液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在提撈井的應(yīng)用

謝曉輝（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

提撈是低產(chǎn)井的一種有效采油方式，對(duì)提撈井抽汲過程中液面高低及其恢復(fù)程度的準(zhǔn)確判斷直接影響其生產(chǎn)效率。國內(nèi)部分油田曾采用回聲儀定期人工測(cè)試的傳統(tǒng)測(cè)量方法來指導(dǎo)提撈作業(yè)[1]，傳統(tǒng)液面測(cè)試儀器設(shè)備便攜性差、操作過程繁瑣，且用氮?dú)馄炕蛘邿o彈頭子彈作為聲源存在一定危險(xiǎn)性，且對(duì)操作人員素質(zhì)要求較高、不能實(shí)現(xiàn)定時(shí)密集監(jiān)測(cè)、很難精準(zhǔn)有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液面恢復(fù)程度。

對(duì)液面恢復(fù)程度的準(zhǔn)確判斷是影響提撈采油抽汲產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。目前常規(guī)做法是技術(shù)人員結(jié)合每次抽汲下放的鋼絲繩長度來判斷液面位置進(jìn)而折算出液面恢復(fù)速度，該做法準(zhǔn)確度不高且難以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。若判斷的液面恢復(fù)時(shí)間短于實(shí)際恢復(fù)時(shí)間，則會(huì)導(dǎo)致液面還未完全恢復(fù)，下次抽汲作業(yè)就已經(jīng)開始，不但不能增加原油產(chǎn)量，還增加作業(yè)頻次及柴油消耗。液量若嚴(yán)重不足還會(huì)導(dǎo)致橡膠干磨使得密封性變差，增加配件維修成本。反之，判斷的液面恢復(fù)時(shí)間長于實(shí)際時(shí)間則會(huì)使液面過高造成油井不能正常發(fā)揮。作業(yè)間隔過長，提撈裝置潛能沒有完全發(fā)揮，出現(xiàn)有油卻不能及時(shí)撈出的問題。因此，擬采用數(shù)字化智能技術(shù)指導(dǎo)油井提撈，即通過在井口安裝液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)聲波自動(dòng)化發(fā)射，液面數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、分析處理，液面達(dá)到預(yù)定待抽汲深度自動(dòng)提醒等功能來準(zhǔn)確及時(shí)的監(jiān)測(cè)液面深度，借助數(shù)字化技術(shù)指導(dǎo)提撈井作業(yè)制定合理的間抽制度，做到實(shí)用性、適用性、高效性相統(tǒng)一。

1 液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 原理及監(jiān)測(cè)過程

液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用“回聲法”測(cè)量液面深度。由井口氣爆發(fā)聲單元發(fā)出聲波，其公式為：

式中：H為油井液面深度，m；v為聲音在井筒內(nèi)空氣中的傳播速度，m/s；t為聲波從發(fā)聲裝置產(chǎn)生后沿井內(nèi)空氣向下傳播到液面再經(jīng)過液面反射回井口被地面微音器接收所經(jīng)過的時(shí)間，s。由于受到井內(nèi)溫度、壓力及氣體密度等因素影響，該聲波速度需要經(jīng)相應(yīng)公式計(jì)算并修正后確定。

根據(jù)每口井的自身特點(diǎn)，結(jié)合技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，預(yù)先將監(jiān)測(cè)儀設(shè)定好合理的采集頻率，然后用繼電器控制電磁閥使氣爆單元發(fā)聲。聲波沿井筒空氣進(jìn)行傳播，被液面反射的回聲波經(jīng)采集單元收集處理后便會(huì)得到固定時(shí)間間隔的測(cè)試數(shù)據(jù)[2]。數(shù)據(jù)經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換及處理，遠(yuǎn)傳至臺(tái)式機(jī)上的決策系統(tǒng)和手機(jī)上的移動(dòng)終端。在電腦和手機(jī)上可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)檢索、歷史回放、報(bào)表輸出等功能操作[3]，方便及時(shí)制定出合理的油井提撈計(jì)劃，從而有效的進(jìn)行提撈作業(yè)。

1.2 系統(tǒng)組成

提撈井液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括位于提撈井口的液面遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀、位于后方的服務(wù)處理器及供決策的客戶端三部分。其中，液面遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀主要包括位于主控制柜內(nèi)用于控制各個(gè)硬件動(dòng)作的主控制器、氣爆發(fā)聲單元（包括電磁閥、加壓氣泵、儲(chǔ)氣罐三部分）、回波檢測(cè)單元、套壓檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及用于遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)的4G、WIFI 傳輸模塊等[4]。后臺(tái)服務(wù)器由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、查詢終端等組成。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與各個(gè)液面監(jiān)測(cè)設(shè)備之間建立網(wǎng)路鏈接，經(jīng)過網(wǎng)路傳輸后對(duì)接收到的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)解析，并將解析后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中供隨時(shí)讀取?？蛻舳税ㄊ謾C(jī)移動(dòng)終端APP 和臺(tái)式機(jī)管理平臺(tái)。手機(jī)移動(dòng)終端可隨時(shí)隨地了解提撈油井液面情況，臺(tái)式機(jī)管理平臺(tái)則利于多條件查詢及指令的操作。液面遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀按設(shè)定程序定時(shí)發(fā)出聲波，測(cè)量油井液面深度，依據(jù)井場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)情況及數(shù)據(jù)量將分包，加密后的測(cè)量數(shù)據(jù)分別采用4G 和WIFI 兩種方式利用雙通道傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)服務(wù)器。后臺(tái)服務(wù)器采用科學(xué)的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并將計(jì)算數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化處理，選擇可靠度高的數(shù)值進(jìn)行圖形化直觀顯示[5]。其中，WIFI 數(shù)據(jù)傳輸模式需要通過井場(chǎng)RTU 與后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行通信，井場(chǎng)RTU 實(shí)現(xiàn)WIFI到以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換。后臺(tái)監(jiān)控服務(wù)器對(duì)收集到的多路數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，完成數(shù)據(jù)對(duì)比功能，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能優(yōu)選[6]，并對(duì)優(yōu)選數(shù)據(jù)進(jìn)行液面計(jì)算，將結(jié)果存入SQLServer 數(shù)據(jù)庫，臺(tái)式機(jī)管理平臺(tái)可以使得技術(shù)人員進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)修改、液面曲線查看等操作[7]。

液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用STM32F103RET6 作為微控制單元，由次聲波發(fā)生模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、RS485 通訊模塊、4G/WIFI 網(wǎng)絡(luò)模塊及電源和控制屏等部件組成，系統(tǒng)硬件組成見圖1。首先利用壓力傳感器探測(cè)套管壓力，當(dāng)套管壓力小于或等于0.3 MPa 時(shí)，控制器控制發(fā)生模塊采用加壓氣泵加壓，通過電磁閥放氣制造次聲波。當(dāng)套管壓力大于0.3 MPa 時(shí)，控制器控制發(fā)生模塊利用套管氣產(chǎn)生次聲波[8]。聲波通過套管內(nèi)空氣介質(zhì)向下傳播，遇動(dòng)液面反射后向上返回地面，由微音器接收經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過功放、濾波、A/D（模擬信號(hào)/數(shù)字信號(hào)）數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊處理后發(fā)給微控單元，經(jīng)過解釋處理后打包傳輸至數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，以供技術(shù)人員分析，從而制定出合理的提撈制度[9]。

圖1 系統(tǒng)硬件組成Fig.1 System hardware composition

1.3 數(shù)據(jù)傳輸主要流程

提撈井液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要將液面測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)和設(shè)備事件信息上傳至數(shù)據(jù)采集服務(wù)器[10]。其采集與傳輸數(shù)據(jù)主要流程為：無線網(wǎng)卡配置初始化后設(shè)置Ad-Hoc 模式，設(shè)置essid 啟動(dòng)網(wǎng)卡并配置IP、AODV 協(xié)議加載啟動(dòng)、啟動(dòng)監(jiān)測(cè)主程序、經(jīng)過邏輯判斷當(dāng)達(dá)到采樣時(shí)間后對(duì)聲波和壓力信號(hào)進(jìn)行采集（定時(shí)采集液面數(shù)據(jù)及套管壓力數(shù)據(jù)）、將數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)封包、執(zhí)行TCP/IP 通信進(jìn)程、數(shù)據(jù)包發(fā)送。

1.4 液面實(shí)測(cè)

以A 油田B 提撈井為例，數(shù)字化監(jiān)測(cè)儀與井口套管連接，利用太陽能供電裝置為設(shè)備供電，按設(shè)定頻率獲取測(cè)試數(shù)據(jù)后，經(jīng)由無線遠(yuǎn)傳系統(tǒng)將測(cè)試數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至決策系統(tǒng)。設(shè)置好合理的監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔后，監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)按要求錄取液面深度數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后形成直觀的液面曲線。液面監(jiān)測(cè)曲線見圖2。B 井4 月12 日提撈完成后，液面深度降至1 400 m附近。由于地層能量的供給，井底流壓大于井內(nèi)靜液柱的壓力，液面隨時(shí)間穩(wěn)步上升，逐漸恢復(fù)。4 月16 日液面深度達(dá)到1 000 m 左右且趨于平穩(wěn)，此時(shí)采取人工提撈措施，將液面抽汲到1 350 m 預(yù)定深度。圖2表明，數(shù)字化液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀能夠及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)液面恢復(fù)情況，直觀地反映出抽汲時(shí)機(jī)，從而準(zhǔn)確指導(dǎo)技術(shù)人員制定更加合理的間抽制度。

圖2 液面監(jiān)測(cè)曲線Fig.2 Liquid monitoring curve

1.5 數(shù)據(jù)誤差

為了驗(yàn)證智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的液面深度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，在B 井安裝自動(dòng)采集裝置，進(jìn)行采集的過程中采用同時(shí)段下放鋼絲繩探深方式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。通過對(duì)提撈設(shè)備加裝鋼絲繩下放深度精準(zhǔn)計(jì)量裝置測(cè)深并記錄測(cè)試時(shí)間點(diǎn)，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與回放后監(jiān)測(cè)曲線同時(shí)刻數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，液面深度數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。隨著深度的變化，不同深度鋼絲繩實(shí)測(cè)值與智能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差值也發(fā)生變化，液面深度300 m 左右時(shí)，二者差值1 m 以內(nèi)，差值很小。隨著測(cè)試深度的增加，誤差有變大的趨勢(shì)。液面深度900 m 以上時(shí)，差值4.5 m。折合成每1 000 m 誤差大概在5 m 之內(nèi)，能夠滿足提撈井生產(chǎn)要求。

表1 液面深度數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison of liquid depth datam

2 應(yīng)用效果

2.1 應(yīng)用情況

2022 年對(duì)A 油田某采油廠5 口提撈井進(jìn)行液面監(jiān)測(cè)數(shù)字化改造試驗(yàn)，安裝液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。試驗(yàn)前后節(jié)能情況對(duì)比見表2。

表2 試驗(yàn)前后節(jié)能情況對(duì)比Tab.2 Comparison of energy conservation before and after the test

5 口提撈井在智能監(jiān)測(cè)法指導(dǎo)下，單井月產(chǎn)油量均有提高，單井月提撈作業(yè)次數(shù)也有所減少，數(shù)字化改造試驗(yàn)后，既減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度也節(jié)約了柴油。真正做到了節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)了降本增效。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

1）試驗(yàn)實(shí)施前后對(duì)比，單井月采出油量較措施前最高增加11.3 t，平均單井月采油量增加7.8 t。5 口油井月增加采出油量合計(jì)39 t，年累計(jì)增加采出油量達(dá)到468 t。按照原油價(jià)格3 000 元/t 計(jì)算，則年多創(chuàng)造效益140.4 萬元。5 口油井月平均噸耗柴油5.9 L，累計(jì)年節(jié)約柴油1.08×104L，按柴油價(jià)格7 元/L 計(jì)算，年可節(jié)省燃油費(fèi)7.56 萬元。

2）智能液面監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用后，系統(tǒng)根據(jù)液面的恢復(fù)情況實(shí)時(shí)自動(dòng)給出合理抽汲方案，調(diào)節(jié)工作參數(shù)。單井月抽汲作業(yè)次數(shù)較實(shí)施前相比減少4 次，減輕了作業(yè)人員的施工勞動(dòng)強(qiáng)度，具有一定的社會(huì)效益。同時(shí)節(jié)省了作業(yè)費(fèi)用，提高了管理和技術(shù)水平，給油田生產(chǎn)管理和節(jié)能工作帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

1）數(shù)智化液面監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)提撈井液面的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。每1 000 m 深度誤差在5 m 左右。相比于人工經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，其結(jié)果更加準(zhǔn)確、詳實(shí)、可靠。節(jié)約了人工測(cè)試成本，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2）數(shù)智化液面監(jiān)測(cè)技術(shù)通過對(duì)液面數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)分析來制定具體的提撈作業(yè)方案，使抽汲制度更加合理，從而最大程度提高了油井產(chǎn)量，降低了能耗，真正做到了降本增效。

3） 數(shù)智化液面監(jiān)測(cè)技術(shù)通過軟硬件相結(jié)合，做到了數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)及時(shí)，數(shù)據(jù)處理有效可靠，科學(xué)合理的指導(dǎo)了油田生產(chǎn)。數(shù)智化油田是科技發(fā)展的必然趨勢(shì)，低產(chǎn)井老舊的人工經(jīng)驗(yàn)間抽模式已經(jīng)成為過去，油田開發(fā)正向著智能化、智慧化發(fā)展。