1、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
2、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.1004-1338.202
3、3.02.015Accurate 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 para
4、meters 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 an
5、d 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 c
6、alibration 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.
7、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
8、,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
9、、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-m
10、ail：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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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”
16、，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