一种微芯片示踪器录井方法研究

0 引 言

在石油勘探开发中,为了提高钻井效率和保障钻井安全,需要在钻井时不断检测井筒温度和压力等工程参数,当前主要使用随钻测量仪(MWD)实现这些参数的测量,也就是在靠近钻头附近的组合钻具中安装温度和压力传感器,测量钻头附近的地层温度和压力^[1]。随钻测量仪具有一定的局限性,主要体现在它测量到的是钻头附近的信息,而不是钻头实际所在位置的信息,因此测量结果有一定的滞后性,而且随着钻井深度增加,其对已钻地层不再重复测量,也就是测量的是井筒底部的信息,缺乏对全井筒信息的立体测量。

将微芯片技术引入石油工程领域,有助于提升钻井效率,降低钻井风险,弥补随钻测量技术的不足。微芯片技术融合了纳米传感器和微电子机械技术,实现电路系统的微型化、智能化和多功能化,带有微处理器的传感器以及带有微处理器的射频芯片等产品已经实现了商业化应用,一个微芯片已经具有信息检测、判断和自动处理功能。2007年,油藏纳米传感器的研究就受到了广泛关注,这是一种全新的地层及所含流体性质的探测工具,能够测量温度、压力、流体类型等参数,可用于辅助圈定油藏范围、绘制裂缝和断层图形、优化井位设计等。2010年,沙特阿美公司首次在油藏条件下成功地完成了油藏纳米机器人的现场测试^[2]。2012年,微芯片示踪器由美国塔尔萨大学研制成功,这是一种能够在井筒内部随钻井液流动并可以进行井下温度和压力检测的仪器^[3],主要用于钻井异常事故(异常高压、异常高温地层)监测、岩屑运移分析和井涌井漏地层识别等,并在沙特油田现场试验成功。此外,美国休斯敦大学和贝克休斯公司分别提出了利用无线射频单元和井下微存储器进行井下数据传输的研究^[4]。

2012年,中石化在国内率先开展了井筒微芯片示踪器研制^[5],并在现场测试中获得了成功。本文通过对传感器、数据通信和电池供电等关键技术开展攻关研究,优化微芯片示踪器工程样机的研制,同时对所研制的仪器进行室内实验和现场测试,最后对微芯片示踪器的应用目标和存在的问题进行探索性分析。

1 微芯片示踪器关键技术

微芯片示踪器关键技术包括微型传感器技术、无线射频技术和无线充电技术,这些技术涵盖了随钻测量和随钻传输等功能。

1.1 微型传感器

从检测目的来分主要有温度、压力、流场、声波和应力等传感器,而微型化是传感器今后发展的趋势^[6]。微型传感器最显著的特点是尺寸小、质量小,敏感元件尺寸大多在微米级以内,封装后的尺寸大多不超过毫米量级,而质量仅有几克或者几十克;微型传感器的另一特点是功耗低,所需的工作电压较低,即使通过电池供电也能够长时间工作。微型传感器可以利用MEMS工艺加工,与电路进行集成,制造出传感器芯片,这类芯片包含了信号调理电路、处理电路、结构电路等,形成传感器系统。

在钻井工程中温度和压力传感器应用较广^[7,8],根据传感器检测到的温度数据,可以实时分析钻井液流体特性和井壁稳定性的变化,而根据传感器检测到的压力数据,可以优化钻井液密度和循环当量密度、选择最佳的套管下入深度,从而提高钻井效率、降低钻井风险。这类传感器的种类较多,并且已经出现具有温度和压力一体化检测功能的传感器。

温度传感器是最早应用的一类传感器,主要包括热电偶、热敏电阻和光纤等温度传感器,而以铂作为电阻材料制作的传感器居多,这类传感器结构简单、测量精度高,并且具有很小的体积。现在的温度传感器已经能够和电路进行集成,制成传感器芯片,在许多处理器芯片里(例如MSP430)都带有温度传感器模块。图1给出了一个典型的数字温度传感器芯片内部结构,带有热敏元件、A/D转换器、逻辑控制、寄存器组和I2C接口,直接输出数字温度。

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图1   数字温度传感器内部结构

   

压力传感器的类型较多,主要有电容式、电阻式和光纤式等类型传感器,其基本原理是利用压力对薄膜造成的应力形变效应进行检测^[9]。现有压力传感器一般体积比较大,测量范围比较小。图2给出了压力传感器内部结构,利用惠斯通电桥设计的压力硬膜,粘合到一个经过化学处理的硅膜上,通过压力的变化造成电阻阻值的变化,从而使得输入电压有相应的改变,例如当硬膜的1、3点有一个固定的输入电压时,2、4点间的输出电压应该稳定,而当外界电压有所变化时,电阻的阻值也会发生相应的改变,从而导致输出电压的变化。通常情况下输出电压的变化与压力的变化呈线性关系,因此压力可以精确地计算出来。

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图2   压力传感器内部结构

   

1.2 无线射频

无线射频是通过天线向外辐射和接收外界电磁波信号,在发射时把高频电流转换为电磁波,接收时把电磁波转换为高频电流^[10],电磁波传播频率一般为极低频的10 kHz到超高频的300 GHz。无线射频电路主要包括天线、多路复用器、发射器、接收器、控制器、主机接口、存储器和时钟。多路复用器可以是双带通滤波器分离发射和接收通道,也可以是一个转换开关,连通发射器和天线或者连通接收器和天线,如图3所示。微型无线射频芯片尺寸只有5 mm×5 mm,收发器工作频率为2.4 GHz,休眠时的功耗小,电流只有几个微安。

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图3   无线射频模块

   

无线射频技术的另一应用是电子标签技术,其通过无线射频方式进行非接触双向数据通信,对目标进行识别并获取相关数据。电子标签主要硬件电路包括电子标签和读写器两部分:电子标签是射频识别的数据载体,由标签天线和标签专用芯片组成,无源标签在识别时从识别器发出的电磁场中得到能量;读写器是利用射频技术读取射频识别标签信息、或将信息写入标签设备,读写器读出的标签信息通过计算机及网络系统进行传输和管理。

1.3 无线充电

无线充电装置的发射端和接收端各有一个线圈,发射端通过发射线圈将电能转换为磁场,交变磁场穿过接收端线圈,根据法拉第电磁感应定律,在接收线圈中将产生电场,最后通过接收端输出电能给充电设备^[11]。锂电池无线充电过程如图4所示,主要包括两部分:第一部分是无线电能发射模块,适配器将交流电转化为直流电,并进行电压调整和稳压,电能通过发射器和天线发射出去;第二部分是无线电能接收模块,接收天线通过电池感应耦合接收电能,并经整流、滤波稳压后输出电压信号,给锂电池进行充电。在充电过程中,当接收线圈远离发射线圈时,磁感应强度变弱,供锂电池充电的电压不足。

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图4   无线充电框图

   

锂电池充电要求特定的充电电流和电压,从而保证电池安全,充电过程分为四个阶段,即涓流充电、恒流充电、恒压充电和充电结束,如图5所示。

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图5   锂电池充电电流与电压曲线

   

(1)涓流充电用来对完全放电的电池进行预充电;(2)当电池电压上升到涓流充电阈值以上时,提高充电电流进行恒流充电;(3)当电池电压达到标称电压时,开始恒压充电;(4)随着充电的持续充电电流由最大值慢慢减小,当减小到一定值时,可以认为充电结束。充电结束的一种判定方法是从恒压充电开始计时,持续充电一定时间后终止充电过程。

2 微芯片示踪器录井装置及实验

微芯片示踪器工作在恶劣的井筒环境内,并且随着钻井液循环移动,这就要求其具备尺寸小(至少能通过钻头的水眼)、密度低和耐高温高压等性能。因此,仪器的微型化设计和抗高温高压封装技术成为研究的重点,研制的微芯片示踪器直径7.5 mm,测量温度可达到100℃,测量压力可达到70 MPa。

2.1 微芯片示踪器的设计

微芯片示踪器是一种用于井下温度和压力检测的工具^[5],尺寸小、密度低,能够浮在钻井液里。在钻井液循环过程中,示踪器被投入钻井液里,随钻井液移动,经过钻头水眼进入环空,最后从井筒底部返回地面,在这一循环过程中示踪器连续采集到了井筒流体的压力和温度。

微芯片示踪器的设计采用了微型传感器技术、无线射频技术和无线充电技术,其结构如图6所示,依次平放着传感器模块、电路母板和电池。示踪器主要包含独立的传感器(温度、压力),以及一个高精度(16位)的模数转换器(ADC),模数转换器主要用来将传感器输出的模拟电压信号转化为数字信号。在示踪器中,时钟和计时器一直处于工作状态。当数据采集操作开始时,无线射频收发单元被关闭以减小功耗。根据数据采集的频率,微控制单元传感器在每个时间间隔唤醒一次进行工作,当数据存入内存中且下一时间间隔还未到来时,系统一直处于休眠状态,直到下一时间间隔到来将其唤醒。在数据采集过程中,示踪器电流减小到微安级别,因此示踪器能够利用微型电池坚持长时间工作。数据采集工作直到下面两种情况发生才会停止:(1)示踪器内存已满;(2)示踪器电池电量耗尽。在示踪器数据下载模式中,系统将被重新充电并且重启无线射频收发单元,内存中的数据通过射频发送给数据收发器,随后可通过端口从电脑中显示出来。

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图6   微芯片示踪器结构

   

利用抗高温抗高压保护材料包裹住传感器、电路板和电池^[12],给系统中的电子元件提供物理保护,并且将系统与钻井液隔离,可以防止井下高温高压对示踪器电路的影响及钻井液中的化学腐蚀和通过钻头水眼的巨大冲击力等破坏。为了保证能测到环空的温度和压力,温度传感器设置在靠近球体的边缘,这样外界的温度穿过保护材料能够很快导热到传感器;另外,在保护材料内有一针管,该针管短而细,一端连接到压力传感器的承压面上,另一端连通外部,从而形成导压孔,这样压力传感器可以感知到钻井液的压力。

2.2 微芯片示踪器的室内实验

开展了微芯片示踪器的室内实验,旨在评估模拟井下环境示踪器是否能够正常工作,实验室测试示踪器小球的测量精度,以及在高温高压环境下的可靠性和电池工作时间。利用高温高压养护釜模拟井筒内高温高压环境进行温度和压力实验,温度变化范围为20100℃,压力变化范围为070 MPa(10 150 psI),获得了示踪器测量的温度曲线和压力曲线。图7为示踪器高温测试结果与实时温度曲线的对比,示踪器测量温度曲线与温度计测量温度曲线几乎重合,即使在高温环境下,示踪器的测量值依然保持很高的精确度,测量精度在±1℃。图8为压力示踪器在高温高压下的测试结果,示踪器压力曲线与实际压力读数非常接近,温度的改变对压力测量结果不会造成任何影响,压力示踪器的测量精度偏差在1%以内。

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图7   示踪器温度曲线与实际温度曲线

   

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图8   示踪器压力曲线与实际压力曲线

   

2.3 现场试验

微芯片示踪器在现场用于5口井,这些试验井包含胜利油田的油井、四川和涪陵的页岩气井以及贵州的煤层气井,在这些井中成功测得了井筒的温度曲线。图9为某一试验井测得的温度曲线^[13],该试验井钻井深度2 440 m,井斜角67°,钻井液密度1.2 kg/L,钻井液排量26 L/s,钻头水眼直径28 mm,钻杆内径108.6 mm,钻杆外径127 mm。在该井中,微芯片示踪器记录了时长接近6 000 s的数据,数据记录完整,获得了整个井筒的温度分布曲线。由图9可知,温度曲线有A(1 200 s,60℃)和B(4 200 s,53℃)两个关键点,分别对应井底温度和钻井液出口温度,即该井的井底温度为60℃,钻井液出口温度为53℃。

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图9   示踪器在试验井中记录到的温度曲线

   

3 微芯片示踪器录井应用目标

微芯片示踪器录井主要应用目标:

(1)定位钻井过程中钻具刺漏和断裂。在钻井过程中,由于钻井液的腐蚀,以及钻具的长期弯曲和磨损,钻具会发生刺漏和断裂,而刺漏或断裂处会有异常的压力,因此示踪器所采集的全井筒压力数据可以检测并定位钻具刺漏及断裂的地点。

(2)定位漏失井段。研究表明,在有部分漏失的情况下,环空温度分布的数据可以用来定位漏失井段,通过示踪器所得到的全井筒精确的温度分布可以用来定位漏失层,从而有效地实施堵漏作业。

(3)井筒的循环钻井液当量密度ECD曲线测量。高温高压、窄安全密度窗口安全钻井是当前的重大技术难题,了解井下ECD分布对突破该技术难关有重要意义。通过示踪器的压力数据以及泵压数据可以获得精确的ECD分布,从而可以有效避免钻井中可能发生的井漏、井涌、井喷等事故。

4 微芯片示踪器录井存在问题及解决途径

微芯片示踪器在应用过程中需要解决井深定位的难题。示踪器记录了温度、压力和时间信息,但没有记录在井筒中的深度位置。一种解决方法是利用已知的参数(示踪器直径、密度,钻井液密度、流量和井眼大小等)来推算出每个采样时间间隔示踪器的位置,从而将示踪器的测量数据(温度、压力对应采样时间间隔)转换成更有实际意义的温度场、压力场的分布数据(温度、压力对应井深)。这种方法是一种估算的方法,在钻柱内计算比较精确,但在环空中计算结果往往不够精确。另一种方法是使用磁传感器来准确定位示踪器的位置,在示踪器里加有磁信号检测电路,在下钻杆的过程中,在每几段钻杆间套上磁条,当示踪器随钻井液流经磁条时就能捕捉到磁信号,根据磁条的位置可以推算示踪器在井下的位置。这种方法需要继续改进电路设计,缩小电路尺寸,降低示踪器功耗。

本文利用时间分配法对示踪器深度进行了定位,该方法的原理是:示踪器随钻井液的流动而运动,在环空段运动时,其运动速度与环空面积成反比,按照每个井段的环空面积及相应的井段长度对示踪器上返时间进行分配。根据示踪器在该井段内的上返移动距离,最终获取示踪器在该井段的深度位置,从而实现定位示踪器深度的目的。这种定位方法需要提取各井段的物理参数,包括内径、外径和高度,以及钻井液的排量。图10是对图9的示踪器记录的温度曲线进行的深度定位结果,采用时间分配法^[14]获得的不同深度段对应的井筒温度,在地面钻井液出口温度是53℃,在2 440 m深度附近钻井液温度是60℃,在500、1 000、1 500、2 000 m深度对应的温度分别是54、56、58、59℃。

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图10   示踪器深度定位后的温度曲线

   

5 结 论

(1)微芯片示踪器是一种新型的随钻测量平台,可以快速检测井筒温度场和压力场。示踪器的设计采用了微型传感器技术、无线射频技术和无线充电技术,实现了仪器的微型化和轻量化的设计。

(2)微芯片示踪器经过室内温度和压力测量实验,温度测量精度达到1℃,压力测量精度达到1% FS,可通过无线充电重复使用。

(3)微芯片示踪器录井过程中需要解决井深定位问题,利用已知的参数(示踪器直径、密度,钻井液密度、流量和井眼大小等)可以估算出每个采样时间间隔示踪器的位置,或者使用磁传感器来准确定位示踪器的位置。

(4)微芯片示踪器的应用受到钻井结构的限制,对于大斜度井和水平井段,或者裂缝和溶洞发育的地层,示踪器返回地面的可能性较小。但是对于直井、套管井以及井漏不是很严重的井况,示踪器的应用前景广阔。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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