1、中 北 大 学硕 士 学 位 论 文石油井下压力测试系统及其动态不确定度研究图书分类号 TH69;TH701 密级 非 密 UDC 注 1 620 硕 士 学 位 论 文石油井下压力测试系统及其动态不确定度研究指导教师（姓名、职称） 马铁华 教授 申请学位级别 工学硕士 专业名称 测试计量技术及仪器 论文提交日期 2011 年 5 月 25 日论文答辩日期 2011 年 5 月 28 日学位授予日期 2011 年 7 月 1 日论文评阅人_ 答辩委员会主席_2011 年 5 月 25 日注 1：注明国际十进分类法 UDC的分类原 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的
2、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承担。论文作者签名： 日期： 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：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后遵守此规定） 。签 名： 日期： 导
3、师签名： 日期： 中北大学学位论文石油井下压力测试系统及其动态不确定度研究摘 要射孔、压裂是石油勘探与开发过程中的一项关键技术，射孔、压裂瞬间动态压力参数为评价射孔施工效果，深化射孔、压裂工艺机理研究，新的射孔、压裂产品研发等提供理论依据。为了测取射孔、压裂过程中动态压力信号，研制了一种适用于石油井下恶劣环境中的动态压力测试仪（Pt 仪） ，并在多次射孔、压裂施工过程中成功捕获动态压力信号。为了明确测试结果质量，在现有不确定度理论的基础上，基于误差源进行动态不确定度评定原理的研究，并对井下压力测试系统引起的动态不确定度进行评定，定量说明测试结果质量。本文主要阐述了以下四个方面的问题:首先，分析
4、上代产品测试故障原因，结合被测信号特点，明确了系统测试要求，给出了系统总体设计方案和部分硬件电路，并对测试系统的关键技术，如变频采样策略触发点判断、测试系统振动与冲击的隔离等进行了详细分析。其次，测试系统动态响应特性的研究，利用激波管作为激励源对传感器动态特性进行标定，明确了传感器的工作频带，在此基础上，用落锤对测试系统的灵敏度进行了准静态校准，并对实测数据进行分析。再次，基于误差源进行了动态不确定度评定原理的研究，在 GUM 不确定度评定原理的基础上，结合测试系统动态测量误差的特点，研究了动态不确定度来源及特点，并给出了动态不确定度评定方法。最后，依据动态不确定度评定方法，建立井下压力测试系
5、统的数学模型，并对各不确定度分量进行评定，给出了 Pt 仪的扩展标准不确定度。关键词：射孔、压裂压力测试仪，系统动态特性，动态校准，动态不确定度中北大学学位论文Research on Testing System of Oil Down-Hole Pressure and Dynamic UncertaintyABSTRACTPerforation and fracture is a key technology in the process of oil exploration and development, perforation and fracture instantaneous d
6、ynamic pressure parameters provide a theoretical basis for evaluating of perforating and fracturing effecting, deepen the mechanism of perforation and fracture process and new perforation product development. In order to test the dynamic pressure signal when perforation and fracture, developed a dyn
7、amic pressure tester (Pt tester) for harsh environment of the oil down-hole, and capture the dynamic pressure signal successfully in perforation and fracture many times. To clear the quality of test results, based on the existing theory of uncertainty, research on the dynamic uncertainty principle o
8、f assessment based on error sources, evaluate dynamic uncertainty caused by pressure testing system, quantitative descript the quality of test results.This article focuses on the following four aspects:Firstly, analysis reasons of the previous generation product test failure, with the measured signa
9、l characteristics, clear the system testing requirements, gives the overall system design and some of the hardware circuit, analyze in detail the key technologies of test system, such as conversion sampling strategy to determine the trigger point, isolating vibration and shock of test system.Secondl
10、y, study on dynamic response characteristics the test system, calibrate dynamic characteristics of the sensor using shock tube as the excitation source, clear the frequency band of the sensor, and basis on this, do quasi-static calibration to the sensitivity of the system with a drop hammer, analyze
11、 the measured data.Thirdly, research on the dynamic uncertainty principle of assessment based on error sources, on the basis of GUM uncertainty principle, with the characteristics of test system dynamic measurement errors, study the sources and characteristics of dynamic uncertainty, give a assessme
12、nt method to dynamic uncertainty.中北大学学位论文Finally, according to uncertainty evaluation methods, set up a mathematical model for underground pressure testing system, and evaluate component of dynamic uncertainty, give expansion standard uncertainty of testing system.Keywords: Perforation and fracture
13、pressure tester, System dynamic characteristics, Dynamic calibration, Dynamic Uncertainty中北大学学位论文I目 录第一章 绪论 .11.1 研究背景、目的和意义 .11.2 井下动态测试国内外研究概况 .31.2.1 国外研究状况 .31.2.2 国内研究状况 .41.3 测量不确定度理论发展现状 .61.4 本课题完成的工作及研究内容 .7第二章 石油井下压力测试系统的研究 .82.1 被测对象及测试要求分析 .82.1.1 射孔技术及被测环境分析 .82.1.2 井下压力测试系统故障分析 .92.1.3
14、 测试系统需要满足的测试要求 .102.2 井下压力测试仪的设计 .102.2.1 测试系统的总体设计 .102.2.2 系统工作状态分析 .112.3 测试系统电路设计 .122.3.1 机械壳体设计 .122.3.2 传感器选型 .132.3.3 模拟放大电路 .142.3.4 数字电路设计 .152.4 测试系统关键技术分析 .162.4.1 采样策略及触发技术分析 .162.4.2 电池抗冲击性能分析 .192.4.3 定期校准研究及其实现原理 .202.4.4 测试系统振动和冲击的隔离 .21中北大学学位论文II2.5 总结 .23第三章 测试系统动态特性及实测数据分析 .243.1
15、 传感器动态特性研究 .243.1.1 激波管动态校准原理分析 .243.1.2 传感器动态校准及实验数据分析 .253.2 测试系统灵敏度校准 .283.2.1 落锤准静态校准原理 .283.2.2 标准测压系统的静态标定 .313.2.3 标准测压系统的动态校准 .313.2.4 系统灵敏度标定 34.333.3 油田射孔作业实测数据分析 .34第四章 动态不确定度研究 .374.1 测量不确定度的定义与来源 .374.1.1 测量不确定的定义 .374.1.2 测量不确定度的来源 .374.2 测量不确定度基本评定方法 .384.2.1 测量不确定度的 A 类评定 .384.2.2 测量
16、不确定度的 B 类评定 .394.2.3 合成标准不确定度 .414.2.4 扩展不确定度评定 .414.3 动态不确定度研究 .424.3.1 动态测量原理及基本特征 .424.3.2 测试系统的动态特性 .424.3.3 动态测量误差 .454.3.4 动态测量不确定度来源及特点 .464.3.5 动态测量不确定度评定 .464.4 总结 .47中北大学学位论文III第五章 PT 仪动态不确定度研究 .485.1 不确定度评定步骤 .485.2 系统数学模型建立及不确定度来源分析 .485.3 井下压力测试系统不确定度分量分析 .495.3.1 灵敏度标定引起的不确定度分量 .495.3.
17、2 温度漂移修正不准引起的不确定度分量 .525.3.3 加速度效应修正不准引起的不确定度分量 .565.3.4 测试系统动态特性引起的不确定度分量 .585.4 井下压力测试系统合成标准不确定度 .585.5 井下压力测试系统扩展标准不确定度 .58第六章 总 结 .596.1 全文总结 .596.2 本文的创新点和工作中的不足 .596.3 应用前景 .60参考文献 .61攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研工作 .64致 谢 .65中北大学学位论文1第一章 绪论1.1 研究背景、目的和意义射孔、压裂是石油勘探与开发过程中打开产层阶段的一项关键技术，用射孔、压裂技术高质量打开油气层对于正
18、确评价探井的生产价值、油田油气真实储量的确定、建井周期的缩短、实现最大采油、长期有效利用油井、提高采收率等方面具有决定性的意义 1。射孔 就是依据开采方案，将射孔器下到井中油气储层部位，在套管、水泥环和地层中打开一些通道，以高效地采出或注入气体或流体，这种施工过程就是射孔；压裂是在已经射出孔来的井筒中利用水力或火药燃烧形成的高压力通过井筒上的孔把井筒周围的岩石地层压裂，以便于从孔中流出石油来。射孔、压裂的目的是沟通井眼和储层之间的流体通道，确保油气井获得应有的产能。对一口井来说，射孔、压裂工艺直接影响着其产能，合理的射孔、压裂工艺，可以最大程度地减少钻井对储层的损害，使油气井达到甚至超过理想无
19、污染裸眼井的产能 2,3。据相关资料介绍，90以上油气生产井和注入井利用射孔、压裂方式完井，因此，对射孔、压裂完井的研究是很有必要的。新世纪中国石油工业面临：新油气田产层地质构造复杂化导致勘探开发难度加大、环境更为恶劣和复杂的海上油田开采、高含水油田开采等诸多问题和挑战，射孔、压裂作为石油完井的主要手段，射孔、压裂技术是否能够满足要求，已成为人们十分关切的问题。为了更进一步提高油田开发的经济效益，提高石油采收率，有必要研究新的射孔、压裂工艺，并且对射孔、压裂作业带来的风险技术进行研究，利用现有资源获取最大的经济效益 4。由于井下工作环境恶劣，射孔、压裂作业过程比较复杂，同时对于射孔、压裂方面的许多知识往往停留在试验阶段，不能形成系统的理论基础，这就要求对射孔、压裂时的动态作用过程进行科学的测量，即对枪内和套管中快变的动态压力时间信号进行测试，并对测试数据进行数值分析和处理，研究出射孔弹爆炸冲击波以及爆轰产物对不同火炸药配方及装药结构的爆炸燃烧规律和 Pt 变化规律 5。为开发适用不同井下环境的射孔、压裂产品，保证油气井的长期稳能，达到油气田的
