鉆完井試油液面監(jiān)測系統(tǒng)設計

張乃祿，任武昆，李 軍，盛 盟，張鈺哲

(1.西安石油大學電子工程學院，陜西西安 710065；2.陜西省油氣井測控技術重點實驗室，陜西西安 710065；3.延長油田股份有限公司定邊采油廠，陜西榆林 718600；4.西安海聯(lián)石化科技有限公司，陜西西安 710065)

0 引言

鉆完井試油是油田勘探開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，其工藝主要包括壓井、射孔、誘噴排液、求產、測壓、完井試油[1-2]。在完井試油過程中，核心是井筒液面的監(jiān)測，井筒中液柱與油氣層壓力不平衡容易引發(fā)井噴事故，這種事故屬于試油過程中主要的易發(fā)生事故，因此需要及時監(jiān)測井筒內的液面變化[3-4]；監(jiān)測井筒內液面的連續(xù)變化情況，結合其他試油資料，得到試油井的壓力恢復曲線[5-6]；預探井試油時，可以為估算原始儲層壓力、評估產能及儲量提供一定的依據(jù)[7-9]。

目前，鉆完井試油過程中，井筒中液面監(jiān)測主要有下抽子探測法[10]和傳統(tǒng)回聲探測法[11]。這兩種方法可靠性低、重復性差、人為因素大，且無法連續(xù)監(jiān)測試油液面和預防井噴事故，嚴重制約試油效率與質量。本文設計了一種鉆完井試油液面監(jiān)測系統(tǒng)，井口儀表分別測量油套管環(huán)空中的接箍回波和油管內的液面回波，試油液面監(jiān)控器進行回波信號與數(shù)據(jù)處理，能夠實時、動態(tài)監(jiān)測井筒中液面變化，對預防井噴事故和建立液面與壓力恢復曲線具有一定的實用價值。

1 鉆完井試油液面監(jiān)測系統(tǒng)設計

利用油井壓縮伴生氣產生次聲，井口儀表分別對油套環(huán)空內的接箍與油管內的液面進行檢測，試油液面監(jiān)控器通過RS485接口讀取井口儀表的檢測數(shù)據(jù)，內嵌基于高性能ARM的液面監(jiān)測計算，根據(jù)油套環(huán)空中的接箍波形信號計算得到聲波在環(huán)空中的聲速v，將其作為油管內聲波傳播的速度，再結合油管內的液面回波時間tL可以計算油管內液面深度HL，這樣就完成一次監(jiān)測。將檢測和處理后的數(shù)據(jù)存儲到FLASH存儲器中，方便以后查看調用。監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理過程無需人工參與，多次檢測后，可利用聲速模型和液面模型算法計算得到井筒液面和壓力恢復曲線。

如圖1所示，鉆完井試油液面監(jiān)測系統(tǒng)包括4個部分：井口儀表A，井口儀表B，連接管線C和試油液面監(jiān)控器。井口儀表A與B中內嵌井口儀表子程序，主要負責回波信號的采集與傳輸；試油液面監(jiān)控器內嵌試油液面監(jiān)控器子程序，主要負責整個監(jiān)測過程的控制與聲波數(shù)據(jù)的處理。

圖1 鉆完井試油液面監(jiān)測系統(tǒng)構成

2 監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

2.1.1 井口儀表

井口儀表的原理結構和硬件組成如圖2和圖3所示。井口儀表A與B在結構上完全一樣，只是安裝位置不同，井口儀表包括：儲氣罐與電磁閥產生次聲波；微音器與數(shù)據(jù)采集器進行回波信號處理[12-13]。

圖2 井口儀表原理結構

圖3 井口儀表的硬件組成

數(shù)據(jù)采集器作為井口儀表的核心部件，以STM32F103為主控制器，包含RS485通訊電路、顯示與按鍵電路、聲波信號采集放大濾波電路、A/D轉換電路，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集器硬件實現(xiàn)

2.1.2 試油液面監(jiān)控器

試油液面監(jiān)控器包括：

(1)數(shù)據(jù)存儲模塊[14]，用于存儲采集與處理后的聲波數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)的存儲與導出；

(2)伴生氣壓縮機，為井口儀表中的儲氣罐提供壓縮氣體；

(3)供電模塊，包括變壓、穩(wěn)壓、電壓轉換和整流等電路，為整個系統(tǒng)提供電源；

(4)數(shù)據(jù)處理與控制模塊，作為整個系統(tǒng)的核心，液面監(jiān)測過程控制和回波信號數(shù)據(jù)處理；

(5)觸摸顯示控制屏模塊，主要用于人機交互，顯示液面數(shù)據(jù)；

(6)報警模塊，當出現(xiàn)異常情況時，進行聲光報警，提醒現(xiàn)場工作人員。試油液面監(jiān)控器原理結構如圖5所示。

圖5 試油液面監(jiān)控器原理結構

2.2 監(jiān)測軟件開發(fā)

2.2.1 監(jiān)測軟件組成

鉆完井試油液面監(jiān)測軟件由井口檢測子程序和試油液面監(jiān)控子程序2部分組成，如圖6所示。軟件開發(fā)采用模塊化設計，結構簡單、易開發(fā)、可移植性強，極大縮短了軟件開發(fā)周期。

圖6 鉆完井試油液面監(jiān)測軟件組成

2.2.2 井口檢測子程序

井口檢測子程序流程如圖7所示。初始化完成后，等待試油壓面監(jiān)控器的狀態(tài)詢問信號，并作出應答。當數(shù)據(jù)采集器接收到試油液面監(jiān)控器發(fā)送的測量指令時，井口裝置啟動測量，打開電磁閥，產生次聲波。接箍或液面的反射回波被微音器接收，經放大、濾波電路和A/D轉換電路后得到原始波形數(shù)據(jù)。根據(jù)Modbus協(xié)議通過RS485端口將采集到的原始波形數(shù)據(jù)傳輸給試油液面監(jiān)控器，收到試油液面監(jiān)控器的接收完成應答信號后，準備下一次測量。

圖7 井口檢測子程序流程

2.2.3 試油液面監(jiān)控子程序

試油液面監(jiān)控子程序流程如圖8所示。系統(tǒng)進行初始化，讀取和設置相應參數(shù)，當按下試油液面監(jiān)控器中觸摸顯示屏上的測量按鈕或到達設置測量時間時，根據(jù)Modbus協(xié)議利用RS485端口進行指令發(fā)送和數(shù)據(jù)讀取。

圖8 試油液面監(jiān)控子程序流程

(1)聲速測量與油管內的液面深度測量。讀取井口儀表A狀態(tài)，收到其應答信號后，向其發(fā)送測量指令。等待測量結束，接收井口儀表A發(fā)送的接箍原始測量數(shù)據(jù)后，向其發(fā)送接收完成應答信號，并調用聲速算法模型計算聲速v。將接收到的接箍原始測量數(shù)據(jù)、處理后的數(shù)據(jù)和聲速v存儲到FLASH存儲器。讀取井口儀表B狀態(tài)，收到其應答信號后，向其發(fā)送測量指令。等待測量結束，接收到井口儀表B發(fā)送的油管內液面原始測量數(shù)據(jù)后，向其發(fā)送接收完成應答信號，并調用液面算法模型結合之前計算的聲速v[15-16]，根據(jù)式(1)計算油管內液面深度HL。將接收到的液面原始測量數(shù)據(jù)、處理后的數(shù)據(jù)和液面深度HL存儲到FLASH存儲器。

液面深度計算公式為[17]

(1)

式中：H為液面深度，m；t為液面回波出現(xiàn)時間，s；v為聲波在油套環(huán)空中的傳播速率，m/s。

(2)試油液面數(shù)據(jù)分析與報警。完井試油過程中，在時刻T1，T2，…，Tn重復步驟(1)，可以得到對應時刻油管內的液面深度H1，H2，…，Hn，根據(jù)這些深度數(shù)據(jù)可以繪制油管內液面深度變化曲線。計算相鄰時刻間液面恢復速率vL1，vL2，…，vLn-1；結合其他試油資料(如油水混合物密度ρ，kg/m3)，計算相鄰時刻內壓力恢復速率vP1，vP2，…，vPn-1。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以分別得到油管內液面深度變化曲線、液面恢復速率曲線和壓力恢復速率曲線。當液面恢復速率大于設定閾值時，啟動聲光報警，向現(xiàn)場工作人員進行預警，并終止測量。

液面恢復速率計算公式：

(2)

式中：Tn為第n次測量時間；Tn-Tn-1為2次測量的時間間隔，h；Hn表示第n次測量的液面深度，m。

壓力恢復速率計算公式：

vPn-1=|vLn-1·ρ·g|

(3)

式中：vLn-1為Tn-1～Tn時間段內的液面恢復速率，m/h；vPn-1為Tn-1～Tn時間段內的壓力恢復速率，Pa/h，為了后面作圖顯示方便，vPn-1≥0；ρ為試油時的油水混合物密度，由現(xiàn)場利用密度計測量得到，kg/m3；g為重力加速度，取9.8 N/kg；n≥2，取正整數(shù)。

(3)數(shù)據(jù)查看與導出。通過試油液面監(jiān)控器的觸摸顯示控制屏可以查看油套環(huán)空接箍和油管內液面的原始波形、利用算法處理后的波形和某段時間內的壓力恢復曲線。每次采集的原始數(shù)據(jù)與計算后的液面深度數(shù)據(jù)都被存儲到試油液面監(jiān)控器的數(shù)據(jù)存儲模塊中，方便以后查看和導出。

3 油田現(xiàn)場應用結果與分析

2019年3月13日～2019年3月18日，鉆完井試油液面監(jiān)測系統(tǒng)在青海油田KX3井現(xiàn)場應用。該井工況為完井試油，油水混合物密度為0.88 g/cm3，完井試油液面監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 KX3完井試油液面監(jiān)測數(shù)據(jù)

選取的監(jiān)測時間段為2019年3月16日12:01-18:34，每隔0.5 h測量1次，持續(xù)時間為6.50 h，測量14次。由表1可知，由于油氣儲層持續(xù)供液，油管內液面不斷上升，所以監(jiān)測油管內液面深度不斷減小。當油管內流體產生的壓力與油氣層壓力達到平衡時，油管內液面深度值穩(wěn)定在438.30 m左右。利用下抽子的常規(guī)方法進行液面探測，穩(wěn)定時的液面深度為440.00 m左右。經過測試與驗證，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)準確，達到設計要求。根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制相關曲線，如圖9所示。

4 結論

針對傳統(tǒng)的鉆完井試油液面監(jiān)測所存在的監(jiān)測效率和可靠性問題，本文設計了一種鉆完井試油液面監(jiān)測系統(tǒng)，主要由井口儀表和試油液面監(jiān)控器組成。該系統(tǒng)利用接箍回波計算得到次聲波在井筒中的傳播速率，結合液面回波數(shù)據(jù)計算得到油管內的液面深度，克服了油管內沒有音標參考物的缺點。利用液面計算模型和數(shù)據(jù)分析算法，對液面數(shù)據(jù)進行分析，得到高精度測量的同時進行強電與弱電系統(tǒng)的隔離，本文先采用電流(或電壓)互感器對三向交流電的電流(或電壓)進行了采樣，隨后又采用信號放大電路對采樣信號進行了標度變換，將其變到了能夠滿足ADUC812模擬量輸入口測量范圍以內。最后為了濾掉系統(tǒng)的高頻干擾信號，再將模擬信號送入ADUC812模擬量輸入口，進行離散化采集之前先使信號經過了抗混疊濾波電路進行了濾波處理。在圖3中，兩對二極管起過壓保護作用，D3、D4為電路工作狀態(tài)的顯示，C1、C2為去耦電容，C3、C6用來消除尖峰干擾，R10、R11、C5構成低通濾波器將輸入信號中的高次諧波成分濾除，從而得到所需的信號。

圖9 KX3完井試油液面與壓力曲線