多通道油氣井出砂在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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(jīng)常遇到的問題，出砂會(huì)侵蝕輸油管壁，損毀采收設(shè)備，嚴(yán)重出砂引起地穴虧空，地層塌陷，導(dǎo)致油井報(bào)廢。因此，出砂不僅增加開采，維護(hù)成本，降低采收率，而且易引起安全事故。利用ARM聯(lián)合AD7656對(duì)油井氣出砂信號(hào)進(jìn)行多通道采集，通過對(duì)出砂信號(hào)進(jìn)行特性分析，并對(duì)出砂信號(hào)進(jìn)行降噪處理，根據(jù)分析處理后的信號(hào)特性，用來實(shí)時(shí)高效監(jiān)測(cè)油氣井出砂狀況，為作業(yè)人員提供出砂信息，及時(shí)調(diào)整開采方案。

關(guān)鍵詞：油氣井出砂；ARM；AD7656；多通道采集；特性分析；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(fā)過程的不斷深入以及開發(fā)力度的不斷加大，油氣井出砂問題愈發(fā)引起油氣井作業(yè)人員的重視，油氣井適量出砂可以提高油氣產(chǎn)量，但過度出砂會(huì)導(dǎo)致設(shè)備堵砂累砂，加速設(shè)備磨損，嚴(yán)重出砂易引起套管周圍地層虧空坍塌，致使油氣井報(bào)廢，危害作業(yè)人員安全。針對(duì)油氣井出砂，主要的監(jiān)測(cè)方法有ER監(jiān)測(cè)法、X射線監(jiān)測(cè)法、超聲波監(jiān)測(cè)法。ER監(jiān)測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量簡(jiǎn)單、適用范圍廣，缺點(diǎn)是壽命短、監(jiān)測(cè)延遲。X射線監(jiān)測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是適于出砂量較大的油井，可監(jiān)測(cè)儲(chǔ)層崩塌時(shí)大量出砂情況，缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜。超聲波監(jiān)測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量效果好，探頭安裝便捷，缺點(diǎn)是測(cè)量精度會(huì)受到外置式探頭的影響。在分析出砂信號(hào)特性的基礎(chǔ)上，本文提出了多通道油氣井出砂在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。綜合考慮多通道出砂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)采集通道靈活可變特點(diǎn)，選用ARM聯(lián)合AD7656-1及其外圍電路構(gòu)成多通道油氣井出砂在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)出砂信號(hào)進(jìn)行多通道采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換和傅里葉變換，最終通過上位機(jī)顯示井下有效的出砂信息，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)井下出砂狀況的掌握，及時(shí)為作業(yè)人員提供實(shí)時(shí)信息，調(diào)整開采方案。多通道油氣井出砂在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅靈活應(yīng)用于單井或叢式井，而且利用ARM處理數(shù)據(jù)能力也大大提升，滿足油田數(shù)字化，高效化的要求。

1 出砂信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理與特性分析

1.1 信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理

油氣井開采作業(yè)過程中，出砂是指地層中的砂粒隨著油氣流體從地層中運(yùn)移出來的現(xiàn)象。引起油氣井出砂的因素主要分為兩個(gè)方面：地質(zhì)因素和人為因素，地質(zhì)因素包括地層膠結(jié)物含量及分布，膠結(jié)類型，成巖壓實(shí)作用和地質(zhì)年代等，人為因素包括開采技術(shù)與速度，管理方式等。當(dāng)油氣流體攜帶砂粒在油管中運(yùn)移，油氣流體滿足一定的流速、流量，砂粒自身具有一定的質(zhì)量與速度時(shí)，具有動(dòng)能的砂粒撞擊管壁會(huì)產(chǎn)生超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)以機(jī)械能形式在管壁中傳播。

1.2 出砂信號(hào)影響因素

出砂信號(hào)屬于動(dòng)態(tài)、隨機(jī)、脈沖信號(hào)。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(fù)雜。因此，假設(shè)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(gè)質(zhì)點(diǎn)，根據(jù)牛頓第二定律，在氣砂或油砂兩相流中，砂粒在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)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(zhì)量的砂粒所受到的流體阻力；[F]為質(zhì)量對(duì)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(dòng)力粘度；[Re]為相對(duì)雷諾數(shù)；[CD]為阻力系數(shù)；[gx]為重力加速度。當(dāng)砂粒運(yùn)動(dòng)到彎管處撞擊管壁時(shí)砂粒的運(yùn)動(dòng)公式由式（1）變?yōu)?/p>

[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(nèi)流體性質(zhì)、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(guān)系，且不是一個(gè)固定值。當(dāng)流體速度大于臨界速度時(shí)砂粒有撞擊管壁的幾率，當(dāng)流體速度小于臨界速度時(shí)，砂粒被流體牽制從而不能撞擊管壁。因此，對(duì)出砂信號(hào)影響因素主要包括流體性質(zhì)、流體速度、砂粒直徑。

1.3 出砂信號(hào)特性分析

油氣流體裹攜砂粒在輸油管道中運(yùn)移時(shí)，砂粒在輸油管道彎肘處會(huì)隨流體改變運(yùn)動(dòng)方向，砂粒會(huì)因?yàn)閼T性會(huì)集中撞擊管壁彎肘某一處，利用超聲波監(jiān)測(cè)法，利用傳感器的壓電陶瓷效應(yīng)，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(chǎn)生的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。圖1是出砂信號(hào)波形圖。

圖1 出砂信號(hào)波形圖

出砂信號(hào)是動(dòng)態(tài)、隨機(jī)的脈沖信號(hào)，屬于振動(dòng)頻率高于20kHz的超聲波信號(hào)。超聲波在固體和液體中的衰減很小，穿透能力強(qiáng)，尤其是對(duì)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(cè)技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，利用超聲波監(jiān)測(cè)法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)出砂信號(hào)的采集分析處理。我們發(fā)現(xiàn)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(qiáng)，因此我們將傳感器安置在管壁彎肘處采集出砂信號(hào)具有最好的效果。

2 設(shè)計(jì)多通道出砂在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 設(shè)計(jì)思路

當(dāng)油氣流體速度，砂粒質(zhì)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(yùn)移時(shí)，流體裹挾砂粒會(huì)在油管彎頭管壁處發(fā)生碰撞，砂粒碰撞管壁產(chǎn)生超聲波信號(hào)。固定在套管外壁的傳感器將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)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(jī)顯示，供作業(yè)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，調(diào)整開采方案。

2.2 系統(tǒng)示意圖

出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為三個(gè)部分，第一部分是砂粒撞擊管壁產(chǎn)生超聲波信號(hào)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的信號(hào)轉(zhuǎn)換部分；第二部分是信號(hào)采集和處理分析電路部分，對(duì)采集的出砂信號(hào)進(jìn)行放大，濾波后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；第三部分是處理后的信號(hào)通過串口發(fā)送至上位機(jī)顯示部分，顯示的信息包括瞬時(shí)出砂率，出砂量等。

圖2-1 出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖2-2 多通道油氣井監(jiān)測(cè)示意圖

3 出砂算法

當(dāng)砂粒撞擊金屬固體物時(shí)，比如石油管壁，在金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)高頻的聲波振動(dòng)信號(hào)。信號(hào)很容易穿透管壁本身，而在周圍的空氣中則會(huì)很快衰減。所以可以通過在該區(qū)域附近固定一個(gè)傳感器來檢測(cè)這個(gè)信號(hào)。由于傳感器不受空氣中其他振動(dòng)噪聲的影響，因此可以通過管壁測(cè)量的出砂信號(hào)作為出砂量結(jié)果的分析依據(jù)，我們根據(jù)出砂信號(hào)的理論模型，推導(dǎo)出流體速度，與氣流量與液流量[Ql]之間滿足以下關(guān)系式：

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

瞬時(shí)出砂量滿足下列關(guān)系式：

S是瞬時(shí)出砂量，單位：g；Y是原始采集數(shù)據(jù)；[σ]是原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差；K是標(biāo)準(zhǔn)差修正系數(shù)（根據(jù)噪聲情況給定）；N是原始數(shù)據(jù)擬合值（程序自動(dòng)求?。〤是校正系數(shù)，單位：gm2/s2（標(biāo)定）。

4 試驗(yàn)分析

4.1 測(cè)試模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)采集和處理分析電路部分是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，在系統(tǒng)整體測(cè)試之前，我們先對(duì)這一部分進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，確保模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊的可行性。首先我們先采用定值模擬信號(hào)作為輸入，在軟件程序中將模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果通過在計(jì)算機(jī)上通過串口助手打印出來，驗(yàn)證模數(shù)轉(zhuǎn)換硬件電路和軟件程序的正確性。采用將標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)源輸出信號(hào)作為模擬輸入信號(hào)，通過串口助手查看轉(zhuǎn)換結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)精度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.最大測(cè)量誤差為3mv，結(jié)果表明模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊具有穩(wěn)定的測(cè)量線性和很高的精準(zhǔn)度，完全能夠應(yīng)用于油氣井出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

2017年8月14日至9月4日，運(yùn)用多通道油氣井出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)慶油田蘇東33-22H1等井同時(shí)進(jìn)行多通道監(jiān)測(cè)，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(shí)累計(jì)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(jì)出砂量為14.0036g，此井只在測(cè)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(shí)累計(jì)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(cè)試過程中出現(xiàn)量值較大的瞬時(shí)出砂。

由出砂率曲線圖4-4可知該口井此井未出砂，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及后期對(duì)原始數(shù)據(jù)處理知監(jiān)測(cè)結(jié)果正確。

由出砂率曲線圖4-5可知該口井一小時(shí)累計(jì)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(nèi)瞬時(shí)出砂量大，出砂相對(duì)較多。

由出砂率曲線圖4-6可知該口井一小時(shí)累計(jì)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(jì)出砂量為8.3447g。

5 總結(jié)

多通道油氣井出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅安裝方便，可操作性好，而且價(jià)格相對(duì)國(guó)外單通道出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更便宜。通過多通道油氣井出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)記錄的數(shù)據(jù)，結(jié)合后期除砂器等設(shè)備測(cè)得數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，多通道油氣井出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠很好地在復(fù)雜的環(huán)境中，準(zhǔn)確對(duì)井下出砂狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)反映井下出砂狀況，能夠在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油氣井下出砂信息，可以同時(shí)對(duì)多口井同時(shí)進(jìn)行高效，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，滿足油田數(shù)字化，高效化的發(fā)展需求。

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（上接第261頁(yè)）

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