回聲法監(jiān)測(cè)油井動(dòng)液面影響因素分析與對(duì)策

皇甫王歡,張乃祿,范琳龍,黃偉,李偉強(qiáng),關(guān)靜

1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院（陜西西安710065）2.西安海聯(lián)石化科技有限公司（陜西西安710065）

■質(zhì)量

回聲法監(jiān)測(cè)油井動(dòng)液面影響因素分析與對(duì)策

皇甫王歡1,張乃祿1,范琳龍2,黃偉2,李偉強(qiáng)1,關(guān)靜1

1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院（陜西西安710065）2.西安海聯(lián)石化科技有限公司（陜西西安710065）

回聲法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)油井動(dòng)液面是數(shù)字化與智能化油田建設(shè)的一項(xiàng)新技術(shù)，已逐步在各大油田推廣應(yīng)用?；芈暦ㄊ抢么温暡ㄔ谟凸芘c套管之間的環(huán)形空間傳播，遇到液面時(shí)產(chǎn)生反射信號(hào)的原理進(jìn)行連續(xù)測(cè)量動(dòng)液面，由于油井生產(chǎn)與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等復(fù)雜性，嚴(yán)重影響該方法監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。結(jié)合回聲法測(cè)量原理與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，從監(jiān)測(cè)原理、監(jiān)測(cè)儀器、油井井況3個(gè)方面，分析影響回聲法監(jiān)測(cè)油井動(dòng)液面的主要因素，并提出解決對(duì)策，以提高回聲法監(jiān)測(cè)動(dòng)液面的準(zhǔn)確性和可靠性。

回聲法；動(dòng)液面；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；影響因素

隨著數(shù)字化與智慧化油田建設(shè)的逐步推進(jìn)，油井動(dòng)液面實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是油田生產(chǎn)智能化提升與完善的重要內(nèi)容。目前，動(dòng)液面實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)最常用和最有效的方法是回聲法，已在各主力油田推廣應(yīng)用，特別在“三低油田”深度開發(fā)和油井高效低成本生產(chǎn)，逐步取得顯著效果。但是，由于油井實(shí)際生產(chǎn)過程與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，給回聲法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)油井動(dòng)液面的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性帶來很大影響，油套環(huán)空內(nèi)次聲波聲速變化、液面反射回波時(shí)間以及監(jiān)測(cè)儀器、油井井況等因素對(duì)回聲法監(jiān)測(cè)動(dòng)液面有較大影響。結(jié)合回聲法動(dòng)液面監(jiān)測(cè)儀的研制和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，從監(jiān)測(cè)原理、監(jiān)測(cè)儀器、油井井況3個(gè)方面對(duì)影響回聲法監(jiān)測(cè)油井動(dòng)液面的因素進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)對(duì)策，提高回聲法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)油井動(dòng)液面的準(zhǔn)確性和可靠性[1]，為油井生產(chǎn)開發(fā)智能化油田建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 回聲法監(jiān)測(cè)油井動(dòng)液面原理

回聲法監(jiān)測(cè)油井動(dòng)液面是利用次聲波在油管與套管之間的環(huán)形空間傳播，遇到液面時(shí)產(chǎn)生反射信號(hào)的原理進(jìn)行連續(xù)測(cè)量動(dòng)液面，其原理如圖1所示。

圖1 回聲法監(jiān)測(cè)油井動(dòng)液面原理

當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的監(jiān)測(cè)采樣時(shí)間或收到測(cè)量命令時(shí)，若套壓值＜0.25MPa，監(jiān)測(cè)儀氣爆發(fā)生單元利用外接氣泵加壓，由電磁閥放氣產(chǎn)生次聲波；若套壓值≥0.25MPa，監(jiān)測(cè)儀氣爆發(fā)生單元利用套管壓力，由電磁閥放氣產(chǎn)生次聲波。次聲波沿油管與套管之間的環(huán)形空間向下傳播過程中，遇到油管接箍、液面時(shí)發(fā)生反射，反射波由微音器接收，經(jīng)回波檢測(cè)單元處理后壓縮存儲(chǔ)至主控制器[2]。壓縮后的數(shù)據(jù)同套壓、儀器自身參數(shù)等通過GPRS網(wǎng)絡(luò)送至監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)解壓，并進(jìn)行模型算法計(jì)算，其核心是通過油管接箍回波計(jì)算油井的環(huán)空實(shí)際聲速，提取液面回波并通過算法得到液面回波時(shí)間，從而計(jì)算出動(dòng)液面深度值。動(dòng)液面監(jiān)測(cè)儀實(shí)際測(cè)量范圍通常為200～3 000 m，測(cè)量誤差在0.2%～0.5%之間，監(jiān)測(cè)儀在實(shí)際應(yīng)用中，受油井生產(chǎn)工況和環(huán)境狀況影響較大。

2 油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)影響因素分析與對(duì)策

2.1 監(jiān)測(cè)原理因素

2.1.1 監(jiān)測(cè)原理因素影響分析

回聲法通過識(shí)別較清晰的油管接箍回波得到次聲波傳播的平均聲速-v=2N·h/t1，其中，N為油管接箍回波中選取的接箍波個(gè)數(shù)，h為油管長(zhǎng)度，一般取9.6m，t1為次聲波到達(dá)選取點(diǎn)所用時(shí)間。結(jié)合液面回波時(shí)間t，由L=-v·t/2可算出油井動(dòng)液面深度L。通過分析可知，聲速和液面回波時(shí)間是影響動(dòng)液面監(jiān)測(cè)結(jié)果是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵因素[3]。

1）聲速提取的影響。在實(shí)際測(cè)量中，油套環(huán)形空間內(nèi)各處聲速大小并不相同，與套管內(nèi)溫度、壓力、密度等因素密切相關(guān)，識(shí)別時(shí)若以初始聲速作為平均聲速，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性；此外，由于井況復(fù)雜，有些接箍回波不呈周期性變化，通過接箍回波選取接箍數(shù)時(shí)產(chǎn)生誤差較大。實(shí)際測(cè)量中，某井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)儀所測(cè)回波中可清楚看到動(dòng)液面位置，但接箍回波放大后波形雜亂，不呈周期性變化，且接箍數(shù)不易識(shí)別，如圖2所示，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 某井接箍波放大后不易識(shí)別回波曲線

2）液面回波時(shí)間的影響。正常情況下，無噪聲時(shí)信號(hào)較強(qiáng)，液面回波較明顯，可清楚看到動(dòng)液面的位置，從而確定液面回波時(shí)間[4]。但油井生產(chǎn)與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境異常復(fù)雜，產(chǎn)生的噪聲遠(yuǎn)大于信號(hào)強(qiáng)度，常常出現(xiàn)液面回波不易辨識(shí)的情況，如圖3所示，無法辨識(shí)到液面波位置，從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 某井液面位置不易識(shí)別回波曲線

2.1.2 監(jiān)測(cè)原理因素解決對(duì)策

1）聲速提取因素的對(duì)策。①根據(jù)接箍回波特點(diǎn)，首先對(duì)回波進(jìn)行帶通濾波，得到清晰的接箍回波，然后選取盡可能多的接箍回波計(jì)算平均聲速，減少計(jì)算所產(chǎn)生的誤差；②由于同一地區(qū)套管內(nèi)聲速變化規(guī)律基本一致，可先計(jì)算出同一地區(qū)每個(gè)井前10節(jié)油管相應(yīng)區(qū)段內(nèi)的平均聲速，然后采用曲線擬合的方法，得到反映聲速變化規(guī)律的擬合公式，由此公式計(jì)算可出套管內(nèi)任意位置處的聲速[5]，提高動(dòng)液面計(jì)算的準(zhǔn)確性；③采用基于短時(shí)自相關(guān)函數(shù)(ACF)的聲速計(jì)算方法，即利用自相關(guān)函數(shù)的周期識(shí)別能力，對(duì)接箍波數(shù)據(jù)進(jìn)行分幀處理，通過第1峰值點(diǎn)求取該幀接箍波的時(shí)間間隔，隨后再根據(jù)采樣周期和油管長(zhǎng)度計(jì)算出該幀接箍波對(duì)應(yīng)區(qū)段內(nèi)的聲速，通過增加幀長(zhǎng)和采樣頻率可提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2）液面回波時(shí)間因素的對(duì)策。①對(duì)油套環(huán)空中噪聲進(jìn)行分析，根據(jù)小波變換的多分辨率特性，利用小波閾值去噪方法對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，從處理后的回波曲線中可清楚地辨識(shí)出動(dòng)液面的位置；②通過分析信號(hào)頻譜與噪聲頻譜的區(qū)別，選擇合適窗長(zhǎng)的窗函數(shù)進(jìn)行濾波，并對(duì)信號(hào)做加強(qiáng)處理，可清楚看到動(dòng)液面的位置，進(jìn)而確定液面回波時(shí)間，提高動(dòng)液面測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2.2 監(jiān)測(cè)儀器因素

2.2.1 監(jiān)測(cè)儀器因素影響分析

1）微音器作為采集聲音信號(hào)的關(guān)鍵器件，在動(dòng)液面測(cè)試過程中起著決定性作用。但井場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，油套環(huán)形空間內(nèi)溫度、壓力的變化，腐蝕氣體等都會(huì)影響微音器靈敏度，導(dǎo)致回波曲線無法識(shí)別出接箍波和液面波，影響動(dòng)液面測(cè)量的可靠性；此外，由于每口井深度不同，微音器所采集的回波信號(hào)幅度各不相同，對(duì)于較深井，幅度較小時(shí)無法識(shí)別出接箍波和液面波，從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2）動(dòng)液面監(jiān)測(cè)儀通過控制電磁閥閥門打開，氣體流動(dòng)產(chǎn)生次聲波，不同通徑的電磁閥對(duì)套壓大小范圍要求不同。套壓過大或外接氣泵加壓時(shí)間過長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致電磁閥閥門無法正常打開，影響動(dòng)液面監(jiān)測(cè)儀的可靠性。

2.2.2 監(jiān)測(cè)儀器因素解決對(duì)策

1）微音器影響的對(duì)策。①選取測(cè)井專用微音器進(jìn)行動(dòng)液面測(cè)量，其靈敏度較高，可耐高、低溫，耐高、低壓，耐腐蝕性，能適應(yīng)井場(chǎng)各種復(fù)雜環(huán)境；②對(duì)于較深井，當(dāng)微音器所采集的回波信號(hào)幅度較小時(shí)，可通過手機(jī)遠(yuǎn)程設(shè)置放大倍數(shù)，增大回波曲線幅度，從而清晰識(shí)別出接箍波和液面波，提高動(dòng)液面測(cè)量的準(zhǔn)確度。

2）電磁閥影響的對(duì)策。①電磁閥的選?。簾o套壓或套壓＜1MPa油井時(shí)選取0～1MPa的常規(guī)閥；當(dāng)1MPa≤套壓＜2MPa時(shí)選取0～2MPa的高壓閥；當(dāng)2MPa≤套壓＜3MPa時(shí)選取0～3MPa的高壓閥；當(dāng)套壓≥3MPa時(shí)選取0～5MPa超高壓閥。②通過手機(jī)遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)，適當(dāng)減小外接氣泵加壓時(shí)長(zhǎng)，可使流過電磁閥的氣體壓力減小，從而保證電磁閥正常工作，提高動(dòng)液面測(cè)量的可靠性。

2.3 油井井況因素

2.3.1 油井井況因素影響分析

1）油套環(huán)形空間內(nèi)雜物的影響。對(duì)于油套環(huán)形壁上存在雜物的油井，在動(dòng)液面測(cè)量過程中，次聲波會(huì)在此發(fā)生反射，降低了聲波傳播能量，且液面曲線上產(chǎn)生假液面反射波，導(dǎo)致真實(shí)液面處反射波不明顯，如圖4所示。

圖4 油套環(huán)空有雜物時(shí)出現(xiàn)假液面回波曲線

主要原因有：①油井結(jié)蠟或死油。原油從井底上升到井口流動(dòng)過程中，由于其壓力和溫度逐漸降低，當(dāng)溫度和壓力降低到蠟析出點(diǎn)時(shí)，蠟從原油中析出，黏附在油套環(huán)形壁上，導(dǎo)致動(dòng)液面測(cè)量時(shí)出現(xiàn)假液面。②清蠟劑的影響。對(duì)于結(jié)蠟井采用化學(xué)清蠟劑，由于有黏稠性，從套管向井內(nèi)注入清蠟劑時(shí)可能會(huì)在某處形成“環(huán)空液柱”，動(dòng)液面在測(cè)量過程中遇到此處同樣會(huì)出現(xiàn)假液面，導(dǎo)致測(cè)試失敗。

2）井口套管壓力變化的影響。動(dòng)液面內(nèi)爆監(jiān)測(cè)儀利用套管壓力與大氣壓差爆破產(chǎn)生次聲波，對(duì)套管無壓力或壓力較低井，產(chǎn)生的次聲波能量較低，且次聲波在油套環(huán)形空間傳播時(shí)衰減較快，微音器接收不到反射波或接收的反射波無法識(shí)別出液面波，如圖5所示，造成測(cè)試失敗。

圖5 套管無壓力或壓力低時(shí)回波曲線

主要原因有：①球閥未關(guān)閉。在實(shí)際開采過程中，為提升低滲透油井的產(chǎn)液量，油田普遍采用打開球閥放壓的方式來提升液面，且放壓后未及時(shí)關(guān)閉球閥，造成井口套管無壓力或壓力低，導(dǎo)致內(nèi)爆監(jiān)測(cè)儀測(cè)試失敗。②套管漏氣。動(dòng)液面監(jiān)測(cè)儀要求井筒密封性保持良好，可減少能量在井口的損失。由于聲波能量在傳播過程中隨井深增加逐漸衰減，若能量在井口損失過大，液面波很難反射回來，即使反射回來也會(huì)不明顯，導(dǎo)致看不到清晰的液面波。③油井加藥。為清除套管內(nèi)雜物，油井會(huì)不定時(shí)進(jìn)行加藥，加藥會(huì)導(dǎo)致套壓逐漸降低，內(nèi)爆監(jiān)測(cè)儀無法利用套管壓力爆破產(chǎn)生次聲波，導(dǎo)致測(cè)試失敗。④油井自身無壓力。部分油井自身套管無壓力或壓力偏低。

3）抽油機(jī)機(jī)械震動(dòng)和桿管偏磨的影響。抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生周期性的機(jī)械震動(dòng)及桿管偏磨時(shí)的井口震動(dòng)，所產(chǎn)生的激動(dòng)波對(duì)動(dòng)液面測(cè)量干擾較大，導(dǎo)致回波曲線零亂，如圖6所示，無法識(shí)別出動(dòng)液面的位置。影響桿管偏磨的因素有抽吸參數(shù)、生產(chǎn)參數(shù)（沖程、沖次、沉沒度）、產(chǎn)出液（含水率、稠油或聚合物）、井斜、桿管彈性收縮、油井結(jié)蠟等。

圖6 抽油機(jī)機(jī)械震動(dòng)或桿管偏磨時(shí)回波曲線

2.3.2 油井井況因素解決對(duì)策

1）油套環(huán)形空間內(nèi)雜物影響的對(duì)策。①對(duì)于油井結(jié)蠟或死油的井，一般采用熱水洗井法，清潔管壁，排除臟物干擾；對(duì)于結(jié)蠟嚴(yán)重的井需定期加清蠟劑，再進(jìn)行測(cè)量；②對(duì)清臘劑形成的“環(huán)形液柱”，一般用泵車向套管內(nèi)注入適量液體沖開“環(huán)空液柱”即可。

2）井口套管壓力變化影響的對(duì)策。①若球閥未關(guān)閉則及時(shí)關(guān)閉球閥，一般為保證內(nèi)爆監(jiān)測(cè)儀可以正常工作，且不影響油井采油效率，油田生產(chǎn)管理人員需積極配合動(dòng)液面測(cè)試工作，保證套壓在0.2～2.5MPa之間，每次放壓后須及時(shí)關(guān)閉球閥，保證內(nèi)爆監(jiān)測(cè)儀可正常測(cè)量；②現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)若發(fā)現(xiàn)套管漏氣現(xiàn)象須及時(shí)向油田管理人員反映，并及時(shí)進(jìn)行維修，保證動(dòng)液面監(jiān)測(cè)儀的正常運(yùn)行；③加藥后須及時(shí)關(guān)閉球閥，一段時(shí)間后套壓回升，內(nèi)爆監(jiān)測(cè)儀可以正常工作，并準(zhǔn)確測(cè)出動(dòng)液面波形；④對(duì)油井自身無壓力井，選擇外爆監(jiān)測(cè)儀，利用外接氣泵加壓爆破產(chǎn)生次聲波進(jìn)行測(cè)量。

3）抽油機(jī)機(jī)械震動(dòng)和桿管偏磨影響的對(duì)策。①進(jìn)行短暫停抽測(cè)試，協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)工作人員，對(duì)抽油機(jī)短暫停抽20min，排除干擾，取得合理的動(dòng)液面資料；②對(duì)桿管偏磨的井，通過桿管防磨涂層、桿管旋轉(zhuǎn)及各種扶正器、防偏抽油泵、加緩蝕劑等方法降低偏磨程度，減小桿管偏磨對(duì)動(dòng)液面測(cè)量的影響[6]。

3 結(jié)論

1）回聲法是動(dòng)液面實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)最常用和最有效的方法，但油井實(shí)際生產(chǎn)與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，影響回聲法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)動(dòng)液面準(zhǔn)確性和可靠性的因素很多。

2）回聲法監(jiān)測(cè)油井動(dòng)液面原理、監(jiān)測(cè)儀器、油井井況等因素是影響回聲法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)油井動(dòng)液面準(zhǔn)確性和可靠性的主要因素，可通過方法優(yōu)化、定時(shí)校準(zhǔn)、強(qiáng)化管理和維護(hù)等對(duì)策解決，為油井生產(chǎn)開發(fā)智能化與智慧化油田提供準(zhǔn)確的動(dòng)液面數(shù)據(jù)。

[1]張乃祿,趙岐,賀安武,等.示功圖法計(jì)算油井產(chǎn)液量的影響因素[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,26(4)：53-55.

[2]Huaigang Zang,Baojun Zhao,Tao Ran.A new kind of intelligent ultrasonic liquid level apparatus with the long measure range and short blind zone[J].Chinese Journal of Science Instrument,2006,27(6)：638-642.

[3]Minjuan Zhang,Shiwei Li.A method of the untouched ultrasonic liquid level measurement with high precision[J].International Conference on Computer Application and System Modeling,2010,7(10)：144-147.

[4]林中雨,王東明,段文.液面測(cè)試儀的計(jì)量量傳溯源技術(shù)與方法初探[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2016,32(5)：15-17.

[5]周家新,王長(zhǎng)松,汪建新,等.抽油井套管內(nèi)聲速變化規(guī)律分析[J].聲學(xué)技術(shù),2007,26(4)：642-645.

[6]李健康,郭益軍,謝文獻(xiàn).有桿泵井管桿偏磨原因分析及技術(shù)對(duì)策[J].石油機(jī)械,2000,28(6)：32-34.

The real-time dynamic monitoring of liquid level in oil well by echo method is a new technology for the construction of digital and intelligent oilfield,and it has been gradually popularized and applied in various oilfields.The principle of the echo method is for infrasonic wave to propagate in the annular space between tubing and casing,and to produce reflection signal when it encounters liquid level so as to realize continuous measurement of liquid level.But the complexity of oil well conditions and site environment seriously affects the accuracy and reliability of monitoring the dynamic liquid surface of oil wells by the method.The main factors of influencing the echo method to monitoring the dynamic liquid level of oil well are analyzed from the 3 aspects of monitoring principle,monitoring equipment and well conditions,and some countermeasures are put forward in order to improve the accuracy and reliability of the dynamic monitoring of liquid level by the echo method.

echo method;dynamic liquid level;real-time monitoring;influencing factor

左學(xué)敏

2017-05-08

陜西省重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧油田應(yīng)用系統(tǒng)”（編號(hào)：2014ZKC（一）03-02）。

皇甫王歡（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛蜌饩聹y(cè)控技術(shù)及儀器。