柱塞氣舉天然氣井用在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

童 征，沈澤俊，鄭立臣，師俊峰，高向前

（中國石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083）①

在氣田開發(fā)的中后期，許多氣井進(jìn)入低壓及單井低產(chǎn)的階段，氣井流速過低，不能達(dá)到氣井的臨界攜液流量，攜液能力差，井底積液增多，井筒壓力升高，最終導(dǎo)致井被壓死，無法生產(chǎn)。因此，必須采取有效的清除積液措施以保證氣井的正常生產(chǎn)。

柱塞氣舉是一種利用儲(chǔ)層本身能量來攜液的間歇式舉升方法。該技術(shù)的工作原理是：先關(guān)井提高井底壓力，壓力上升到能滿足舉升要求時(shí)再開井，井底的柱塞依靠氣井的壓力在油管內(nèi)上升，直至井口防噴管；同時(shí)，井口的到達(dá)傳感器向電子控制器發(fā)送信號，控制器打開地面開關(guān)閥，液體從管線排出，產(chǎn)出天然氣；隨著天然氣不斷采出，井筒壓力下降，地面開關(guān)閥重新關(guān)井，柱塞下落至井底，開始新的壓力恢復(fù)過程。氣井開井和關(guān)井形成1個(gè)工作周期，重復(fù)這一周期性動(dòng)作就可以把井底積液和天然氣不斷采出［1－2］。柱塞使氣體與液體之間形成一個(gè)力學(xué)界面，能有效防止液體的回落。與其他工藝相比，柱塞氣舉無需外界能量，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，很適合在高氣液比井應(yīng)用。

掌握大量準(zhǔn)確、及時(shí)的井筒數(shù)據(jù)是對柱塞氣舉井進(jìn)行有效生產(chǎn)管理的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的柱塞氣舉生產(chǎn)管理的依據(jù)是理論模型，通過模型來預(yù)測柱塞到達(dá)井底的時(shí)間、開始進(jìn)入動(dòng)液面的時(shí)間等參數(shù)，并輸入控制程序中，由于模型本身的缺陷會(huì)導(dǎo)致預(yù)測值與實(shí)際值有很大誤差。另外，測井方法還是傳統(tǒng)的電纜下入工藝，即必須先讓氣井停產(chǎn)，使用電纜從井口將測量儀器下入井筒中［3］。由于柱塞氣舉本身就是間歇式生產(chǎn)，氣井在柱塞下落階段不產(chǎn)氣，如果需要提高產(chǎn)量必須采取加快柱塞下降速度、減少關(guān)井次數(shù)與時(shí)間等措施。因此，測井時(shí)要停產(chǎn)與盡量避免關(guān)井構(gòu)成了矛盾。

國外公司在多年以前就提出過“智能柱塞舉升”（smart plunger lift）的概念，并已成功進(jìn)行了多口井的現(xiàn)場試驗(yàn)［4］。該技術(shù)將傳感器與柱塞集成為整體，但是下載數(shù)據(jù)時(shí)需要關(guān)井取出柱塞，影響了正常生產(chǎn)。針對現(xiàn)有技術(shù)的問題，中國石油勘探開發(fā)研究院采油采氣裝備研究所提出一種具有在線監(jiān)測與通信功能的方案，為柱塞氣舉井提供了有效的井筒生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測手段。

1 技術(shù)分析

1.1 技術(shù)要求

1）無需電纜測井作業(yè) 可準(zhǔn)確獲取井下壓力、溫度等參數(shù)，工作期間系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，井噴等事故發(fā)生的概率低，安全性好。

2）測井、通信和生產(chǎn)互不影響 作業(yè)效率高，傳輸數(shù)據(jù)量大，對柱塞井下運(yùn)行狀態(tài)可實(shí)施有效監(jiān)測，滿足動(dòng)態(tài)分析的要求。

3）適應(yīng)性好 可根據(jù)需求配有不同的測量和采樣儀器。

4）非接觸式通信方式 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，讀寫速度快，系統(tǒng)功耗低，可靠性高，可在有油污、灰塵、沉砂的惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作，能承受一定程度的沖擊。

5）系統(tǒng)維護(hù)簡便 儀器、電源等組件更換方便。

1.2 系統(tǒng)應(yīng)用條件

適應(yīng)油管尺寸73.025～101.600mm（2■8～4英寸）

最大工作井深 2 500m

最大井斜角 30°

氣液比 ＞250m3／m3

產(chǎn)液量 ＜300m3／d

工作溫度 －25～90℃

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由井下柱塞和地面配套設(shè)備構(gòu)成。其中，井下柱塞由打撈頭、儀器工作筒、柱塞本體和旁通閥組成（如圖1所示）。柱塞本體外表面的環(huán)形凹槽用來清除井筒內(nèi)的砂、蠟、垢等物質(zhì)，上下分別有螺旋形的流道結(jié)構(gòu)，其作用是在柱塞上升并舉升液體時(shí)，借助螺旋形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部的湍流，可以提高攜液能力，避免液體滑脫。柱塞本體內(nèi)部有過流通道，旁通閥位于柱塞本體的最下方，在柱塞下行時(shí)可加快下落速度。儀器工作筒為井下儀器的載體，由工作筒本體、柱塞監(jiān)測子系統(tǒng)、聲波信號發(fā)射器、工作筒天線、彈簧、壓帽和密封圈組成。工作筒本體外表面有進(jìn)液孔，為壓力傳感器提供測量樣本。工作筒本體外表面有環(huán)形工作筒通信天線，可以與地面防噴管內(nèi)的筒形天線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。彈簧和壓帽的組合對儀器進(jìn)行限位和緩沖減震，避免柱塞撞擊損壞內(nèi)部儀器。

圖1 柱塞工具和儀器工作筒結(jié)構(gòu)

工作時(shí)，安裝儀器工作筒的柱塞工具被投入井中；柱塞下行時(shí)，旁通閥處于打開狀態(tài)，柱塞至井底后，旁通閥被關(guān)閉；同時(shí)，儀器工作筒內(nèi)的傳感器啟動(dòng)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄；測量作業(yè)完成后，打開氣井，柱塞攜帶記錄數(shù)據(jù)的儀器工作筒上行返回地面。

地面配套設(shè)備主要在防噴管內(nèi)，在防噴管帽的下方有過渡接頭。井口通信天線為圓環(huán)形，焊接在過渡接頭的內(nèi)壁中，天線與RFID讀寫器模塊相連。防噴管內(nèi)還配有用于監(jiān)測柱塞運(yùn)行狀態(tài)和井筒動(dòng)液面的聲波發(fā)射器和接收器。

2.2 控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)由地面和井下柱塞2個(gè)監(jiān)測子系統(tǒng)組成，采用RFID作為柱塞與地面之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸方式，而采用聲波測量技術(shù)對柱塞在油管內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行跟蹤。RFID是一種使用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識別和通信的技術(shù)，其工作原理是利用射頻信號通過空間耦合（電磁感應(yīng)或電磁傳播）對目標(biāo)對象進(jìn)行識別跟蹤或與目標(biāo)對象進(jìn)行信息交換。它具有存儲(chǔ)容量大、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)可加密等優(yōu)點(diǎn)［5－6］。

2.2.1 柱塞監(jiān)測子系統(tǒng)

柱塞監(jiān)測子系統(tǒng)包括各類傳感器、柱塞控制器（MCU）、RFID電子標(biāo)簽芯片、RFID工作筒天線、聲波信號發(fā)射器、電源、系統(tǒng)時(shí)鐘和編碼模塊等（如圖2所示）。在井口，電子標(biāo)簽芯片將井筒生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳給地面監(jiān)測子系統(tǒng)，并接收地面監(jiān)測子系統(tǒng)的指令，將其傳至柱塞控制器。柱塞控制器選用Atmel公司的ATmega8L，該控制器基于RISC架構(gòu)，工作電壓范圍2.7～5.5V，時(shí)鐘頻率范圍0～8MHz，在4MHz運(yùn)行時(shí)電流僅3.6mA，而且具有靈活的高級語言開發(fā)環(huán)境，便于程序開發(fā)和維護(hù)。RFID電子標(biāo)簽選用Microchip公司的IDS系列產(chǎn)品，采用有源類型芯片，在數(shù)據(jù)傳輸模式下工作電流最高為200μA，具有很低的功耗，適合在電池供電的井下儀器中使用。電子標(biāo)簽芯片與柱塞控制器、外設(shè)（壓力、溫度傳感器等設(shè)備）的電氣連接如圖3所示。在需要時(shí)，也可將柱塞工具從井內(nèi)取出，使用地面上位機(jī)通過數(shù)據(jù)線下載信息或向其輸入控制指令。

圖2 柱塞監(jiān)測子系統(tǒng)原理

需要發(fā)射聲波脈沖時(shí)，柱塞控制器通過D／A模塊將所需的波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成模擬信號，經(jīng)過功率放大和匹配后由聲波發(fā)射器向地面發(fā)射聲波脈沖。聲波發(fā)射器采用PZT壓電陶瓷作為電－聲換能器的核心部件［7］。其他參數(shù)如下：柱塞用鋰離子電源額定電壓3.6V，壓力傳感器最高測量值20.7MPa（3 000 psi），存儲(chǔ)器容量512K，最小采樣間隔5s，最大采樣間隔25min。RFID電子標(biāo)簽采用主動(dòng)式工作方式，最大傳輸距離5m，信道帶寬200kHz，最大發(fā)射功率4W。傳輸聲波頻率最高為1kHz。

圖3 柱塞控制器與電子標(biāo)簽連接框圖

2.2.2 地面監(jiān)測子系統(tǒng)

地面監(jiān)測子系統(tǒng)主要由地面控制器（MCU）、I／O接口、數(shù)字信號處理模塊（DSP）、RFID讀寫模塊、存儲(chǔ)模塊、系統(tǒng)時(shí)鐘、地面系統(tǒng)電源、RFID環(huán)形天線、地面上位機(jī)、地面?zhèn)鞲衅鳌⒌孛媛暡ㄐ盘柊l(fā)射器和接收器等組成，如圖4所示。地面監(jiān)測子系統(tǒng)的主要控制設(shè)備為地面開關(guān)閥和放氣閥。地面聲波發(fā)生器使用氣槍，采用壓力12MPa的氮?dú)馄浚部墒褂闷渌麎毫υ?，例如套管氣?/p>

圖4 地面監(jiān)測子系統(tǒng)原理

地面監(jiān)測子系統(tǒng)中的數(shù)字信號處理模塊（如圖5所示）對接收到的聲波脈沖信號進(jìn)行前置放大、檢波濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、采樣頻率變換等處理，再傳至地面控制器，求出柱塞及井筒的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，包括柱塞在油管內(nèi)的深度、上下行速度、上下行加速度、落至井底的時(shí)間、進(jìn)入動(dòng)液面的時(shí)間、動(dòng)液面的位置、液柱的高度等。DSP芯片采用TI公司的TMS320LF系列，供電電壓3.3V，速度40MIPS，10bit A／D轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換時(shí)間500ns）。系統(tǒng)與上位機(jī)通信采用USB協(xié)議。相對于RS232，USB技術(shù)具有傳輸速度高、內(nèi)置電源、即插即用等優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)USB和并行I／O之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，采用FTDI公司的FT系列芯片。EEPROM用來存儲(chǔ)柱塞運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，防止系統(tǒng)掉電時(shí)丟失。

圖5 數(shù)字信號處理模塊原理

2.3 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)柱塞被防噴管捕捉后，內(nèi)部的RFID電子標(biāo)簽芯片開始工作。地面子系統(tǒng)中的讀寫器模塊通過井口環(huán)形天線產(chǎn)生電磁場。RFID電子標(biāo)簽芯片檢測到讀寫器的讀寫請求后，通過工作筒天線主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號，讀寫器接收到該信號后，將其解碼并發(fā)送至相關(guān)模塊進(jìn)行處理，這樣柱塞前一工作周期內(nèi)測量并記錄的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)被發(fā)送至地面監(jiān)測子系統(tǒng)，同時(shí)讀寫器將控制指令傳給柱塞。傳輸完畢后，柱塞子系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為休眠狀態(tài)，以降低能耗。

系統(tǒng)采用“油管接箍脈沖監(jiān)測法”對柱塞運(yùn)行參數(shù)和動(dòng)液面實(shí)施監(jiān)測，主要靠地面監(jiān)測子系統(tǒng)的聲波接收器被動(dòng)地“聽”井下信號的變化（如圖6所示）。柱塞在井口防噴管內(nèi)，首先地面監(jiān)測子系統(tǒng)通過RFID讀寫模塊對柱塞監(jiān)測子系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，RFID電子標(biāo)簽芯片將指令傳至柱塞控制器，柱塞控制器啟動(dòng)相應(yīng)模塊。地面監(jiān)測子系統(tǒng)開始對柱塞的初始運(yùn)行狀態(tài)（包括當(dāng)前位置、速度等）進(jìn)行校準(zhǔn)并記錄。初始化操作完成后，地面開關(guān)閥打開，柱塞工具開始下行。當(dāng)柱塞經(jīng)過油管的接箍位置時(shí)，聲波信號發(fā)生瞬時(shí)的波動(dòng)，該波動(dòng)通過油管管體向上傳輸被地面監(jiān)測子系統(tǒng)捕獲，經(jīng)系統(tǒng)處理后在地面上位機(jī)可顯示出1組跳變的波形。油管接箍之間的距離是已知的，通過記錄跳變的數(shù)量就可以計(jì)算出柱塞的深度。柱塞在進(jìn)入液柱前后的脈沖信號會(huì)有顯著不同，通過識別信號的差異可判斷液面的位置。柱塞在上行階段的工作原理與下行階段相同。

通過該系統(tǒng)可有效掌握柱塞的運(yùn)行狀態(tài)，并向系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的控制指令，例如調(diào)整開井或關(guān)井時(shí)間、調(diào)節(jié)柱塞在井筒內(nèi)的運(yùn)行速度等，以優(yōu)化系統(tǒng)的生產(chǎn)參數(shù)，提高運(yùn)行效率。如果柱塞上行速度過快，可通過短暫關(guān)閉地面開關(guān)閥使得柱塞上行速度下降。如果柱塞上行速度過慢，通過短暫打開放氣閥使得柱塞上部的壓力下降，從而增大柱塞兩端的壓差，柱塞的上行速度可加快。

除了油管接箍脈沖監(jiān)測法以外，系統(tǒng)也可使用連續(xù)監(jiān)測法：其中一種方式是，開啟柱塞監(jiān)測子系統(tǒng)內(nèi)的聲波發(fā)射器向地面主動(dòng)發(fā)射聲波脈沖，地面根據(jù)波速和傳播時(shí)間來確定柱塞運(yùn)行狀態(tài)；另一種方式類似抽油機(jī)井測動(dòng)液面的方法，開啟地面聲波發(fā)射器進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測［8］。如果井筒內(nèi)有泡沫段，該方法會(huì)帶來很大誤差，因此需要與油管接箍脈沖監(jiān)測法結(jié)合應(yīng)用。

圖6 油管接箍脈沖監(jiān)測法流程

3 結(jié)論

1）針對傳統(tǒng)技術(shù)的問題，開發(fā)出用于柱塞氣舉井的在線監(jiān)測系統(tǒng)，集成有傳感器的柱塞在油管內(nèi)運(yùn)行時(shí)自動(dòng)完成測量作業(yè)，停留在井口時(shí)與地面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2）系統(tǒng)提供了更直接的參數(shù)采集與測量手段，集成了聲波監(jiān)測系統(tǒng)，可對柱塞的運(yùn)行狀態(tài)和動(dòng)液面變化進(jìn)行有效的跟蹤，為氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的優(yōu)化和自動(dòng)化生產(chǎn)管理提供了重要的手段。

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