多通道油氣井出砂在線監測系統

陳龍　黨博　張生林　王斌　袁濤

摘要：出砂是油氣井開采過程中經常遇到的問題，出砂會侵蝕輸油管壁，損毀采收設備，嚴重出砂引起地穴虧空，地層塌陷，導致油井報廢。因此，出砂不僅增加開采，維護成本，降低采收率，而且易引起安全事故。利用ARM聯合AD7656對油井氣出砂信號進行多通道采集，通過對出砂信號進行特性分析，并對出砂信號進行降噪處理，根據分析處理后的信號特性，用來實時高效監測油氣井出砂狀況，為作業人員提供出砂信息，及時調整開采方案。

關鍵詞：油氣井出砂；ARM；AD7656；多通道采集；特性分析；實時監測

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0259-03

On-line Monitoring System of Multi-Channel Oil and Gas Sand Production

CHEN Long， DANG Bo， ZHANG Sheng-ling， WANG Bing， YUAN Tao

（ Key Laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Ministry of Education， Xian Shiyou University， Xian 710065， China）

Abstract：Sand production is a common problem in the progress of oil and gas well mining. Sand production will erode the oil pipeline wall， and destroy the collecting equipment.Serious Sand production can Cause the sand to move out of the stratum，lead to wellbore collapsing and abandonment of oil and gas well.Therefore，Sand production not only increases the mining and maintenance costs， reduces the recovery rat， but also cause security accidents easily. Using ARM combined with AD7656-1 ，we can carry out multi-channel acquisition of oil and gas sand production signals，By analyzing the characteristics of sand signal ，and reducing the noise of sand signal，According to the signal characteristics of the analysis， it is used to monitor sand production status of oil and gas well in real time and efficiently， provide sand information for the operator and adjust mining scheme timely.

Key words： Sand production in oil and gas well；ARM；AD7656-1；Multichannel acquisition；Multi-channel acquisition；Characteristic analysis；Real time monitoring

隨著油氣井開發過程的不斷深入以及開發力度的不斷加大，油氣井出砂問題愈發引起油氣井作業人員的重視，油氣井適量出砂可以提高油氣產量，但過度出砂會導致設備堵砂累砂，加速設備磨損，嚴重出砂易引起套管周圍地層虧空坍塌，致使油氣井報廢，危害作業人員安全。針對油氣井出砂，主要的監測方法有ER監測法、X射線監測法、超聲波監測法。ER監測法的優點是測量簡單、適用范圍廣，缺點是壽命短、監測延遲。X射線監測法的優點是適于出砂量較大的油井，可監測儲層崩塌時大量出砂情況，缺點是系統復雜。超聲波監測法的優點是測量效果好，探頭安裝便捷，缺點是測量精度會受到外置式探頭的影響。在分析出砂信號特性的基礎上，本文提出了多通道油氣井出砂在線監測系統。綜合考慮多通道出砂實時監測數據量大，數據采集通道靈活可變特點，選用ARM聯合AD7656-1及其外圍電路構成多通道油氣井出砂在線監測系統，對出砂信號進行多通道采集，模數轉換和傅里葉變換，最終通過上位機顯示井下有效的出砂信息，間接實現對井下出砂狀況的掌握，及時為作業人員提供實時信息，調整開采方案。多通道油氣井出砂在線監測系統不僅靈活應用于單井或叢式井，而且利用ARM處理數據能力也大大提升，滿足油田數字化，高效化的要求。

1 出砂信號產生機理與特性分析

1.1 信號產生機理

油氣井開采作業過程中，出砂是指地層中的砂粒隨著油氣流體從地層中運移出來的現象。引起油氣井出砂的因素主要分為兩個方面：地質因素和人為因素，地質因素包括地層膠結物含量及分布，膠結類型，成巖壓實作用和地質年代等，人為因素包括開采技術與速度，管理方式等。當油氣流體攜帶砂粒在油管中運移，油氣流體滿足一定的流速、流量，砂粒自身具有一定的質量與速度時，具有動能的砂粒撞擊管壁會產生超聲波信號，超聲波信號以機械能形式在管壁中傳播。

1.2 出砂信號影響因素

出砂信號屬于動態、隨機、脈沖信號。砂粒受到重力、浮力、流體黏力、砂粒相互作用力等影響，受力情況復雜。因此，假設油氣流體流速始終與管壁平行，只考慮主要因素影響，可將砂粒看作一個質點，根據牛頓第二定律，在氣砂或油砂兩相流中，砂粒在管道內的運動模型為：endprint

[dvρdt=FD（v-vρ）+gx（1-ρρρ）+Fa] （1）

[FD=18μρρd2ρCDRe24] （2）

[Fa=12ρρρddt（v-vρ）] （3）

[Re=ρdρv-vρμ] （4）

[FD（v-vρ）]為單位質量的砂粒所受到的流體阻力；[F]為質量對顆粒造成的力，[ρ]為流體密度；[ρρ]為砂粒密度；[v]為流體速度；[vρ]為砂粒速度；[d]為砂粒直徑；[μ]為流體動力粘度；[Re]為相對雷諾數；[CD]為阻力系數；[gx]為重力加速度。當砂粒運動到彎管處撞擊管壁時砂粒的運動公式由式（1）變為

[dvρsinθdt=FD（v-vρsinθ）+gx（1-ρρρ）+Fa] （5）

[θ]表示砂粒撞擊管壁速度方向與管壁的夾角。管道內流體性質、砂粒直徑等條件一定的情況下，砂粒撞擊管壁的條件為流體速度。臨界速度與具體的條件存在關系，且不是一個固定值。當流體速度大于臨界速度時砂粒有撞擊管壁的幾率，當流體速度小于臨界速度時，砂粒被流體牽制從而不能撞擊管壁。因此，對出砂信號影響因素主要包括流體性質、流體速度、砂粒直徑。

1.3 出砂信號特性分析

油氣流體裹攜砂粒在輸油管道中運移時，砂粒在輸油管道彎肘處會隨流體改變運動方向，砂粒會因為慣性會集中撞擊管壁彎肘某一處，利用超聲波監測法，利用傳感器的壓電陶瓷效應，通過固定在套管外壁的超聲波傳感器，將砂粒撞擊管壁彎肘處產生的超聲波信號轉換為電壓信號。圖1是出砂信號波形圖。

圖1 出砂信號波形圖

出砂信號是動態、隨機的脈沖信號，屬于振動頻率高于20kHz的超聲波信號。超聲波在固體和液體中的衰減很小，穿透能力強，尤其是對不透光的固體，超聲波能穿透幾十米的厚度。超聲波的反射、折射等特性使其在檢測技術中得到了廣泛的應用。因此，利用超聲波監測法可以實現對出砂信號的采集分析處理。我們發現懸浮在石油或者油氣混合物中的砂粒打磨管壁彎肘處的力度最強，因此我們將傳感器安置在管壁彎肘處采集出砂信號具有最好的效果。

2 設計多通道出砂在線監測系統

2.1 設計思路

當油氣流體速度，砂粒質量等主要因素滿足一定條件，地層中的砂粒隨油氣流體在管道中運移時，流體裹挾砂粒會在油管彎頭管壁處發生碰撞，砂粒碰撞管壁產生超聲波信號。固定在套管外壁的傳感器將聲波信號轉換為電壓信號，通過對電壓信號進行采集，處理，分析間接掌握出砂信息，并將出砂信息在上位機顯示，供作業人員實時監測，調整開采方案。

2.2 系統示意圖

出砂監測系統分為三個部分，第一部分是砂粒撞擊管壁產生超聲波信號經傳感器轉換為電壓信號的信號轉換部分；第二部分是信號采集和處理分析電路部分，對采集的出砂信號進行放大，濾波后進行模數轉換；第三部分是處理后的信號通過串口發送至上位機顯示部分，顯示的信息包括瞬時出砂率，出砂量等。

圖2-1 出砂監測系統示意圖

圖2-2 多通道油氣井監測示意圖

3 出砂算法

當砂粒撞擊金屬固體物時，比如石油管壁，在金屬結構內部產生一個高頻的聲波振動信號。信號很容易穿透管壁本身，而在周圍的空氣中則會很快衰減。所以可以通過在該區域附近固定一個傳感器來檢測這個信號。由于傳感器不受空氣中其他振動噪聲的影響，因此可以通過管壁測量的出砂信號作為出砂量結果的分析依據，我們根據出砂信號的理論模型，推導出流體速度，與氣流量與液流量[Ql]之間滿足以下關系式：

其中[v]表示流體速度，單位：m/s；[Qg]表示氣流量，單位：萬m3/d；[Ql]表示液流量，單位：m3/d；d表示管徑，單位：mm。

瞬時出砂量滿足下列關系式：

S是瞬時出砂量，單位：g；Y是原始采集數據；[σ]是原始數據標準差；K是標準差修正系數（根據噪聲情況給定）；N是原始數據擬合值（程序自動求取）C是校正系數，單位：gm2/s2（標定）。

4 試驗分析

4.1 測試模數轉換模塊

整個監測系統中，信號采集和處理分析電路部分是至關重要的環節，影響整個系統的性能。因此，在系統整體測試之前，我們先對這一部分進行獨立測試，確保模數轉換電路模塊的可行性。首先我們先采用定值模擬信號作為輸入，在軟件程序中將模數轉換結果通過在計算機上通過串口助手打印出來，驗證模數轉換硬件電路和軟件程序的正確性。采用將標準電壓信號源輸出信號作為模擬輸入信號，通過串口助手查看轉換結果，對設計精度進行實驗驗證.最大測量誤差為3mv，結果表明模數轉換模塊具有穩定的測量線性和很高的精準度，完全能夠應用于油氣井出砂監測系統。

4.2 現場實時監測

2017年8月14日至9月4日，運用多通道油氣井出砂監測系統對長慶油田蘇東33-22H1等井同時進行多通道監測，圖所示曲線均表示出砂率，單位為g/s：

由出砂率曲線圖4-1可知該口井一小時累計出砂量為90.4163g，最大出砂率為1.7654g/s，平均出砂率為0.0243g/s，此井出砂不均勻，大量集中在30min—50min。

由出砂率曲線圖4-2可知該口井57分鐘累計出砂量為14.0036g，此井只在測試5分鐘左右有一次出砂，而且出砂量較少。

由出砂率曲線圖4-3可知該口井一小時累計出砂量為104.6864g，最大出砂率為10.1153g/s，平均出砂率為0.0264g/s，此井出砂比較均勻，但是出砂量較少，而且測試過程中出現量值較大的瞬時出砂。

由出砂率曲線圖4-4可知該口井此井未出砂，經現場測試及后期對原始數據處理知監測結果正確。

由出砂率曲線圖4-5可知該口井一小時累計出砂量為80.23g，最大出砂率為6.22g/s，平均出砂率為0.026g/s，由圖可知此井出砂不均勻，大量集中在0min—30min，0-5min內瞬時出砂量大，出砂相對較多。

由出砂率曲線圖4-6可知該口井一小時累計出砂量為8.3447g，最大出砂率為0.7657g/s，平均出砂率為0.00244g/s。由可以得出，57分鐘累計出砂量為8.3447g。

5 總結

多通道油氣井出砂監測系統不僅安裝方便，可操作性好，而且價格相對國外單通道出砂監測系統更便宜。通過多通道油氣井出砂監測系統監測記錄的數據，結合后期除砂器等設備測得數據對比可知，在現場實驗環境下，多通道油氣井出砂監測系統能夠很好地在復雜的環境中，準確對井下出砂狀況進行監測，能夠及時反映井下出砂狀況，能夠在復雜環境下實時監測油氣井下出砂信息，可以同時對多口井同時進行高效，準確監測，滿足油田數字化，高效化的發展需求。

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