2.3）得： ) z(/gztdzdt (2.4) 积分式（2-2）得： czzgt,在0z 时， 0 tc ，则有： zzgtt)( 0 (2.5) 相应的热流计算公式为：dzdt/q，则上式变为： zzgt 0 t或 00 hh q tt (2.6) 中北大学学位论文 12 式中 0 t地表温度， 0c； t 深度为 )( 0 hhzz处的岩温， 0c ； h计算点距地表的深度，m ； a h 恒温带深度，m ； q 热流密度， 2 m/w ； 岩石热导率，kmw ； 在均质和水平岩层，以及平均低温梯度)(zg的条件下，任意深度 h 处的岩石温度， 可用下式计算： a hhzgtt 0 (2.7) 在自然界中，大多数为非均质岩层，岩石导热率是变化的，低温梯度随岩石热导率 的减小而增大，此时，任意深度的岩石温度为： dzgtt h i 0 0 (2.8) 式中 i g第i岩层的低温梯度；在已知第i岩层的热导率 i 时，有： i i h i h i z qt dz qtdz q tt 0 0 0 0 0 (2.9) 式（2.9）是在已知地表温度 0 t，各岩层厚度z和热导率，以及热流密度q时， 计算任意深度的岩温t。 通常情况下，煤层气井的温度梯度为 2.56.0 0c /100m，在井深为 2000 米的时候， 井下温度可能达到 100 0c 以上。这就要求煤层气井复合射孔测试仪有隔热措施，防止机 械壳体随温度的升高而升高，影响电路中的芯片正常工作或影响传感器的灵敏度，造成 不能测得实测数据或者测得的压力数据不准。 3、复合射孔过程中的恶劣环境的分析 在测井过程中,煤层气井井眼较小，通常只有十几到几十公分，以经常使用的 5.5 英尺的套管，其内径仅为 130.7 毫米 13。煤层气井的结构也不是严格垂直的，因此需要 中北大学学位论文 13 严格要求测试仪器的体积的规格。井下复合射孔/压裂环境是一种极端的恶劣环境，在 复合射孔/压裂过程中高温达到了 150、压力(静压 50mpa、动压 210mpa)、爆炸高冲击 为50000g，不但超出了普通电子仪器的工作范围，而且超出了一般军工航天特种仪器 的工作条件，因此现有的常规技术无法解决并满足在狭窄井眼尺寸要求的情况下准确、 可靠获取动态信息的问题。在测井过程下井时间大约 12 个小时，如果实验射孔不顺利 可能要在井下待一两天，下井时间过长，这时需要考虑测试仪的功耗问题，再设计测试 仪的电路时需要在选择芯片和电路的逻辑设计上考虑到低功耗的问题。 2.1.3 动态测试系统需满足的测试要求 通过对测试环境的分析，在设计动态测试系统时需要考虑的技术要求如下： （1）所测压力和温度必须满足测量范围和一定的精度要求； （2）电路的工作状态设计必须合理，尽可能降低电池功耗； （3）动态测试仪的壳体能抗复合射孔中的高温、高压、高冲击，并耐腐蚀。 （4）整个动态测试系统须有良好的密封性，避免煤岩中的液体进入仪器内部； （5）电路模块能在高温高压的环境下获取可靠数据； （6）传感器须能有较高的灵敏度和精度并承受高温高压、高冲击的恶劣环境。 （7）微体积，满足下井要求 2.2 测试系统的总体设计方案 测试系统要在高温、高压、高冲击的恶劣环境下15正常工作并记录有效的压力、温 度测试数据，围绕煤层气井复合射孔的测试要求设计了煤层气井复合射孔动态测试系 统。 中北大学学位论文 14 2.2.1 新概念动态测试理论 新概念动态测试满足了恶劣环境测试的需求，将测试仪器的主体放置到被测环境 中或被测体中，使测试仪处在相同的动态环境中并实时实况地获取被测环境或被测体的 动态参数。在本文中所指的被测体是几百到几千米的煤层气井。新概念动态测试技术 主要应用在存储测试，微型遥测，近场遥测 14。 煤层气井复合射孔动态测试仪需要随着射孔枪一起下到煤层气井中，为了方便测 试，采用了存储测试技术，无需外接电源，与射孔枪衔接好后，一起下到需要测试的煤 储层的深度后，快速实时的采集存储复合射孔整个过程中的压力、温度信号 15。煤层气 井复合射孔动态测试中实现存储测试需要考虑测试仪器的体积是否满足被测体的要求， 测试仪需要低功耗，并能在被测恶劣环境中不影响射孔压裂情况下正常采集存储复合射 孔中的压力、温度信号 1617。 2.2.2 动态测试系统工作原理 射孔压裂爆燃过程中的压力、温度参数的实况获取受井下高温高压环境以及爆炸瞬 间产生的强冲击作用，常规的测试仪器不能满足测试条件 18。为了满足测试环境中高温 (150)，高压(静压 50mpa，动压 210mpa)，高冲击(50000g)的同时，还要求在微体 积，低功耗条件下进行可靠获取实时实况信息，我们研制了专用的煤层气井动态测试系 统来获取复合射孔过程中的压力、温度的信息，最终得出压力-时间的曲线图。 该动态测试系统由煤层气井复合射孔动态测试仪和计算机软件组成，测试仪由压力 /温度传感器、采集存储电路、高温锂电池、耐高温高强度的壳体组成。采集存储电路 由模拟电路和数字电路做成。其中模拟电路包括传感器适配电路、电源管理电路。传感 器适配电路完成对模拟信号的放大和滤波。电源管理电路为不同的电路模块提供不同的 电压， 保证各个模块工作工作。在数字电路中主要是完成压力、温度数据的转换与存储， 压力的模拟信号通过外部 ad 来转换成数字量，通过 cpld 对 ad 获得的数字重新处理 再经过单片机内部的 fifo，然后送到存储器。经过适配电路后的温度信号经过单片机的 进行采集da ，然后存储在存储器里。时序模块为电路各个模块提供工作时序。计算机 软件是对复合射孔过程中获取的数据进行标定、数据处理、显示曲线、保存波形，在该 中北大学学位论文 15 测试仪下井前可以通过软件编写触发电平，计算机还可以通过软件控制测试仪停机、复 位、擦除数据。测试仪与计算机是通过测试仪中的接口电路与实验室专门研制的 usb 读 数器进行连接，完成了数据的可视