《同心集成式高温高压细分注水及测试技术研究》研究报告要点

前言随着同心集成式细分注水管柱以及相配套的测试技术的日趋完善，该细分注水工艺技术的应用规模在不断扩大。

但是，由于与该细分注水工艺相配套的测试仪器（流量计、验封测压仪、同位素γ仪）不能满足耐高温（150℃）高压（80MPa）的要求，因此制约了该细分注水工艺技术在外油田的应用，为满足该细分注水工艺技术在外油田的应用，提出了同心集成式高温高压细分注水测试技术的研究。

通过近2年的技术攻关和现场试验，完成了12支流量计、6支验封测压仪和4支同位素γ仪的设计、加工、组装、调试及标定等工作，填补了同心集成式高温高压细分注水配套测试技术方面的空白。

并在外油田完成了流量测调11井次，验封测压、同位素吸水剖面5井次的测试任务。

在高温高压仪器的研制方面积累了丰富的经验，为今后相关仪器的开发打下了坚实基础。

一、总体方案设计该项目所要解决的主要问题是仪器在高温高压环境下，准确测量，工作稳定可靠的问题，因此，在原有仪器开发工作的基础上，针对高温高压这一特殊要求，重新设计仪器的机械结构和电路，具体方案如下：1、重新设计机械结构，解决高温高压环境下仪器密封问题。

具体措施如下：①需要拆卸部件之间的密封采用双道“O”型氟胶圈加聚四氟挡圈的静密封方式。

便于仪器检修及电池的更换。

②不需要拆卸部件之间的密封，如传感器与过渡接头间的密封采用电子束焊接，降低密封故障率。

保证连接强度及工作可靠性。

2、传感器包括压力传感器、差动式位移传感器、自然γ探测系统，根据仪器的具体指标，提出传感器的设计要求和技术指标，与传感器生产厂家共同研制相应传感器。

3、电路设计，在已有电路基础上，选用高温元器件及电池，重新设计电路，主要元件有仪表放大器、A/D转换器、单片机、电源芯片、数据存贮器、数字时钟芯片及串口通讯芯片。

二、仪器结构和工作原理（一）验封测压仪验封仪由Φ５５mm和Φ５２mm两种测试仪器组成。

它们的电路主体和机械结构相同，只是测试密封段的外径尺寸有所不同。

1、验封测压仪的机械结构及测试原理如图一所示，验封测压仪由（１）打捞头、（２）电路主体、（３）锁紧环、（４）注液孔、（５）传压孔１、（６）传压孔２、（７）测试密封段、（８）定位接头八个部分组成。

其中注液孔在测压时关闭，验封时打开。

图一验封测压仪结构示意图验封测压仪用做测压时，关闭注液孔、仪器下井后坐在相应的配水器工作筒内，测试密封段上的Ｔ型橡胶密封件将二个注水层分隔开，仪器内的二个压力传感器分别检测二个被封隔器封隔的地层的压力。

测试仪器按预先设置好的时间间隔记录两个地层的压力值，测试完毕后将仪器打捞出来，通过数据采集处理系统软件将保存在仪器中的代表压力值的数据回放出来，经运算得到地层的压力数值（压降曲线）。

将Φ５５mm和Φ５２mm两支仪器组合下井，可以同时测得四个层段的分层压力。

验封时，仪器的注液孔处于打开状态，注液孔通过内部孔道与传压孔２连通，这样传压孔２所对应的层段成为激动注入层。

仪器下井后坐在相应的配水器工作筒内，测试密封段的Ｔ型橡胶密封件将二个注水层分隔开，于是地面注入水量的一部分通过注液孔经传压孔２进入对应的地层，从而使第二层作为激动注入层，若第二级封隔器不密封，则第一层和第二层的压力值一致或趋势相同，若第三级封隔器不密封则第一层和第二层的压力值一致或趋势相同，这样即可判断第二、三级封隔器的密封情况。

保护封隔器可以通过井口套压值来判断是否密封。

将Φ５５mm和Φ５２mm两支仪器组合下井，可以实现四级封隔器的验封。

2、验封测压仪的电路结构及工作原理验封测压仪的电路由压力传感器、仪表放大器、Ａ／Ｄ转换器、单片机、数字温度传感器、时钟发生器、数据存储器和接口电路及电源模块等九部分组成。

仪表放大器将压力传感器输出的mV级电压信号放大至Ｖ级信号，Ａ／Ｄ转换器把模拟信号转换成数字信号，数字温度传感器用于检测环境温度，时钟发生器负责产生采样中断信号，数据存储器记录并保存代表压力值和温度值大小数据，接口电路完成仪器与上位机的通讯，电源模块给仪表放大器和Ａ／Ｄ转换器提供稳定的直流电源，单片机是井下电路的核心，它负责数据的转换、采集、存储、以及和上位机的通讯等工作。

每支验封测压仪装有二支压力传感器，分别检测二个层的压力。

压力传感器输出与压力成一定对应关系的mV级电压信号。

仪器下井前，需要用地面数据处理软件通过计算机对仪器进行采样设置，将预先编制好的采样参数保存到仪器的数据存储器中，仪器上电后开始正常工作，并按设置好的采样间隔进行采样。

仪器上电工作后，数字时钟将按照保存在数据存储器内的采样设置参数，定时产生中断信号，启动单片机工作，使电路系统处于工作状态，两个仪表放大器同时将两支压力传感器输出的mV级电压信号放大至Ｖ级信号，通过滤波，传送至两个Ａ／Ｄ转换器，在单片机的控制下，Ａ／Ｄ转换器将代表压力大小的模拟量转换成数字量，同时，数字温度传感器输出代表环境温度值的数字量，单片机将三组数字按一定顺序保存在数据存储器中，这时一次采样结束，在单片机的控制下，电源模块关闭输出，除时钟电路工作外，其他各部分全部停止工作，仪器进入低功耗状态。

下一个采样中断到来时，仪器重新工作，重复上述过程，直至设置的采样点数工作完，仪器电路进入休眠状态。

仪器工作完毕后，通过计算机回放数据。

3、地面数据处理软件该数据处理软件采用ＶＢ５．０编制，交互式操作方式，中文操作界面简洁、直观，可操作性强。

该软件包括采样参数设置、压力标定、数据回放、数据处理、曲线显示、成果输出等功能。

（二）流量计同心集成式细分注水工艺流量测试系统由三部分组成：测试堵塞器、小直径电子流量计和地面数据处理系统。

1、测试堵塞器的结构及工作原理测试堵塞器的结构见图二。

1、打捞帽2、仪器仓3、进液窗4、注水孔15、测试密封段6、注水孔27、注水孔8、定位短节图二流量测试堵塞器结构示意图其下端外型尺寸和注水堵塞器一致，有Φ５５mm和Φ５２mm两种规格。

测试堵塞器配水体上设计有注水孔，依靠配水体上的Ｔ型橡胶密封件，使每个注水孔与注水层段相对应。

内部结构设计为每个流道对应一个注水孔，并与测试堵塞器上端仪器仓相通，流道内可以安装不同直径的水嘴。

仪器仓用来安装小直径电子流量计，一支小直径电子流量计对应测试堵塞器一个流道，仪器仓上端、侧壁及测试堵塞器的内部设有进液孔和流道。

这样当测试堵塞器坐入井下配水器中心管内时，注入地层的水都要经过进液孔、小直径电子流量计、水嘴，再通过不同的流道进入相应的地层。

通过改变水嘴直径，来控制各层注水量。

现场测调时根据井下管柱配水器的规格，下入相应的测试堵塞器。

2、小直径电子流量计的结构及工作原理小直径电子流量计的基本结构（见图三），主要由三大部分组成：井下电路部分（数据采集、存储等）、传感器部分（位移传感器）、机械测量部分（包括弹簧、连杆、浮子、锥管、进液孔等）。

其测量原理与１０６型浮子式流量计基本相同，不同方面在于测量数据采用电子方式记录和读取。

1、电池仓2、电路主体3、位移传感器4、机械测量部分5、进液管6、锥管图三流量计结构示意图流量计电路原理图，见下图。

流量计工作原理：其基本工作原理为注入地层的液体从进液管进入流量计，通过流量计锥管时，冲击锥管里的浮子，使浮子移动，同时拉伸吊装弹簧。

当流体对浮子的向下作用力与吊装弹簧对浮子的向上反作用力平衡时，浮子相对稳定于某一位置，利用高精度位移传感器检测该位移量，并转换为电信号，在控制线路中微处理器控制下，将该信号经A/D 转换为数字量并存储在数据存储器内。

由于浮子的位移量与所通过的流量存在以下关系：)2/21(5.1R htg Ah q β+=式中：22βπαtg K A =q —通过锥管的流量，m 3/s ； h —位移量，cm ；R —浮子半径，cm ；α—流量系数；K —弹簧应变系数，㎏/cm ；ß—锥管的锥度；通过计算机应用地面数据处理软件回放存储在流量计内的数据，并根据流量标定结果按一定的计算方法将其转换为相应流量。

3、面数据处理软件该数据处理软件采用ＶＢ５．０编制，交互式操作方式，中文操作界面简洁、直观，可操作性强。

该软件包括采样参数设置、流量标定、数据回放、数据处理、曲线显示、成果输出等功能。

（三）、同位素γ仪1、测试原理放射性同位素示踪法测注水井分层吸水量的工作原理，是使用一次下井同位素释放器携带固相载体的放射性同位素离子，在规定深度上释放，用井内注水形成活化悬浮液，吸水层同时也吸收活化悬浮液。

但载体颗粒直径大于地层孔隙直径时，悬浮液中的注入水进入地层，微球载体滤积在井壁上；地层的吸水量和滤积在该段地层对应井壁上的同位素载体量和载体的放射性强度三者之间成正比例关系。

通过对比同位素载体在地层滤积前、后所测得的伽马测井曲线，计算对应射孔层位上曲线叠合异常面积的大小，反映了该层的吸水能力，采用面积法解释各层的相对吸水量，从而可确定注入井的分层吸水剖面。

2、同位素γ仪的机械结构考虑到同心集成式细分注水工艺的Φ５５mm和Φ５２mm配水堵塞器的最小偏心测试通道是Φ26.5mm，为保证测试仪器能够顺利通过，因此，在设计同位素γ仪时，考虑仪器强度、电路尺寸以及探测系统的尺寸，确定同位素γ仪外径是Φ2４mm。

测试仪器由电缆头、磁性定位器、电路主体、探测系统、释放器及加重杆组成。

3、同位素γ仪电路原理同位素γ仪电路由射随器、比较器、整形电路、驱动器、高压电源等部分组成。

见电路原理示意图。

同位素吸水剖面γ仪电路原理示意图探头输出部分为光电倍增管，其输出阻抗较高，因此，在探头和比较器之间设置了跟随器起阻抗转换作用，从而提高了探头的使用效率。

比较器用于鉴别有用脉冲，抑制干扰信号。

整形电路使不规则随机脉冲变成宽度相等的脉冲，以提高传输性能。

驱动器能降低输出阻抗，以提高负载能力。

三、技术关键的解决和创新点技术关键：1、测试仪机械结构的设计，解决仪器在高温高压环境下密封问题，并保证仪器标定、维修方便。

2、耐高温、耐高压传感器的研制。

3、井下仪器电路的设计，高温电子元器件的选型及电池的选型。

4、解决仪器在高温环境下低功耗工作，确保仪器长时间工作。

（一）、验封测压仪的技术关键的解决和创新点1、使用了新研制的双路压力传感器，压力传感器通过两个导压芯和锁紧环与测试密封段主体密封连接，压力传感器的另一端可与电路托架和电路仓直接连接，并且仪器的电路仓体与压力传感器接头之间又采用电子束焊接。

这样使仪器的测试密封段和电路主体成为两个独立的部分，方便了压力计的标定、检定工作。

减少了仪器的密封环节，提高了仪器的密封能力，同时缩短了仪器的长度。

新旧结构见下图，通过对比可以看出原验封测压仪密封环节很多，仪器在高温高压环境下应用几次后，“O”型胶圈密封效果大大降低，更换胶圈时，需要将传感器引线从电路板上焊下后，才能更换胶圈。