小直径石英压力计的设计与应用

　　1　引言

　　抽油井偏心井口环空测试工艺是油田动态监测领域压力测量的新技术,它是通过钢丝或电缆,将小直径仪器经由可转动的偏心抽油井井口,从抽油井的油管和套管环形空间进行压力测量的工艺,具有不停抽、不动管柱的特点。[1]现场环空压力测量通常使用的是机械式压力计,由于这种测压工具内的传感器一般采用波登管或弹簧管做压力敏感元件,精度和分辨率都很低,测量记录时间受时钟限制,现场采用钢丝起下操作,易缠卡很难精确取得井底压力资料。显然,这种测试已不能满足油田生产动态监测的需要。在压力计设计中主要考虑了组装式石英谐振传感器的结构特点以及油田现场使用中的温度环境,在压力计中进行温度补偿,使压力计的测压精度达到0·05%。

　　2　压力计的组成及性能

　　压力计组成如图1所示。为了减少分离元件带来的不稳定因素,谐振电路、混频电路、整形电路、调制路和供电电路均采用陶瓷基板特制集成块,耐温120℃,使得电路组装调试工作简单方便。

　　压力计的性能指标:外形尺寸为Φ23×800 mm;压力量程为35 MPa;测压精度为0·05%;灵敏度为0·001 MPa/Hz;温度量程为100℃;测温精度为0·3%;温度灵敏度为0·01℃/Hz.

　　3　压力计的设计

　　压力计设计的核心是组装式石英谐振传感器,其结构设计受国家专利[2]保护,它利用了石英晶体谐振器的“力频效应”,即外部压力的变化改变石英谐振器的谐振频率。由于油田井下压力与地层温度密切相关,在使用中它直接接触测量媒介并测量压力温度,传感器的输出频率信号中同时包含压力和温度的变化。而在测量媒介的压力时,被测媒介的温度变化将直接影响压力传感器的输出变化,这种变化由石英晶体自身固有的温频特性所致,与石英晶体自身的切型和切角有关[3];另外,该传感器的敏感元件封装在特殊的金属结构内,在装配、焊接过程中受到的应力影响,在设计压力计时考虑了对其进行温度补偿的结构设计,并在压力计中增加测温模块。

　　温度补偿传感器在结构设计和工作原理上与压力传感器相同,只是在使用中它只感受到被测媒介的温度变化,在温度补偿传感器的输出频率信号中仅包含温度信号。在混频电路里,压力传感器和温度补偿传感器输出的信号比较,消除其相同的温度信号部分,得到是纯净的压力信号。另外,通过这种频率比较还可以降低压力计输出信号的频率,有效的防止高频信号在传递过程中的驻波损耗和畸变。整形电路对信号进行施密特整形后成方波,再经放大、调制完成压力信号的处理。组装式石英谐振传感器的温度补偿问题在理论上通过结构设计已基本解决,但这种