煤層氣井液面連續(xù)監(jiān)測的新方法

岳 強 賈旭龍 李國峰

(1. 沈陽新石科技有限公司, 遼寧 110034; 2. 中石油煤層氣韓城分公司,陜西 715400; 3. 吉林油田長春采廠, 吉林 130168)

在煤層氣井開采過程中, 需要連續(xù)監(jiān)測井下水位變化, 及時調(diào)整油井工作參數(shù), 控制井下壓力。對于一些勘探井、重點井和已經(jīng)安裝數(shù)據(jù)遠程傳輸功能的數(shù)字化井基本都是安裝了電子壓力計。對于其它大部分井目前采用的方法是利用回聲儀人工上井手動測量動液面, 計算出液面深度后, 上報每天的井下液位壓力數(shù)據(jù)。自動提供準確可靠的液面深度數(shù)據(jù), 能否生產(chǎn)一種價格適中、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便的設備, 作為煤層氣井液面連續(xù)監(jiān)測的備選方案, 這是一種機遇也是挑戰(zhàn)。

1 監(jiān)測儀的原理與特點

我公司在借鑒國外最新技術(shù)的基礎上, 經(jīng)過2年多的試驗完善推出一款煤層氣井動液面跟蹤儀,對于已經(jīng)產(chǎn)氣的井和還沒產(chǎn)氣的井都可以安裝使用。

1．1 工作原理

液面深度測量采用回聲測深原理, 利用煤層氣井自身的套管氣來測試,將套管環(huán)空中的氣體經(jīng)過升壓變換,通過儲氣室突然釋放,在井口處環(huán)空中的氣體瞬間發(fā)生膨脹或壓縮,產(chǎn)生脈沖次聲沖擊波,脈沖次聲波在套管環(huán)空中向下傳播,遇到油管接箍、音標、氣液界面產(chǎn)生反射聲波脈沖,由微音器組件接收聲脈沖轉(zhuǎn)換成電信號,通過軟件自動控制增益及實時數(shù)字信號處理,自動計算出液面深度。

1．2 主要技術(shù)指標

(1) 適用范圍： 0 ≤井口套壓≤3．0MPa。

(2) 動液面測試范圍： 20 ～1500 米誤差＜0．3%。

(3) 工作溫度： - 20～+50 ℃。

(4) 整機外型尺寸： 450×118×118 (毫米) 。

(5) 工作電源電壓： DC 12V 或連接氣動機的輸出電源。

(6) 電氣接口： RS232 電氣接口/RS485/MODBUS。

(7) 測試的動液面結(jié)果可以遠程傳輸。

1．3 系統(tǒng)組成

煤層氣井動液面跟蹤儀主要包括以下幾個部分： 安裝在井口的監(jiān)測儀主機、脈沖聲波發(fā)生器(未產(chǎn)氣井需要) 、便攜數(shù)據(jù)采集器、GPRS 無線遠傳模塊、防雨防盜保護罩、電源連線等。系統(tǒng)能夠滿足在有壓、無壓等多種復雜情況下進行動液面遠程自動測量的需要, 可以無線遠傳液面測試結(jié)果。

1．4 關鍵技術(shù)

(1) 高可靠的微音器

外型結(jié)構(gòu)選用優(yōu)質(zhì)金屬材料, 表面進行防腐蝕處理, 護套采用耐腐蝕橡膠一次成型, 敏感器件壓電膜使用聚偏氟乙烯 (PVDF) 取代傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料, 使微音器的靈敏度得到提高。工作壽命是普通圓柱壓電陶瓷微音器的100 倍。

(2) 脈沖聲波技術(shù)

國內(nèi)首創(chuàng)無壓井液面自動監(jiān)測技術(shù), 利用脈沖聲波發(fā)生器產(chǎn)生一個脈沖次聲波聲源, 不需采用笨重的氮氣瓶, 安全可靠方便。

(3) 頻譜分析數(shù)字處理技術(shù)

結(jié)合井內(nèi)氣體聲波頻譜, 通過軟件自動跟蹤算法, 對波形進行數(shù)據(jù)處理, 保證了多次測試結(jié)果的一致性。采用頻譜分析及結(jié)合軟硬件的數(shù)字信號處理技術(shù), 徹底解決了目前國內(nèi)液面深度計算的誤差問題, 可以精確計算液面深度, 計算誤差小于1米, 滿足了煤層氣井的應用需求。

1．5 設備的特點

(1) 可在需要監(jiān)測的井口隨時安裝、拆卸, 方便靈活。

(2) 測試的液面深度結(jié)果相對準確。

(3) 不需對現(xiàn)有油井做任何改動,無其它成本。

(4) 維修更換方便。

(5) 一臺設備可以根據(jù)需要安裝在任意井上。

2 現(xiàn)場應用情況

在煤層氣公司的配合下, 2 年多來進行了大量的現(xiàn)場應用試驗, 針對不同區(qū)塊不同井況開展了細致的對比測試, 并不斷改進完善產(chǎn)品性能。

表1 T89Y001V 井與井下壓力計連續(xù)20 天對比數(shù)據(jù)表

2．1 測試結(jié)果的準確性

為了驗證液面跟蹤儀的測試效果和精度, 在鄂爾多斯地區(qū)某煤層氣井與井下壓力計進行了連續(xù)20 天的對比試驗, 測試的數(shù)據(jù)與曲線圖見表1 和圖1。

圖1 T89Y001V 井與井下壓力計連續(xù)20 天對比曲線圖

從表1 和圖1 中可以看出, 通過20 天的連續(xù)監(jiān)測對比, 兩者的總體變化趨勢基本一致, 液面深度相差平均大約5 米左右。產(chǎn)生誤差的原因主要與計算方法和公式有關： 壓力計在水下, 井內(nèi)一直在產(chǎn)氣, 在壓力計之上應該存在氣液混合段, 甚至存在氣泡段; 而壓力計的折算液面是按照水的密度計算的, 造成液面深度比實際偏大; 監(jiān)測儀測試的液位是氣液段的最上面, 由于這些因素的影響, 致使兩種設備的測試結(jié)果存在偏差。

2．2 特殊井況的適用性

由于煤層氣開采的特殊性, 射孔段可能分布在不同煤層。如果射孔段出水量較大, 造成油套空間被出水柱阻隔, 聲波無法穿透, 致使聲波無法向下繼續(xù)傳播, 容易形成假的液面波。對于這種井況,液面位于在大量出水的射孔段下面時, 自動跟蹤儀已經(jīng)不能很好的提供準確的液面深度信息, 需要選擇其它方法。如果射孔段出水量不是很大, 沒達到噴射狀, 跟蹤儀就可以準確測試出有分層射孔段的液面位置情況, 能詳細反映井下射孔段的出水情況。

從圖2 可以看出, G1- 1 井的液面深度在1050米左右, 在960 米附近有反向回波出現(xiàn), 說明此處有阻擋聲波障礙物存在。通過核對該井的井史記錄, 在960～964 米處是5#煤層射孔段。由此可以得出反向回波是該射孔段出水造成的。

圖2 G1- 1 井液面深度示意圖

2．3 無套壓井連續(xù)監(jiān)測的可靠性

對于無壓油井的液面自動監(jiān)測設備, 目前國內(nèi)還沒有完善成熟的產(chǎn)品, 無法滿足日益增長的現(xiàn)場測試需求。

當井內(nèi)沒有套壓時, 需要外部產(chǎn)生聲源, 國內(nèi)普遍采用的辦法是利用火藥聲彈爆破聲波或利用高壓氮氣瓶, 向井內(nèi)打入高壓氮氣。利用高壓氮氣瓶作為聲波氣源, 不能長期自動工作, 需要人工定期檢查設備的運行情況, 需要經(jīng)常給氮氣瓶充氣。本產(chǎn)品采用了通過抽取套管內(nèi)氣體壓縮加壓, 來形成聲波脈沖。升壓時間只需十幾秒鐘, 就可以取得滿意的測試效果?？梢栽诰畧鲩L期自動工作, 不需人工干預。本產(chǎn)品的無壓井自動長期監(jiān)測技術(shù)為國內(nèi)首創(chuàng), 已申請國家發(fā)明專利。設備性能穩(wěn)定, 精度可靠。

3 結(jié)論與認識

通過大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明, 動液面跟蹤儀測試數(shù)據(jù)結(jié)果精度可靠, 儀器設備工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便, 具有廣泛的推廣應用價值, 正在各煤層氣區(qū)塊試用。

對于需要連續(xù)監(jiān)測的煤層氣井, 通過對比測試可以代替井下壓力計, 由于跟蹤儀方便靈活, 綜合使用成本低, 為煤層氣井連續(xù)液面監(jiān)測方案, 提供了一種新方法。

[1] 任源峰： 煤層氣井液面監(jiān)測對回聲儀提出的新要求中國煤層氣2007 年第3 期．