定方位射孔地面系统及其软件开发

1、定方位射孔地面系统及其软件开发测井技术WELL LOGGING TECHNOLOGY1999年第23卷第3期VoL.23No.31999 - 陈一健潘迎德张开洪摘要陈一健，潘迎德，张开洪定方位射孔地面系统及其软件开发测井技术，1999，23（3）：202206介绍了利用重力加速度计确定射孔方位的原理，利用笔记本电脑通用串行接口RS232的非标准用法接收井下自然伽马GR、油管磁接箍TCL、重力加速度GA信号，地面光电深度编码DEP和电缆磁记号WM。所有定方位射孔的测量由一台笔记本电脑完成。主题词：定向射孔计算机系统程序设计重力加速度计信号ABSTRACTChen Yijian， Pan Ying

2、de， Zhang Kaihong Oriented Perforating System and Its Software Development WLT， 1999， 23（3）：202206Perforating orientation can be determined by using a gravitational accelerator By means of a nonstandardized serial interface RS232 of a notebook computer， downhole signals from natural gamma ray tool （

3、GR）， tubing collar locator （TCL）， gravitational accelerator （GA）， photoelectric depth encoder （DEP） and cable mark detector （WM） can be received and processed in real time Only a few auxiliary components are needed for the system The notebook computer can control all signal measurements leading to o

4、riented perforatingSubject Terms： oriented perforating computer system programing gravityaccelerometer signal引言在非常规油气藏中，裂缝型油气藏和致密砂岩油气藏是极其重要的两大类，前者的储集空间和渗流通道主要是裂缝，油气井产量的高低在很大程度上取决于射孔孔眼能否沟通天然裂缝系统；后者的基质渗透率一般很低，必须实施整体压裂改造才能提高单井产量。而人工压裂裂缝的走向总是垂直于最小水平主应力，因此，当射孔时能垂直于最小水平地应力布孔，则压裂时压裂液沿孔眼母线处造缝并延伸，从而形成井与储层良好的

5、通道，极大地提高产能。显然，在已知储层裂缝方位或最小水平地应力方位条件下，确定射孔方位，以便最大限度地提高油气田勘探开发效益，这就是所谓的定方位射孔技术。定方位射孔技术主要包括3个部分：定方位射孔井下仪器部分；地面信号接收与处理即地面计算机系统及软件开发；适合于特殊储层的射孔工艺，即定方位射孔优化设计。1997年底，由四川测井公司和西南石油学院联合研制成功全套定方位射孔技术。定方位射孔仪工作原理定方位射孔系统井下硬件包括自然伽马和磁定位仪、定方位仪、定向射孔枪、自动定向键和槽。工作原理如图1所示，射孔枪通过油管传输下入目的层后，将由自然伽马和磁定位仪与定方位仪组成的系统从油管中下在射孔枪的顶部

6、，首先启动自然伽马和磁定位仪，测量地层的自然伽马和油管接箍信号，以便准确地确定射孔深度；然后，通过定向键槽将系统与射孔枪连在一起，启动定方位仪，仪器中水平安装的一只重力加速度传感器感受仪器的倾斜度，将信号经电压频率转换后，以脉冲形式传输到地面，经计算机系统加工处理后，实时得到射孔枪的相对方位。若枪弹方位未对准射孔设计所要求的方位，则通过旋转油管来调整。因此，定方位射孔仪从原理上讲分为深度定位和方位定位。 1定方位射孔井下仪器示意图1深度定位原理确定射孔枪下入深度的主要依据是通过自然伽马和磁定位仪测井，将测量结果与裸眼井测得的自然伽马曲线对比，确定射孔层位和深度。由于自然伽马和磁定位仪是成熟产品

7、，在此就不再赘述。2方位定向原理射孔方位的确定实际上是通过测量井斜角和相对方位角而完成的。石英挠性伺服加速度计输入轴水平安装在定方位仪的底部，当仪器垂直向下时，重力加速度计输出值为零；当输入轴垂直向下(即仪器水平放置)时，重力加速度计输出正值或负值(或绝对值)最大。如图2所示，当仪器沿输入轴方向倾斜时，倾角与重力加速度计输出值的关系为sinGyg 图2定方位原理图如果井斜角不变仪器沿井轴旋转，仪器X轴与井斜方向的夹角(即相对方位角)的关系为cos.sinGyg式中井斜角；GyY轴重力加速度计输出值；g重力加速度值；相对方位角。由于在仪器深度定位后最多旋转180°，就能得到最大Y轴加速

8、度输出值，因此，就可获得井斜角，此后，继续旋转仪器，则可得到X轴的相对方位角。在实际定方位过程中，只要仪器输出值Gy为零，则X轴相对方位角为0°或180°，即仪器必然对准井斜方向，换言之，即可点火射孔。值得注意的是，上述定方位原理要求射孔枪的排弹方向相对于仪器X轴的夹角应预先调整到等于所需射孔方位(如垂直于裂缝方位或最小水平地应力方位)与井斜方位的夹角，与此配套的定方位射孔枪已通过定方向的键槽的旋转定位予以保证。同时，由于射孔枪的排弹相位角为180°，因此，只要仪器的X轴对准井斜方向，无论是正或负方向均可，仪器输出值为零，即可点火射孔。我们称这种方法为“过零射孔法

9、”，其特点是可以减小由于重力加速度计在高角度时对角度不敏感引起的测量误差，而且，只需要一只重力加速度计就可以精确地完成方位定向过程。地面计算机信号接收系统井下仪器探测的各种信号均被转变为脉冲信号传输到地面。与模拟信号相比，脉冲信号可以减小电缆长距离传输的干扰。地面上接收这些脉冲信号的硬件有微型信号处理器、电源及袖珍式486计算机；此外，还包括在地面探测两种深度信号的硬件，即光电深度编码器和电缆深度磁记号接收器。这些硬件不仅完全满足井下和地面信号的接收要求，而且具有体积小、重量轻(一个人可以携带)的特点。工作原理如图3所示。计算机RS232接口中MODEM共4个信号接收通道，在两次测量(自然伽马

10、测量和定方位射孔测量)中产生的5种信号即GR(自然伽马)、TCL(磁接箍)、GA(加速度)、DEP0(深度0)、DEP1(深度1)、WM(电缆记号)分两次先后经MODEM的RI(振铃指示)、DCD(载波检测)、CTS(清除发送)和DSR(设备就绪)送入计算机进行采集、处理、存储、显示和输出。 图3定方位射孔原理图1井下信号的接收（1）GR与TCL信号井下传输到地面的GR和TCL信号为03 000 Hz的信号，前者为随机正脉冲，脉冲宽度约120 s，后者为连续负脉冲，频率为2 000 Hz(见图4)。经调理器把正、负脉冲两路信号分离并整形后，GR信号作为一道信号送到计算机串口MODEM的RI道，

11、TCL信号与后述的电缆记号信号合并为一道信号送到MODEM的DCD道，由采集程序进行中断处理和时间积分。 4GR与TCL信号示意图（2）GA信号井下传输到地面的GA信号为频率503 950 Hz，脉冲宽度约120 s。由于定方位测量是在自然伽马测量之后进行，因此，GA信号由调理器整形后送到MODEM的RI道，由采集程序进行中断处理和实时计数积分。2地面深度信号的产生与接收为了确保定方位仪的下入深度准确无误，测量过程中，在地面设计记录了两种深度信号，分别为光电深度(DEP)信号和电缆深度磁记号(WM)信号。（1）DEP信号电缆上下移动时，带动井口地滑轮旋转，地滑轮与光电编码器相连，电缆每走1 m

12、产生与速度成正比的、相位差90°的A、B两相脉冲信号1000 Hz，如图5所示。上提仪器时，DEP0超前于DEP1；下放仪器时，DEP0落后于DEP1。深度编码相差90°的两路脉冲信号DEP0和DEP1经调理器整形后分别送到MODEM的CTS道和DSR道，供采集程序正反转计数。由于每路深度信号的上升沿和下降沿分别产生两次中断，每米将有4 000个计数点，深度分辨率为0.25mm。 5光电深度脉冲信号图（2）WM信号为了防止滑轮打滑和光电编码器的累积误差，利用电缆上每隔25m做的磁记号，可以对比和校正光电编码深度系统。WM信号经放大处理送入信号调理器整形后，与TCL信号合并一

13、起送到MODEM的DED。由于TCL信号与WM信号脉冲宽度相差很大(见图6)，前者一般为0.5ms，后者最小为55 ms，因此，可以通过计算机程序识别脉冲宽度而分别获得WM信号和TCL信号。 6TCL与WM信号比较地面计算机软件系统1数据采集汇编软件计算机通用接口RS232通常是用于串行异步通讯，其MODEM的四道状态线RI(振铃指示)、DCD(载波检测)、CTS(清除发送)和DSR(设备就绪)往往可以用于并行输入，并支持状态变化中断。由于定方位射孔过程中的5种信号都是随机脉冲信号，完全可以由一个标准计算机串行接口所接收。在信号接收过程中，当每种信号的状态发生变化(由高电平变为低电平或由低电平

14、变为高电平)都会引起一次中断，而且信号的当前状态和状态变化都会保存到端口地址3FEH(2FEH)中，可由程序判断每种信号的有无。由于信号的随机性和频率较高，采集程序必须有很高的执行速度，因此，用汇编语言编写，中断方式执行。采集程序总字节只有135个字节，48625 CPU可获得5000 Hz的采样速度，完全满足测量的需要。采集程序主要功能有：(1)初始化串口各寄存器，允许MODEM状态变化中断，允许中断申请；(2)接管报时中断1CH，接管串口中断0CH，并驻留内存；(3)时间中断服务程序。时间中断以每秒钟18.2次的速率引发中断，每中断一次，时间计数器内容减1，如果其内容未减到0，则中断返回，

15、否则，重新装入时间常数(12 h)，并以GR计数器内容输出GR积分值和输出TCL积分值或GA频率值。(4)串口MODEM状态变化中断服务程序读取MODEM状态口地址3FEH(2FEH)，各位定义如下：D0：DEP0状态变化D1：DEP1状态变化D2：GR状态变化D3：WMTCL状态变化D4：DEP0当前状态D5：DEP1当前状态D6：GR当前状态D7：WMTCL当前状态计算深度：如D0为1时，D4和D5相同，则深度计数器加1，否则减1。计算GR：如D2为1，则GR计数器加1。计算TCL：如D3为1，且D7为1，则TCL计数器加1。计算WM：如D3为1，且D7为1，则保存日时间；如D3为1，且D

16、7为0，日时间差1，则WM置1，否则复0。计算GA频率：由于测量方位时，GA信号从RI进入，因此，如果D2为1，则GA计数器加1。2定方位射孔测量软件汇编采集程序驻留内存，负责分离TCL和WM，对GR和GA数字积分，计算电缆深度，采集和计算结果保存到特定内存中，由定方位高级测量程序读取和进一步处理。定方位射孔过程实质上分两步完成，首先是自然伽马测井确定射孔枪的深度，然后再确定射孔枪的方位，因此，相应的测量软件由两个系统组成，即自然伽马测量系统和定方位测量系统(如图7所示)。 图7自然伽马与定方位测量系统（1）自然伽马测量系统.检测自然伽马模块：直接显示采集子程序所采集的4道串口数据，以及时间中

17、断情况和数据积分情况，目的是检查采集程序和仪器的工作状态。.测量自然伽马模块：根据输入的测井初始深度，深度采样步长和测井曲线格式，按格式文件的要求进行曲线采样，实时显示测井曲线，并自动存盘。.平滑自然伽马曲线模块：根据地区地层需要滤去GR曲线的平台和消除放射性随机涨落误差。.回放自然伽马曲线模块：进行GR曲线回放以及各种处理和打印输出。（2）定方位测量系统.仪器检测模块：直接显示采集子程序所采集的重力加速度频率值和时间中断情况，以便了解井下仪器和采集程序工作是否正常。.刻度方位模块：刻度井下仪器的倾角与重力加速度计频率之间的关系。.测量方位模块：实时采集重力加速度值，实时计算仪器方位值，实时显

18、示时间、重力加速度、方位曲线，自动存储各测井曲线值，实时提供射孔方位。.回放方位曲线模块：方位曲线回放以及各种处理和打印输出。结束语图8、图9是在川中WEN102井所测的部分自然伽马和方位的仪器实验曲线，GR曲线积分时间为1 s。目的层段的斜角为53°，方位曲线为地面旋转油管时井下2 325 m仪器的旋转情况。由于井下油管旋转滞后于地面，所以方位曲线纵坐标为计算机系统时间，便于地面旋转油管定位作参考。图9中方位为0的平直段为仪器Y轴对准井斜的方位。定方位射孔技术研究是原中国石油天燃气总公司开发局委托四川石油管理局测井公司和西南石油学院完井技术中心共同承担的油田开发导向技术项目。1997年底通过总公司验收鉴定，并获得很高评价。在裂缝方位测井技术和井底应力方位测井技