基于壓力波信源的環(huán)空液面測試方法

倪國強,劉湃,孫煬,劉貴強,王進修,張姿

(中國石油華北油田公司工程技術(shù)研究院,河北任丘062552)

0 引 言

油井液面深度測試工作在油田開發(fā)管理活動中占有重要地位,所提供的測試數(shù)據(jù)是掌握地層動態(tài)、確定采注方案的重要依據(jù)。目前油井液面深度測試基本上都是采用回聲測試方法[1-3],該方法應(yīng)用成熟。但由于它所依賴的高壓氣釋放聲源,需要外部氣體注入或者內(nèi)氣外排,這2種操作均不符合現(xiàn)場管理規(guī)程,且需另配氣瓶、連接管、表頭、閥門等高壓裝置,監(jiān)管手續(xù)繁瑣,攜帶、操作工作量大,設(shè)備配套成本高。其他環(huán)空液面測試方法,如物質(zhì)平衡方法[4]、示功圖計算法[5]、光纖測溫定位法[6]、井下壓力計測算法[7]等,也各自實現(xiàn)了有益的嘗試,但就應(yīng)用情況而言,遠未達到回聲測試技術(shù)所擁有的規(guī)模。

研究發(fā)現(xiàn),油井環(huán)空液面測試過程中真正有用的信源及信息載體是壓力波而非聲波,回聲測試之所以使用聲波做信號源,是借助它形成的源頭壓力波在環(huán)空傳播,并陸續(xù)反射出接箍波和液面波,從而得到有用的數(shù)據(jù)信息。由此得到啟發(fā),具有一定能量的壓力波可以取代聲波進行環(huán)空液面測試。

1 環(huán)空特性分析

油井環(huán)空是一個相對獨立的氣密體系(見圖1),由于機械采油和地層動態(tài)的影響,環(huán)空內(nèi)存在氣團涌動和熱交換,所以環(huán)空內(nèi)溫度、密度、氣體介質(zhì)混合程度可認為近似均勻。若從套管口向環(huán)空內(nèi)施加擾動壓力Δp,則環(huán)空內(nèi)的氣體會出現(xiàn)一個壓力、密度變化的界面向前運動,形成了向井底液面處傳播并反射的壓力波。

圖1 油井環(huán)空示意圖

壓力波是指流場中某一局部區(qū)域或某一點處發(fā)生的微小擾動傳遞到其他區(qū)域的波動傳播過程[8]。當(dāng)Δp>0時該壓力波以壓縮形式傳播;當(dāng)Δp<0時該壓力波以膨脹形式傳播。因推導(dǎo)微弱擾動傳播速度時并未指明擾動性質(zhì),所以聲速表達式對微弱壓縮波和微弱膨脹波都適用[9]。即,壓力波的傳播速度

(1)

式中,k為絕熱指數(shù);R為氣體常數(shù);T為絕對溫度。

壓力波進入油套環(huán)空的初始階段,波陣面能量比較集中,能夠穩(wěn)定地沿環(huán)形管道向井底傳播,有利于在遇到的接箍上形成明顯的接箍反射波。隨著傳播的繼續(xù),壓力波的能量逐步衰減,尤其是在靠近內(nèi)環(huán)柱面的油管外壁,因持續(xù)受到油管接箍的阻擋,致使邊界層的穩(wěn)定狀態(tài)逐漸被破壞,邊緣反射能力變差,加之環(huán)空構(gòu)造的低頻特性[10],高頻信號分量受到愈發(fā)嚴(yán)重的抑止,所以形成的接箍波越來越不規(guī)則,幅度越來越小,直至湮沒于背景雜波信號之中或趨于零電平。當(dāng)壓力波傳播至液面時遇到完全阻擋,在無泡沫層阻隔的情況下,壓力波將會形成完整清晰的液面反射波傳播至井口。

2 擾動壓力Δp的加入

2.1 動塞式回壓測試井口裝置

向環(huán)空注入壓力需符合現(xiàn)場工藝規(guī)程且要簡捷有效,為此設(shè)計了動塞式回壓測試井口裝置(見圖2)。測試時通過控制靜壓活塞向前或向后快速單向移動,對壓縮室及環(huán)空氣體進行擠壓或膨脹,便可在環(huán)空內(nèi)產(chǎn)生一個靜壓力變化的Δp信號,由此形成壓力波傳播與反射,壓感元件把接收到的回壓信號轉(zhuǎn)換為電壓信號傳送給測試儀器,完成測試工作。

圖2 井口回壓測試裝置示意圖

從聲波反射原理得知,平滑物面利于聲波反射。同理,信號波的波前平面效果越好,則信號波的界面反射效果越好。參考高壓噴射流場數(shù)值模擬的相關(guān)研究結(jié)果[11],可以看出,平面活塞擠壓波的波前平面效果優(yōu)于高壓氣釋放混合波的波前效果。借鑒上述理論及實踐經(jīng)驗,認為平面壓力波信號應(yīng)用于環(huán)空液面測試是可行的。

壓感元件接受轉(zhuǎn)換信號、測試儀數(shù)據(jù)采集處理等環(huán)節(jié),回壓測試與回聲測試完全通用,本文只討論源信號的產(chǎn)生方式與效果,該環(huán)節(jié)才是回壓測試與回聲測試2種方法的本質(zhì)區(qū)別所在。

2.2 Δp的延時問題

由于是以間歇式的機械動作生成壓力波,限制了Δp的生成速度,特別是在人工方式操作時,加入擾動壓力的動作從開始到結(jié)束所用的加壓延時Δt比較大,這與生成接箍及液面反射波的要求存在矛盾。擾動壓力波變化速率越慢越不利于形成清晰、精確的反射波,尤其是不利于生成接箍波,這將導(dǎo)致無法以接箍波作為標(biāo)尺去標(biāo)定回壓測試曲線的實際距離。所以擾動壓力的選擇應(yīng)以有利于形成均勻清晰的接箍波為目標(biāo),這就需要盡力加快擾動壓力信號的加入速度、減小加壓延時。

限定Δt的主要因素:環(huán)空波速c,經(jīng)驗值260～460 m/s;接箍間距(即油管長度)d,確定值9.6 m;液面波寬度w,經(jīng)驗值0.2～0.5 s。

理想的信號延時限定目標(biāo)

Δt

(2)

式中,d為接箍間距,確定值9.6 m;cmax為環(huán)空最大波速,經(jīng)驗取值460 m/s。

則Δt<0.02 s。

式(2)的含義:加壓延時需小于壓力波傳播1個接箍間距所用時間,這樣測試曲線就不會形成接箍波重疊的粘連、分叉現(xiàn)象。顯然,在間歇式機械動作方式下,加壓信號延時難以達到0.02 s這樣快的速度要求。

其實,式(2)中Δt的限定時間可以適當(dāng)延長。根據(jù)井口結(jié)構(gòu)和接箍分布,假設(shè)壓力波傳播1個接箍間距所用的時間為tL,考慮到有井口閥門短管存在,反映在測試曲線上,從發(fā)生Δp信號開始,至各個接箍波陸續(xù)返回所用時間:第1個接箍波,t1≥2tL;第2個接箍波,t2≥4tL;第3個接箍波,t3≥6tL;第n個接箍波,tn≥2ntL。

那么即使出現(xiàn)

Δt=6tL=6d/cmax=0.12 s

則Δt≤t3。

就是說在第3個接箍波到達時,加壓延時已經(jīng)截止或剛好截止,不會干擾到此后接箍波的生成。只要保證該Δt值不至于干擾液面波的形態(tài),并且還有一定數(shù)量的后續(xù)接箍波,就不影響數(shù)據(jù)計算以及測試結(jié)果的合理性。當(dāng)然,這是在不能達到更高的Δt目標(biāo)值時,退而求其次的選擇。所以,信號延時的另一限定目標(biāo)

Δt≤wmin/2

(3)

式中,wmin為最小液面波寬度,經(jīng)驗取值0.2 s。

則Δt≤0.1 s。

式(3)的含義:加壓延時不大于液面波寬度的一半。這樣的擾動信號既能生成較好的接箍及液面波,亦可避免出現(xiàn)自身干擾。如果加壓延時超過液面波周期的1/2,將可能導(dǎo)致液面波出現(xiàn)畸變,缺少周波形態(tài),被誤認為是意外干擾波而非液面波。一條接近正弦或余弦形態(tài)的周波曲線、或者一條看上去規(guī)則、自然的起伏波形曲線,才是液面波所應(yīng)具有的特征。

2.3 Δp的能量問題

波動信號能量的大小,不僅關(guān)系到接箍波形態(tài)和液面波幅度,更影響到測試距離。鑒于油井環(huán)空距離一般都在2 km左右,壓力波信號需要經(jīng)歷一個往返,才能把相應(yīng)的液面數(shù)據(jù)信息帶到井口由壓感元件接收。伴隨信號的傳播,阻力全程分布,導(dǎo)致源信號Δp的能量被持續(xù)衰減,如果壓力波信號的能量不足,在遇到液位較深的環(huán)空時,就有可能測不到液面數(shù)據(jù),因此,需要設(shè)法增加擾動壓力信號所含有的能量強度。

借鑒流體的波動性能研究中關(guān)于聲波速度及能量的公式推導(dǎo),前已述及式(1)對于聲波和壓力波的通用性。同樣,聲波的能量表達式也適用于壓力波。因此,擾動壓力波Δp的能量

(4)

式中,ΔE為擾動壓力波能量;V0為體積元;pA為壓力波振動幅值;ρ為介質(zhì)密度;c為環(huán)空波速度。

根據(jù)式(4),結(jié)合回壓測試井口裝置和油井環(huán)空情況可知,加大壓縮室容積或提高擾動波的注入壓力,有利于增強擾動壓力波的信號能量。

3 試驗過程

回壓測試方法是以Δp作為信號源進行的,加壓動作的不同組合,代表了不同的源信號性質(zhì),所生成的回波曲線形狀各異,需根據(jù)接箍波和液面波的綜合效果加以選擇。信源方式組合:①全波信源,壓縮(或膨脹)+復(fù)位;②半波信源,只壓縮不復(fù)位;③半波信源,只膨脹不復(fù)位。

圖3 環(huán)空液面測試信源對比實驗

圖3是采用不同信源及動作組合方式獲得的液面測試曲線,橫坐標(biāo)表示采集點數(shù),縱坐標(biāo)表示對應(yīng)電平值。每組曲線上邊是高頻接箍波曲線,只選前500點繪圖,著重觀察起始接箍波;下邊是低頻液面波曲線,全選4 800點繪圖,觀察整條曲線。圖3(a)對應(yīng)的是“壓縮+復(fù)位”全波信源方式,液面波呈現(xiàn)出2個不完整波形的折線波連接,折點[圖3(a)中紅色圓圈內(nèi)尖峰]前波由壓縮動作生成,折點后波由復(fù)位動作生成?？梢钥闯觥皦嚎s+復(fù)位”的動作組合中復(fù)位動作多余,造成了接箍波幅度、寬窄差別過大,難以計數(shù),以及液面波失去周波形態(tài)。因而,全波信源方式不可用。另一種全波信源“膨脹+復(fù)位”動作組合形成的測試曲線,與圖3(a)所示特征基本相同。

圖3(b)和圖3(c)分別對應(yīng)只壓縮不復(fù)位和只膨脹不復(fù)位半波信源方式。對比分析認為,壓縮波在形成接箍波和液面波時性能比較均衡,生成的接箍波數(shù)量較多且較規(guī)整,接箍波清晰度和液面波幅度均能滿足數(shù)據(jù)處理的需要。

膨脹波低頻特性好,有利于形成液面反射波,所以膨脹波信源的液面波幅度最大,這與下弦波較穩(wěn)定的傳播特性[12]有關(guān)。但是在Δt比較大時,膨脹波在環(huán)空中內(nèi)環(huán)柱面的邊界性能差,不利于形成穩(wěn)定的接箍反射波,導(dǎo)致接箍波出現(xiàn)粘連、分叉,參差不齊。若要改善膨脹信源方式下的接箍反射波形態(tài),最有效的方法是提高加壓速率、減小Δt。但限于膨脹信源的動作方式,0.1 s已接近間歇式機械動作的最小值,而此時的接箍波形態(tài)仍不理想。因此,回壓測試應(yīng)選擇壓縮半波信源方式。

通過對比分析以上3種信源方式的曲線效果可見,回壓測試所需要的源信號,只是一個壓力狀態(tài)的瞬時躍變,而且應(yīng)該是具有一定能量、足夠迅速、壓力由低到高的正向躍變,即可獲得含有接箍及液面信息的反射回波曲線。

實驗中通過反復(fù)觀察對比信源效果,認為沖擊式加壓的測試數(shù)據(jù)比靜態(tài)啟動加壓更為理想。所謂沖擊式加壓,就是模仿用錘頭釘釘子的動作,在環(huán)空壓力較低時,可以揮手突然拍打到動塞式回壓測試井口裝置的壓把上并順勢繼續(xù)向前推壓,這將有效增強壓力信號的正向躍變效果;而靜態(tài)起動加壓就是握住壓把從靜態(tài)開始啟動形成壓力信號。顯然,沖擊加壓信號的正向跳變前沿在形成反射波時,比靜態(tài)啟動信號具有更大優(yōu)勢。這說明回壓測試效果不僅與動作結(jié)構(gòu)即信源組合(全波、半波、壓縮、膨脹)方式有關(guān),還與動作的啟動(沖擊、靜態(tài))方式有關(guān)。按照上述加壓信號的啟動方式區(qū)分,圖3(a)、(b)、(c)屬于靜態(tài)啟動加壓,圖3(d)則是按照沖擊式加壓方式進行測試的數(shù)據(jù)結(jié)果,圖3(e)是用回聲測試井口裝置測得的回聲信源曲線(氣瓶壓力4 MPa、同一臺主機),以作為參照對比。通過曲線形態(tài)觀察和數(shù)值計算,認為沖擊式加壓信源,在保持了低頻液面波的良好特性基礎(chǔ)上,還在高頻接箍波的形態(tài)方面,顯示了比靜態(tài)啟動加壓信源的高頻曲線更為規(guī)整、滿幅數(shù)量多的特點,達到了回聲測試信源在氣瓶壓力較低時的測試效果。

4 數(shù)據(jù)分析

液面計算方法有若干種,綜合分析認為接箍比例計算法適用性最好,其計算方法簡便,結(jié)果也較為準(zhǔn)確。

接箍比例法液面深度計算公式

D=H·L·n/h

(5)

式中,D為環(huán)空液面深度;H為曲線起點至液面波的采集點數(shù);L為接箍間距即油管長度;n為選定接箍間距數(shù)量;h為選定接箍段對應(yīng)的采集點數(shù)。

利用接箍比例算法對圖3(b)、(d)、(e)這3組接箍規(guī)整、量多的測試曲線進行計算,液面深度分別是1 854、1 860 m和1 862 m。由于圖3(a)、(c)這2組曲線的接箍波過于凌亂,只用于觀察,不宜用于計算。

由于環(huán)空狀態(tài)的多樣性,測試信號在傳播過程中受到多種因素制約,如壓力、溫度、介質(zhì)成分及密度、環(huán)空彎曲及偏心形狀、接箍清潔程度及界面泡沫覆蓋程度、生產(chǎn)動態(tài)、源信號的延時及能量強度等,都會影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

理論上,回壓測試中未向環(huán)空加入任何介質(zhì),也沒有從環(huán)空向外排放任何介質(zhì),擾動壓力傳播以絕熱形式進行,環(huán)空的混合氣體不會在測試前后發(fā)生溫度、壓力、密度、介質(zhì)成分及構(gòu)成比例等數(shù)據(jù)的改變。因此,實驗測試中液面深度的重復(fù)差值,只是由于測試系統(tǒng)自身誤差和生產(chǎn)動態(tài)變化造成的,故測試精度可以做得更高。

5 結(jié)束語

(1)壓力波是進行環(huán)空液面測試的根本載體,回壓測試方法可維持環(huán)空自然狀態(tài)不受影響,系統(tǒng)自身干擾可控,工藝簡單、環(huán)保。

(2)回壓測試所需信源,應(yīng)具有一定能量、正向(壓縮波)躍變速度快、波前平面效果好。

(3)回壓測試方法尚需在實際應(yīng)用中經(jīng)受檢驗,在應(yīng)對環(huán)空高壓、提高信源加壓速率及能量方面應(yīng)繼續(xù)深入研究,驗證其實用性、合理性。