油气井砾石填充实时监测技术研究⋆

冯旭东，贾惠芹，黄艳芝

（ 西安石油大学， 陕西西安 710065）

0 引言

在油气井在开采过程中，出砂是不可避免的，大量或者连续出砂严重时会造成油管砂堵，设备损坏，缩短油井寿命，降低油井产能等后果[1-2]，为了保障油气井生产的正常进行，提高产量，防砂、治砂成为油气井生产过程中的普遍需求，国外油井防砂技术研究比较早，最初采用限产的办法来防止油井出砂，直至上个世纪30年代开始采用机械防砂的方法：砾石填充法。目前国外油井防砂方面的技术主要是机械防砂，在国内机械防砂（砾石填充防砂）也是目前常用的防砂技术之一[3]。但在作业过程中，注液量及注砂量的多少在很大程度上依赖于经验，目前还没有一套直接的检测技术能在作业过程中实时监测注液量及注砂量的多少，这也是多年来国内外的技术难题[4]。针对这一现状，本文开展了基于超声波传感器的注砂量及注液量的实时监测技术研究，采用超声波非接触式的检测方法[5-7]，设计了一种砾石填充实时监测室内模拟系统，系统可以通过改变泵的转数及管道变径来改变流体的速度，在室内实验中使用水作为流体介质，并注入定量的粒径不同的石英砂，由超声波传感器检测砂粒撞击管壁产生超声信号，前置电路对信号进行滤波和放大后，再经小波滤噪处理后，采用基于LabVIEW的专用软件进行分析和计算，得到管道内的含砂率，实现了砾石填充过程中含砂量及注液量的实时监测。实验结果表明：该系统可以在室内有效地模拟油气井砾石填充作业的情况，能有效感知流体中含砂信息的变化，验证了测量方法的可行性，达到了研究的目的，同时也在现场进行了相关实验并取得了一定的效果，为深入进行砾石填充实时监测技术的研究奠定基础。

1 室内模拟系统的结构和组成

室内实验系统主要由超声波传感器、电荷放大器与滤波放大电路、信号采集与处理系统、多普勒流量计、储液罐、回收罐、电动搅拌器、单螺杆泵、电源控制箱及变频器、管道（主管道和出砂检测的分支管道）、阀门等组成。总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构示意图

图1所示实验系统可通过控制阀的操作使流体循环流动，即储液罐中的流体可以通过管路到回收罐，而回收罐的流体也可以通过管路回到储油罐，这样可以降低实验成本。电动搅拌器主要使注入的砂与水混合均匀，进行实验时，打开阀门K1、K5、K6（或K7），关闭K2、K4、K8阀门，单螺杆泵将储液罐中的含砂流体泵到管道中，单螺杆泵的调速是由变速器实现，变速器调节供电频率，从而实现泵的转速可调，达到调节泵的排量的目的。在流量一定的情况下，通过增设变径管道，调节流速，转换流体的流动方向，管道变径后为两条管线，其管径分别为25mm、12.5mm，阀门K6和K7用来切换出砂监测的管道。出砂监测传感器输出的信号经滤波放大再通过采集系统进入计算机，同时，多普勒流量测量管道内流体的流量也传入计算机，计算机通过基于LabVIEW的测试软件计算出流体的携砂比。回收液体时，打开K2、K4阀门，关闭K1、K5、K8阀门，液体从回收罐中泵回储液罐中；回收罐中有滤砂筛网可以将流体中的砂滤出，这样既可以使液体回收再利用，同时也可以计算出实际砂与液体的比例，验证流体携砂比的算法。

2 系统的检测方法与计算

（1）砾石填充注砂量及注液量的检测方法

本文对于砾石填充注砂量及注夜量实时监测技术的研究，主要是通过超声波传感器采用非接触式测量方式，对含砂量和总流量进行监测。超声波传感器包括含砂监测传感器和超声多普勒传感器，其中多普勒传感器用于监测注入水与注入砂的总流量，含砂检测传感器测量含砂量，整个系统的研究还涉及到了信号处理电路，滤波电路，采集软件程序等内容。

（2）注砂量的计算模型

流体中携带的砂粒连续不断地撞击管壁从而引起压电传感器的振动而产生随时间变化的电压信号，信号的频率在80～120 kHz之间，属于超声波的频率范围，可以认为该传感器输出的峰峰电压值是与流体中砂粒的动能成比例的，又由于砂粒撞击输油管壁产生动能的大小与管道中流体的流量、流速，以及流体的横截面积有关，由此建立了注砂信号与注砂量计算的理论模型。

设在观测时间∆T内有n个砂粒碰撞管壁，砂粒的总质量为Mt，n个砂粒的平均速度为V，则由砂粒的动能和传感器的灵敏度C确定的输出信号的功率为：

另根据帕色伐尔定理，出砂信号在ΔT内的平均功率为：

其中U表示传感器出砂信号的电压采样值；Δt表示采样间隔。

根据式（3）和（2）得在观测时间∆T内，流经管道的砂粒总质量为：

注：上式中各参数的单位为：

Mt.:kg(千克 )；A:m2（米的平方）；Q:m3/s（立方米/秒）；U:V（伏特）

实验时，管道截面积A确定，流体的瞬时流量Q可以通过多普勒流量计测得，Δt由数采卡的采样率确定，这样就可以通过检测到的传感器的输出电压值来计算出砂量了，C的值可以通过实验来标定。

3 系统的测试性能

（1）流体传送动力性能

模拟系统选用型号为QGB100.2/.4-DCrJ的单螺杆泵作为流体传送装置，单螺杆泵是一种内啮合密闭式容积泵。它可以输送各种粘度的液体；可输送含有磨损颗粒（砂粒）的液体。在输送液体过程中，流量、压力稳定，无脉冲。吸入高度大，输送时噪声小，无泄漏，输液无温升； 该泵配备的电动机型号为YB132S-4，电动机减速箱传动比为1∶3.44，转速为418转/分，泵的输出压力为1.2MPa，在此条件下排量为4.72m3/h（清水测试），略低于现场注砂时的流速。

（2）管道流量测试性能

由于在计算注砂量和注液量时，需要用到管道内的流量，故在管道安装了超声波多普勒流量计,这是因为该流量计是非接触式测量，不受管径约束，易于安装，超声波多普勒流量测量的一个必要的条件是：被测流体介质应是含有一定数量能反射声波的固体粒子或气泡等介质。实验的介质刚好是两相流（水和砂粒），非常适合用超声波多普勒进行测量[8-9]。超声波多普勒总流量测量设备如图2所示。并且对于含杂质的流体流量的测量精度较高，带有数显功能，精度为0.2，适应的环境温度在-25℃～85℃。

图2 超声波多普勒流量测量设备

4 注砂信号处理技术

（1）注砂信号处理技术

由于含砂检测传感器输出信号为电荷信号，因此含砂信号的预处理电路包括电荷放大器、滤波器、放大等电路。首先利用电荷放大器把电荷信号转换成电压信号，再对电压信号完成滤波、放大、数据采集等处理。采集的数据信号输送到计算机的信号处理与分析软件实现数字滤波和信号处理功能。

信号处理与分析是由LabVIEW实现的，整个软件分两大部分来处理信号：一部分用于信号的测试、计算、显示；另一部分用于数据的存储、回放、显示。开始实验时，设定好程序中所需的各个参数，进入到测试软件界面，测试界面如图3所示，测试软件对采集到的信号进行相关计算并显示携砂比，并且将每次计算的结果相加求出一段时间内的累积出砂量。显示到界面上。

（2）噪声去除技术

由于实验中会产生很多噪声：流体产生的噪声，环境噪声（泵的电机、变速器），还有传感器和电路的热噪声等。所以噪声的滤除是信号处理的关键技术。系统采用硬件滤波和软件去噪的方法去除噪声。硬件滤波是在电荷放大器后面设计一个带通滤波器，其频带范围为50 ～800 kHz，软件去噪采用了小波阈值去噪方法[10]，效果明显。处理过程是将含噪信号在各尺度上进行小波分解，保留大尺度低分辨率下的全部系数；对于各尺度高分辨率下的小波系数，设定一个阈值，幅值低于该阈值的小波系数置为0，高于该阈值的小波系数或者完整保留，或者做相应的“收缩”处理。最后将处理后获得的小波系数利用逆小波变换进行重构，恢复出有效的信号。

5 系统的应用与测试

在实验中用质量流量变送器对多普勒流量计进行了比对标定以确保流量测试的精确，使螺杆泵在最高转速情况下（接近现场注砂时的流速），采用标准石英砂（40—70目，密度2.2g/cm2，与现场作业用砂的粒径相近）进行了大量实验并分别对混合流体的累计流量和累计含砂量进行了测试，并对实测注液量与实际注液量，实测携砂比与理论携砂比进行了误差比对分析，得到了较好的实验结果（见图3），验证了检测方法的可行性，整理的典型实验结果见表1。

图3 测试界面

表1 注液量相同注砂量不同的情况下实验数据整理

由上述实验结果可以看出：随着理论携砂比的提高，检测的误差也增大，理论携砂比在2%到8%之间时检测的误差较小，携砂量过多或过少都对检测的精度有较大的影响，砂粒过少则碰撞管壁的强度较小，砂粒过多则导致相当数量的砂粒没有与管壁碰撞，另外在标定C值时理论携砂比没有超过10%，因此检测精度与携砂液的浓度有关，这一点在胜利油田某区块的油井进行现场实验时也得到了验证：作业时携砂液的浓度大致在15%左右，多次检测的平均值为17.8%，误差为18.7%，与室内实验的情况一致，但现场的噪声对检测也有很大的影响，尤其是注砂泵工作时产生的电磁干扰，另外现场注砂液管道的管径为7.5寸，比实验室的管径粗很多，导致流速下降，影响了携砂液流量的测量精度。

6 结论

随着油田数字化的快速发展，砾石填充注砂量及注液量实时监测技术的研究显得十分必要。本文通过对砾石填充实时监测技术的研究，提出了检测方法，研制了一套砾石填充过程中注砂量及注液量实时监测模拟系统，通过室内实验和现场实验验证了方法的可行性，取得了较好的实验结果，实现了实时监测功能，达到了研究目的，为进一步的研究奠定了基础。

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