基于振動(dòng)的非植入稠油井出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)研究

劉 剛，劉澎濤，韓金良，陳 超

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島266580）＊

稠油開采已經(jīng)成為我國(guó)石油行業(yè)的重要組成部分，而將出砂冷采技術(shù)應(yīng)用到稠油開采中，會(huì)大幅提高油井的產(chǎn)量，但卻面臨許多問題［1］。過(guò)量出砂會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞油井生產(chǎn)設(shè)備，為地面后期的除砂帶來(lái)困難，過(guò)度防砂則會(huì)影響蚯蚓洞形成，降低油井產(chǎn)量［2］，因此提出了適度出砂的生產(chǎn)方法［3］。適度出砂生產(chǎn)技術(shù)是應(yīng)用于海上疏松砂巖油田生產(chǎn)的一種開采技術(shù)，能夠有效地提高海上油田的開發(fā)效率。采用適度出砂技術(shù)需要一種有效的出砂信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流體的出砂狀況［4］。

出砂監(jiān)測(cè)方法主要包括出砂聲測(cè)法［5］和電阻技術(shù)法［6］，出砂聲測(cè)法存在監(jiān)測(cè)延遲現(xiàn)象，更適用于氣井和稀油油井出砂監(jiān)測(cè)；而電阻法主要是壽命短等問題。按照出砂監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝方式劃分，主要有植入式和非植入式2種，前者是將監(jiān)測(cè)設(shè)備植入生產(chǎn)管道內(nèi)，監(jiān)測(cè)精度高，但安裝復(fù)雜；后者不植入生產(chǎn)管道，監(jiān)測(cè)精度較低，但安裝方便。

因此，在不改變生產(chǎn)管道的情況下，為完成稠油油田適度出砂生產(chǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于振動(dòng)信號(hào)分析的非植入式稠油出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為出砂監(jiān)測(cè)提供了新的思路。

1 振動(dòng)信號(hào)采集與分析

1.1 振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由硬件和軟件組成：硬件包括高頻振動(dòng)傳感器、高速采集設(shè)備和計(jì)算機(jī)；軟件包括信號(hào)采集軟件模塊和信號(hào)處理模塊，信號(hào)采集原理如圖1所示。高頻振動(dòng)信號(hào)由傳感器采集經(jīng)過(guò)濾波放大，然后經(jīng)過(guò)高速采集卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)，由信號(hào)處理程序?qū)@一信號(hào)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)［7］。

圖1 出砂信號(hào)采集系統(tǒng)原理框圖

1.2 高頻振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻分析

信號(hào)的時(shí)頻表示是指利用時(shí)間和頻率的綜合函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行表示，是非平穩(wěn)信號(hào)處理的一個(gè)分支，是利用時(shí)間與頻率的聯(lián)合函數(shù)來(lái)表示非平穩(wěn)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行處理和分析的方法［8］。

信號(hào)時(shí)域分析是對(duì)振動(dòng)信號(hào)時(shí)間波形的分析，其描述的是振動(dòng)大小隨時(shí)間的變化情況，是通過(guò)信號(hào)的時(shí)程波形來(lái)計(jì)算平均值μx、方差、均方值等特征值的，即

信號(hào)頻域分析是進(jìn)行時(shí)頻變換，得到的是以頻率為變量的譜函數(shù)。常用的信號(hào)變化有快速傅立葉變化、溫格納－維利變換、小波變化等。以快速傅立葉變換為例，通過(guò)頻域分析得到信號(hào)的幅值譜或功率譜為

式中：X（f）為信號(hào)的幅頻譜函數(shù)；x（t）為采樣得到的時(shí)域信號(hào)；Sx（ω）為信號(hào)的功率密度函數(shù)；Rx（τ）為信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)。

1.3 高頻振動(dòng)信號(hào)采集軟件

根據(jù)對(duì)高頻振動(dòng)信號(hào)的分析，開發(fā)了信號(hào)采集分析軟件，包括信號(hào)采集、時(shí)域分析、頻域分析等模塊。信號(hào)變換采用快速傅立葉變換；時(shí)域分析主要有均值計(jì)算、均方值計(jì)算、方差計(jì)算等；頻域分析主要有幅值譜分析、功率譜分析等。濾波器采用IIR濾波器，設(shè)有帶通、帶阻、高通、低通。軟件主要界面如圖2所示。

圖2 出砂信號(hào)分析軟件界面

2 砂粒撞擊試驗(yàn)

為證明振動(dòng)監(jiān)測(cè)的可行性，設(shè)計(jì)了自然狀態(tài)下的砂粒撞擊試驗(yàn)。主要試驗(yàn)過(guò)程為：將石英砂粒以自由落體方式從一定高度灑落，撞擊貼有高頻振動(dòng)傳感器的金屬管道外壁，傳感器接收砂粒撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳遞給采集儀；經(jīng)過(guò)采集儀的濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)化等操作將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，之后傳遞給計(jì)算機(jī)；經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)上安裝的分析軟件進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析，得到砂粒質(zhì)量與監(jiān)測(cè)信號(hào)之間的關(guān)系［9］。

試驗(yàn)裝置如圖3所示，根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了自然狀態(tài)下監(jiān)測(cè)信號(hào)與砂粒粒徑、砂粒質(zhì)量、撞擊速度等砂粒撞擊參數(shù)之間的關(guān)系，驗(yàn)證了振動(dòng)監(jiān)測(cè)的可行性。

圖3 砂粒撞擊試驗(yàn)裝置

3 出砂監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

3.1 非植入式稠油出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

出砂模擬試驗(yàn)裝置如圖4所示，主要由出砂監(jiān)測(cè)控制柜、油砂混合罐、變量柱塞泵、靶式流量計(jì)、加熱裝置以及信號(hào)采集系統(tǒng)等組成。振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)主要包括采集儀、振動(dòng)信號(hào)傳感器和計(jì)算機(jī)采集軟件等。

圖4 出砂監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)

在油砂混合罐中加入一定體積的稠油，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用殼牌高品質(zhì)耐磨齒輪油來(lái)代替稠油，然后分別加入不同粒徑及不同含砂量的砂粒，來(lái)模擬油井生產(chǎn)時(shí)不同含砂量的出砂狀況。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)流量計(jì)監(jiān)測(cè)攜砂流速，通過(guò)加熱裝置控制流體黏度，通過(guò)高頻振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)出砂信號(hào)。

非植入式出砂監(jiān)測(cè)設(shè)備傳感器直接貼在管壁上，與植入式相比監(jiān)測(cè)信號(hào)弱，因此需要模擬流體在管道中的流動(dòng)，得到傳感器最佳安裝位置。通過(guò)FLUENT模擬，得到流體在彎頭處的流動(dòng)情況如圖5所示?？梢钥闯觯涸趶濐^后2～3倍管徑長(zhǎng)度下游處，流體的流動(dòng)速度達(dá)到最大，砂粒撞擊管壁的速度也最大。傳感器安裝在此位置，理論上可以感應(yīng)到最大的振動(dòng)信號(hào)［10］。

圖5 彎頭處流體速度云圖

3.2 不同含砂量下出砂監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)流體選用殼牌的高黏度齒輪油作為攜砂流體，選用120目石英砂作為試驗(yàn)砂樣，溫度維持為32℃，調(diào)節(jié)泵排量為0.16L／s，管道中流速為0.45 m／s，含砂量設(shè)定為無(wú)砂、0.3‰、0.5‰、0.7‰、1‰、2‰、3‰、4‰、5‰。

3.2.1 不同含砂量下出砂監(jiān)測(cè)時(shí)域分析

根據(jù)出砂振動(dòng)信號(hào)的分析處理方法，分別對(duì)不同含砂量條件下采集的出砂監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，得到各含砂量情況下的信號(hào)時(shí)域如圖6所示［11］。時(shí)域處理得到的各含砂量情況下出砂信號(hào)特征值如表1所示。

圖6 各含砂量下監(jiān)測(cè)信號(hào)時(shí)域

表1 不同含砂量下的信號(hào)時(shí)域特征值統(tǒng)計(jì)

由表1中數(shù)據(jù)可得到砂監(jiān)測(cè)信號(hào)的最大時(shí)域幅值、均方根值與含砂量的關(guān)系曲線，如圖7所示。由圖7可以看出：隨著含砂量的增加，出砂監(jiān)測(cè)信號(hào)的時(shí)域幅值及均方根值等信號(hào)特征值逐漸增大，并且規(guī)律明顯，基本呈線性關(guān)系。

圖7 信號(hào)時(shí)域特征值與含砂量的關(guān)系曲線

3.2.2 不同含砂量下出砂監(jiān)測(cè)頻域分析

分別對(duì)不同含砂量條件下采集的出砂監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行自功率譜密度分析，得到各含砂量下信號(hào)自功率譜密度圖，如圖8所示［12］。處理得到各含砂量試驗(yàn)條件下出砂監(jiān)測(cè)信號(hào)的自功率譜能量統(tǒng)計(jì)如表2所示。

圖8 各含砂量下監(jiān)測(cè)信號(hào)自功率譜圖

由表2中數(shù)據(jù)，可得出砂監(jiān)測(cè)信號(hào)的自功率譜幅值與含砂量的關(guān)系曲線，如圖9所示。由圖9可看出：隨著含砂量的增加，出砂監(jiān)測(cè)信號(hào)的自功率譜能量逐漸增大，并且規(guī)律明顯，且基本呈線性。

圖9 信號(hào)頻域特征值與含砂量的關(guān)系曲線

表2 不同含砂量下的信號(hào)頻域特征值統(tǒng)計(jì)

3.3 其他條件下出砂監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

1） 不同流速下出砂監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。選用120目石英砂作為試驗(yàn)砂樣，溫度維持為32℃，含砂量為1‰，調(diào)節(jié)泵排量。通過(guò)試驗(yàn)得到：出砂監(jiān)測(cè)信號(hào)的時(shí)域幅值、方差值、均方根值等時(shí)域特征信號(hào)和自功率譜能量均隨含砂量的增大而增大，而且規(guī)律明顯。

2） 不同砂粒粒徑下出砂監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。溫度維持為32℃，調(diào)節(jié)泵排量為0.16L／s，含砂量為1‰，依次選擇砂粒目數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)得到：出砂監(jiān)測(cè)信號(hào)的時(shí)域幅值、方差值、均方根值等時(shí)域特征信號(hào)和自功率譜能量均隨砂樣目數(shù)的增大而減小，而且規(guī)律明顯。

3） 不同油樣黏度下出砂監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。調(diào)節(jié)泵排量為0.16L／s，含砂量為1‰，砂粒目數(shù)確定為150目，依次調(diào)整溫度。通過(guò)試驗(yàn)得到出砂監(jiān)測(cè)信號(hào)的時(shí)域幅值、方差值、均方根值等時(shí)域特征信號(hào)和自功率譜能量均隨油樣溫度的增大而增大，而且規(guī)律明顯。

4 結(jié)論

1） 提出了一種基于振動(dòng)信號(hào)分析的非植入式稠油井出砂監(jiān)測(cè)方法，建立了一套室內(nèi)稠油出砂監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置以及基于高頻振動(dòng)的信號(hào)采集系統(tǒng)。

2） 通過(guò)設(shè)計(jì)在不同含砂量、不同流速、不同砂粒粒徑、不同油樣黏度下的稠油出砂試驗(yàn)，得到了監(jiān)測(cè)信號(hào)與信號(hào)時(shí)頻特征值之間的關(guān)系，驗(yàn)證了在室內(nèi)試驗(yàn)條件下稠油出砂信號(hào)監(jiān)測(cè)的有效性，為現(xiàn)場(chǎng)出砂評(píng)價(jià)提供了一種新的思路和理論依據(jù)。

［1］Dusseault M.Cold Production and enhanced oil recovery［J］.Journal of Canadian Petroleum Technology，1993，32（9）：16－18.

［2］Penberthy W L，Shaughnessy C M.Sand Control［R］.SPE Series on Special Topics，Volume1.1992.

［3］Marndouh M Salarna.Sand Production Management［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，SPE－8900－MS，1998－05.

［4］耿瑞平，李相方.油氣井出砂信號(hào)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與處理［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2003，11（9）：655－657.

［5］Dag A Aldal，Geir Instanes，Tonje Dahl.Sand Management by Using Ultrasonic Systems at Deep and Ultra Deepwater Installations［C］／／Proceedings of the SPE 13th Middle East Oil Show ＆ Conference，SPE－81439，2003.

［6］Braaten，Nils A，Blakset，et al.Experience From Topside and Subsea Use of The Erosion Based Sand Monitoring System［C］／／SPE Annual Technical Conference and Exhibition，SPE－30644－MS，1995.

［7］張玉華，馬旭波.MATLAB在信號(hào)分析與處理中的應(yīng)用［J］.電力學(xué)報(bào)，2008，23（6）：485－487.

［8］胡麗瑩，肖 蓬.快速傅里葉變換在頻譜分析中的應(yīng)用［J］.福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，27（4）：27－30.

［9］劉 剛，陳 超，韓金良，等.液固兩相流聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)［J］.振動(dòng)與沖擊，2012，31（22）：178－182.

［10］江 山，張京偉，吳崇健.基于FLUENT的900圓形彎管內(nèi)部流場(chǎng)分析［J］.中國(guó)艦船研究，2008，3（1）：37－41.

［11］劉 剛，楊全枝，陳 超，等.基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的井眼防碰特征信號(hào)識(shí)別［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（11）：1－5.

［12］馬 坤，郭 強(qiáng)，戴建飛，等.分布式光纖測(cè)井技術(shù)在稠油開采中的應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（2）：45－48.