油氣井礫石填充實時監測技術研究?

馮旭東，賈惠芹，黃艷芝

（ 西安石油大學， 陜西西安 710065）

0 引言

在油氣井在開采過程中，出砂是不可避免的，大量或者連續出砂嚴重時會造成油管砂堵，設備損壞，縮短油井壽命，降低油井產能等后果[1-2]，為了保障油氣井生產的正常進行，提高產量，防砂、治砂成為油氣井生產過程中的普遍需求，國外油井防砂技術研究比較早，最初采用限產的辦法來防止油井出砂，直至上個世紀30年代開始采用機械防砂的方法：礫石填充法。目前國外油井防砂方面的技術主要是機械防砂，在國內機械防砂（礫石填充防砂）也是目前常用的防砂技術之一[3]。但在作業過程中，注液量及注砂量的多少在很大程度上依賴于經驗，目前還沒有一套直接的檢測技術能在作業過程中實時監測注液量及注砂量的多少，這也是多年來國內外的技術難題[4]。針對這一現狀，本文開展了基于超聲波傳感器的注砂量及注液量的實時監測技術研究，采用超聲波非接觸式的檢測方法[5-7]，設計了一種礫石填充實時監測室內模擬系統，系統可以通過改變泵的轉數及管道變徑來改變流體的速度，在室內實驗中使用水作為流體介質，并注入定量的粒徑不同的石英砂，由超聲波傳感器檢測砂粒撞擊管壁產生超聲信號，前置電路對信號進行濾波和放大后，再經小波濾噪處理后，采用基于LabVIEW的專用軟件進行分析和計算，得到管道內的含砂率，實現了礫石填充過程中含砂量及注液量的實時監測。實驗結果表明：該系統可以在室內有效地模擬油氣井礫石填充作業的情況，能有效感知流體中含砂信息的變化，驗證了測量方法的可行性，達到了研究的目的，同時也在現場進行了相關實驗并取得了一定的效果，為深入進行礫石填充實時監測技術的研究奠定基礎。

1 室內模擬系統的結構和組成

室內實驗系統主要由超聲波傳感器、電荷放大器與濾波放大電路、信號采集與處理系統、多普勒流量計、儲液罐、回收罐、電動攪拌器、單螺桿泵、電源控制箱及變頻器、管道（主管道和出砂檢測的分支管道）、閥門等組成?？傮w結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構示意圖

圖1所示實驗系統可通過控制閥的操作使流體循環流動，即儲液罐中的流體可以通過管路到回收罐，而回收罐的流體也可以通過管路回到儲油罐，這樣可以降低實驗成本。電動攪拌器主要使注入的砂與水混合均勻，進行實驗時，打開閥門K1、K5、K6（或K7），關閉K2、K4、K8閥門，單螺桿泵將儲液罐中的含砂流體泵到管道中，單螺桿泵的調速是由變速器實現，變速器調節供電頻率，從而實現泵的轉速可調，達到調節泵的排量的目的。在流量一定的情況下，通過增設變徑管道，調節流速，轉換流體的流動方向，管道變徑后為兩條管線，其管徑分別為25mm、12.5mm，閥門K6和K7用來切換出砂監測的管道。出砂監測傳感器輸出的信號經濾波放大再通過采集系統進入計算機，同時，多普勒流量測量管道內流體的流量也傳入計算機，計算機通過基于LabVIEW的測試軟件計算出流體的攜砂比?；厥找后w時，打開K2、K4閥門，關閉K1、K5、K8閥門，液體從回收罐中泵回儲液罐中；回收罐中有濾砂篩網可以將流體中的砂濾出，這樣既可以使液體回收再利用，同時也可以計算出實際砂與液體的比例，驗證流體攜砂比的算法。

2 系統的檢測方法與計算

（1）礫石填充注砂量及注液量的檢測方法

本文對于礫石填充注砂量及注夜量實時監測技術的研究，主要是通過超聲波傳感器采用非接觸式測量方式，對含砂量和總流量進行監測。超聲波傳感器包括含砂監測傳感器和超聲多普勒傳感器，其中多普勒傳感器用于監測注入水與注入砂的總流量，含砂檢測傳感器測量含砂量，整個系統的研究還涉及到了信號處理電路，濾波電路，采集軟件程序等內容。

（2）注砂量的計算模型

流體中攜帶的砂粒連續不斷地撞擊管壁從而引起壓電傳感器的振動而產生隨時間變化的電壓信號，信號的頻率在80～120 kHz之間，屬于超聲波的頻率范圍，可以認為該傳感器輸出的峰峰電壓值是與流體中砂粒的動能成比例的，又由于砂粒撞擊輸油管壁產生動能的大小與管道中流體的流量、流速，以及流體的橫截面積有關，由此建立了注砂信號與注砂量計算的理論模型。

設在觀測時間?T內有n個砂粒碰撞管壁，砂粒的總質量為Mt，n個砂粒的平均速度為V，則由砂粒的動能和傳感器的靈敏度C確定的輸出信號的功率為：

另根據帕色伐爾定理，出砂信號在ΔT內的平均功率為：

其中U表示傳感器出砂信號的電壓采樣值；Δt表示采樣間隔。

根據式（3）和（2）得在觀測時間?T內，流經管道的砂粒總質量為：

注：上式中各參數的單位為：

Mt.:kg(千克 )；A:m2（米的平方）；Q:m3/s（立方米/秒）；U:V（伏特）

實驗時，管道截面積A確定，流體的瞬時流量Q可以通過多普勒流量計測得，Δt由數采卡的采樣率確定，這樣就可以通過檢測到的傳感器的輸出電壓值來計算出砂量了，C的值可以通過實驗來標定。

3 系統的測試性能

（1）流體傳送動力性能

模擬系統選用型號為QGB100.2/.4-DCrJ的單螺桿泵作為流體傳送裝置，單螺桿泵是一種內嚙合密閉式容積泵。它可以輸送各種粘度的液體；可輸送含有磨損顆粒（砂粒）的液體。在輸送液體過程中，流量、壓力穩定，無脈沖。吸入高度大，輸送時噪聲小，無泄漏，輸液無溫升； 該泵配備的電動機型號為YB132S-4，電動機減速箱傳動比為1∶3.44，轉速為418轉/分，泵的輸出壓力為1.2MPa，在此條件下排量為4.72m3/h（清水測試），略低于現場注砂時的流速。

（2）管道流量測試性能

由于在計算注砂量和注液量時，需要用到管道內的流量，故在管道安裝了超聲波多普勒流量計,這是因為該流量計是非接觸式測量，不受管徑約束，易于安裝，超聲波多普勒流量測量的一個必要的條件是：被測流體介質應是含有一定數量能反射聲波的固體粒子或氣泡等介質。實驗的介質剛好是兩相流（水和砂粒），非常適合用超聲波多普勒進行測量[8-9]。超聲波多普勒總流量測量設備如圖2所示。并且對于含雜質的流體流量的測量精度較高，帶有數顯功能，精度為0.2，適應的環境溫度在-25℃～85℃。

圖2 超聲波多普勒流量測量設備

4 注砂信號處理技術

（1）注砂信號處理技術

由于含砂檢測傳感器輸出信號為電荷信號，因此含砂信號的預處理電路包括電荷放大器、濾波器、放大等電路。首先利用電荷放大器把電荷信號轉換成電壓信號，再對電壓信號完成濾波、放大、數據采集等處理。采集的數據信號輸送到計算機的信號處理與分析軟件實現數字濾波和信號處理功能。

信號處理與分析是由LabVIEW實現的，整個軟件分兩大部分來處理信號：一部分用于信號的測試、計算、顯示；另一部分用于數據的存儲、回放、顯示。開始實驗時，設定好程序中所需的各個參數，進入到測試軟件界面，測試界面如圖3所示，測試軟件對采集到的信號進行相關計算并顯示攜砂比，并且將每次計算的結果相加求出一段時間內的累積出砂量。顯示到界面上。

（2）噪聲去除技術

由于實驗中會產生很多噪聲：流體產生的噪聲，環境噪聲（泵的電機、變速器），還有傳感器和電路的熱噪聲等。所以噪聲的濾除是信號處理的關鍵技術。系統采用硬件濾波和軟件去噪的方法去除噪聲。硬件濾波是在電荷放大器后面設計一個帶通濾波器，其頻帶范圍為50 ～800 kHz，軟件去噪采用了小波閾值去噪方法[10]，效果明顯。處理過程是將含噪信號在各尺度上進行小波分解，保留大尺度低分辨率下的全部系數；對于各尺度高分辨率下的小波系數，設定一個閾值，幅值低于該閾值的小波系數置為0，高于該閾值的小波系數或者完整保留，或者做相應的“收縮”處理。最后將處理后獲得的小波系數利用逆小波變換進行重構，恢復出有效的信號。

5 系統的應用與測試

在實驗中用質量流量變送器對多普勒流量計進行了比對標定以確保流量測試的精確，使螺桿泵在最高轉速情況下（接近現場注砂時的流速），采用標準石英砂（40—70目，密度2.2g/cm2，與現場作業用砂的粒徑相近）進行了大量實驗并分別對混合流體的累計流量和累計含砂量進行了測試，并對實測注液量與實際注液量，實測攜砂比與理論攜砂比進行了誤差比對分析，得到了較好的實驗結果（見圖3），驗證了檢測方法的可行性，整理的典型實驗結果見表1。

圖3 測試界面

表1 注液量相同注砂量不同的情況下實驗數據整理

由上述實驗結果可以看出：隨著理論攜砂比的提高，檢測的誤差也增大，理論攜砂比在2%到8%之間時檢測的誤差較小，攜砂量過多或過少都對檢測的精度有較大的影響，砂粒過少則碰撞管壁的強度較小，砂粒過多則導致相當數量的砂粒沒有與管壁碰撞，另外在標定C值時理論攜砂比沒有超過10%，因此檢測精度與攜砂液的濃度有關，這一點在勝利油田某區塊的油井進行現場實驗時也得到了驗證：作業時攜砂液的濃度大致在15%左右，多次檢測的平均值為17.8%，誤差為18.7%，與室內實驗的情況一致，但現場的噪聲對檢測也有很大的影響，尤其是注砂泵工作時產生的電磁干擾，另外現場注砂液管道的管徑為7.5寸，比實驗室的管徑粗很多，導致流速下降，影響了攜砂液流量的測量精度。

6 結論

隨著油田數字化的快速發展，礫石填充注砂量及注液量實時監測技術的研究顯得十分必要。本文通過對礫石填充實時監測技術的研究，提出了檢測方法，研制了一套礫石填充過程中注砂量及注液量實時監測模擬系統，通過室內實驗和現場實驗驗證了方法的可行性，取得了較好的實驗結果，實現了實時監測功能，達到了研究目的，為進一步的研究奠定了基礎。

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