小套管井環空液面監測技術研究

周泉泉，齊慶元，陳永浩

(中石化中原油田分公司石油工程技術研究院,河南 濮陽 457001)

?

小套管井環空液面監測技術研究

周泉泉，齊慶元，陳永浩

(中石化中原油田分公司石油工程技術研究院,河南 濮陽 457001)

小套管抽油井由于井下管柱在懸掛器以下存在變徑位置，常規液面測試儀器難以測試準確的液面位置。為此，針對井下管柱特點，研究出小套管生產井環空液面測試技術。測試采用回聲原理，氣體壓差瞬時擊發產生聲波，用壓電陶瓷傳感器接收回聲波的反射，提高了回聲監測靈敏度。從高精度回聲接收器、優選壓差聲波幅度、提高儀器抗干擾能力、提高曲線波形識別分析技術等4方面研究了環空液面新工藝。在測試曲線上可以清楚地區分井口波、懸掛器變徑波和動液面波。2015年上半年開展小套管抽油井環空液面測試45井次，通過測試獲得了抽油井生產時的動態資料。該項技術的開發應用能夠準確判斷抽油井工況、油井供液能力，對優選合理的工作制度、提高油田經營管理水平具有十分重要的意義。

小套管井；動液面；懸掛器變徑；抽油井工況

抽油井的生產動態基礎資料，如動液面、示功圖等是油田生產管理中的重要基礎參數。因此，準確地提取抽油井生產動態資料，對判斷抽油井的工況，評價油井供液能力，優選合理工作制度，提高油田經營管理水平具有十分重要的意義。

井下生產管柱和抽油泵一般下至小套管內，由于套管內徑的變小致使油套環形空間面積縮小，在小套管懸掛器處有一個變徑位置，傳統液面測試儀器測不出油套變徑位置以下液面的準確深度，給油井生產動態分析帶來了新的技術難題。為此，針對井下管柱特點，開發了小套管生產井環空液面測試技術。該技術綜合考慮井下管柱變徑特點，根據次聲波發聲進行液面測試的技術原理，液面測試的聲源用惰性氣體壓差碰撞產生，液面測試的接收裝置采用壓電陶瓷來檢測聲波的反射，提高了回聲監測靈敏度，采用數據記錄儀完成對測試曲線的分析處理。通過油管頭監測套壓和井下環空液面深度，清楚地區分井口波、小套管懸掛器變徑波和動液面波，分析計算油井生產時的動液面，獲得抽油井生產動態資料。該技術方法簡單易行，安全可靠程度高，基本解決了小套管抽油井測動液面難的技術難題。

1　小套管井環空液面監測技術原理

針對小套管井環空液面測試的技術方法，國內尚無相關文獻報道，鑒于目前礦場常用的抽油井及自噴油井環空動液面探測方法[1～4]，優選出了適合于小套管油井的環空液面測試方法——回聲探測法。

1.1回聲探測法原理

當井口發聲裝置采用惰性氣體壓差瞬時擊發產生聲波脈沖信號在井筒中傳播時，遇到井下油管接箍、變徑位置和液面時就產生反射脈沖[5]，如果知道聲波脈沖的傳播速度和反射脈沖的反射時間就可以知道液面與脈沖聲源之間的距離見圖1。

1.2液面位置計算

回聲探測法主要利用聲波在環形空間中的傳播速度和測得的反射時間來計算其位置：

(1)

式中：L為液面深度，m；V為聲波傳播速度，m/s，可以由音標法、接箍法和理論音速法3種方法確定；t為聲波從井口遇到液面、再返回到井口所需要的時間，s。

圖1　回聲記錄曲線圖

1.3小套管井環空液面測試儀器適應性分析

回聲法作為小套管環空液面監測方法的特點是：①常規的液面測試，由于回聲接收傳感器靈敏度低的限制，當聲波沿油套環形空間向下傳播時衰減大，遇到變徑位置后，再無法向下傳播，無法測出變徑以下的液面； ②常規的液面記錄，由于濾波和降噪以及波形識別方面的缺陷，測試的液面曲線復雜多變，二次測試重復性差，無法正確判別液面反射波的準確位置，測試成功率低；③測試受井筒生產條件的制約大，對于套管為5.5in、套壓為0.2～3.0MPa、液面深度在10～2000m的井常規儀器可以測出液面波；而對于沒有套壓的井，常規液面測試儀由于受聲源幅度和發射槍耐壓的影響，測試的液面波曲線信號衰減大，一般顯示井口波和幾十個接箍波后，再無其他回聲波顯示，無法獲取動液面資料；④通過分析可知如果要滿足小套管環空液面監測需要，必須具有井口聲波幅度大、回聲接收裝置靈敏度高、測試液面深度范圍寬的儀器裝置，而目前國內尚無可靠回聲液面探測儀滿足小套管環空液面監測的需要。

2　小套管井環空液面監測儀技術

為解決小套管抽油井環空液面測試的技術難題，設計了新型環空液面測試系統。儀器主要由以下幾部分組成：①壓力溫度傳感器；②回聲接收裝置(雙膜片壓電陶瓷微音器)；③充氣氣室；④擊發電磁閥；⑤數據采集處理系統。從高精度回聲接收器、優選壓差聲波幅度、提高儀器抗干擾能力、提高曲線波形識別分析技術等4方面研究了環空液面監測新工藝。

2.1高精度回聲接收器選擇

針對小套管抽油井環空液面測試難的技術現狀，用ZYJ-3型液面自動監測儀、ZJ-6型雙頻道回聲探測儀和GY-QYM液面測試儀在中原油田采油五廠H5-194H井測試，現有儀器測出小套管懸掛器的位置比較清楚(圖2)，但無法測出液面位置。

分析原因，一是接收回聲波的關鍵器件微音器靈敏度低，隨著聲波信號沿油套環形空間向下傳播時的衰減大，當傳到油套變徑以下信號變得很微弱；二是發聲源幅度小，能量不足。

通過室內研究改變發聲方式、篩選高精度回聲接受器，創新設計了微音器諧振片連接方式，將微音器聲電轉換性能提高約1.6倍，信號分辨度由“s”級提高至“ms”級，同時提高壓差聲波幅度,提高了測試成功率。針對部分抽油井測試液面顯示不清問題，進行了室內電容、電導納等參數的測試，采用次聲波發聲方式，降低聲波頻率，增加了波長，在遇到大的管柱變徑位置時，可以衍射，聲波損失能量小。

圖2　H5-194H井常規儀器測試曲線

2.2優選壓差聲波幅度

針對中原油田小套管抽油井管柱特點，在井下抽油管柱變徑的環空條件下，室內模擬了不同壓差聲源下儀器接收回聲波的極限壓差，壓差優選對比見圖3、4。當壓差達到3MPa時，可以接收到聲波幅度0～4mV的信號；當壓差達到5MPa時，可以接收到聲波幅度0～10mV的信號。優選工作壓差5MPa，提高測試成功率，測試效果良好。

圖3　壓差在3MPa下液面測試曲線

2.3提高儀器抗干擾能力

中原油田是低滲透復雜斷塊油田，具有油藏埋藏深、高溫高壓、層間和平面非均質性嚴重、壓力傳播速度慢、儲層物性差、滲透率低、動液面深、抽油泵到射孔段距離長的特點。由于抽油桿與油管的摩擦碰撞產生干擾波，對測試影響大，導致液面波分辨不清或測量不準[6]。現場測試時，先測出背景噪聲，判斷對測試資料的影響程度，根據背景噪聲的幅度選擇壓差聲波幅度的大小，有效地克服了摩擦碰撞產生干擾的影響。

2.4提高曲線波形識別分析技術

由于小套管井環空間隙小，測試信號受到噪聲干擾，易造成測試波形模糊。為提高曲線波形識別能力，聲波換能器根據電脈沖信號的幅值做出電參數匹配，使測試效果達到最佳[7，8]。經電參數匹配的信號傳輸至液面波濾波器，液面波濾波器在濾除干擾和雜波的同時過濾出液面波信號。濾波信號經過調理電路整形后，形成清晰的液面波形。該技術同時采用了小波降噪方法，解決了信號異常的問題。現場測試H5-194井的液面記錄曲線顯示井口波、小套管懸掛器變徑波和動液面波清晰可辨(見圖5)。

圖4　壓差在5MPa下液面測試曲線

圖5　H5-194井新型測試儀測試曲線

3　現場應用

2015年上半年，先后在中原油田采油一廠、二廠、三廠、五廠開展小套管抽油井環空液面測試45井次，通過測試獲得了抽油井生產時的動態資料，為正確確定泵的沉沒度和油井供液能力提供了重要技術參數。胡5-側3井是中原油田的一口4in套管抽油井，生產層位為沙河街組三段2、4、6層，井段1977.0～2253.5m，生產厚度16.3m/4層。2015年6月25日測試時在沖程為5.0m、沖次為3.8次/min、泵徑為?44mm、泵深為1699m的情況下，日產液5t，日產油0.4t，含水率92%。測試的動液面曲線見圖6，可以看出，測試井口波、小套管懸掛器變徑波和動液面波清晰可辨，現場測試成功。結合胡5-側3井生產動態數據，計算動液面為1688.49m，泵的沉沒度為11m，分析可知該井地層供液能力較差，建議加深泵掛小沖次生產。

圖6　胡5-側3井動液面測試曲線圖

4　結論與認識

1)通過對現有的動液面測試方法及測試儀器性能進行對比分析，開發的測試系統適用于小套管井環空液面監測，測試資料符合油井生產實際，可以滿足小套管抽油井環空液面的測試需求。

2)成功測試45井次表明，制定出的小套管環空液面監測方案具有安全、環保、高效等特點，可以有效指導小套管抽油井后續環空液面監測。

3)小套管生產井環空液面測試新工藝，滿足油田抽油井生產管理的需求，為油井制定合理的工作制度提供依據，為老油田油井改善開采效果、降低生產成本和提高經濟效益提供技術支撐。

4)現場測試應用技術成熟后，通過軟硬件的不斷升級改進，可進一步發展小套管井環空液面自動監測技術，進行小套管抽油井的短期關井液面恢復測試研究，得到油井的地層壓力、流壓、滲透率、表皮因數等地層參數，認識儲層類型及油井產能，為油井下一步工作制度的優選和工藝措施制定提供依據。

[1]鞏娟娟，李文強，王治華. 井下液面監測及自動灌漿系統設計[J].中國石油和化工標準與質量,2012,32(6):53.

[2] 任源峰，羅毅.煤層氣井液面測試儀的研制與應用[J].油氣井測試,2008,17(3):70～71.

[3] 陳思維.油井動液面遠程在線監測技術應用[J].石油石化節能,2013,29(12):18～19.

[4] 閆貴堂.動液面連續監測技術在間抽油井上的應用[J].石油工程建設,2012,38(5)：61～62.

[5] 羅有剛，程顥，呼蘇娟，等.動液面在線連續監測技術在超低滲油田的應用[J].石油化工應用,2015,34(7):57～59.

[6] 徐愛鈞.抽油井環空液面深度自動監測與實現[J].石油天然氣學報(江漢石油學院學報),2011,33(9)：150～152.

[7] 張波，羅慶梅，王智勇，等.安塞油田油井動液面連續測試技術研究與應用[J].中國石油和化工標準與質量,2014,34(4)：96～97.

[8] 閆貴堂.動液面連續監測技術在間抽油井上的應用[J].石油工程建設,2012,38(5):61～62.

[編輯]帥群

2016-01-10

周泉泉(1983-)，男，助理工程師，主要從事試井技術研究，123494319@qq.com。

TE283

A

1673-1409(2016)14-0045-05

[引著格式]周泉泉，齊慶元，陳永浩.小套管井環空液面監測技術研究[J].長江大學學報(自科版), 2016,13(14):45～49.