新型动液面自动测量仪的应用

周　昕（西安石油大学,　西安　710065）

新型动液面自动测量仪的应用

周昕
（西安石油大学,西安710065）

摘要：目前针对油井开采时的动液面测量，大部分油井采用的测量方式是利用回声仪人工激发，此方式缺乏对动液面的实时监测，加上诸多限制因素，测量的数据易过期且精度较差，很难提高产油效率。最近奥地利原油开发股份公司(RAG)发明的全自动动液面测量仪，可以对动液面进行实时精确测量，并根据测量数据对采油下泵深度进行控制，减少空抽次数以期提高产量。该仪器在实际采油过程中已经取得了良好效果，不仅对油井采油率的提高有很大的促进作用，而且可以进行油井压力恢复分析和抽油杆泵的故障诊断。

关键词：动液面；全自动；抽油杆泵；实时监测；诊断

1　动液面测量

油井的动液面一般指油井正常生产时，套管环形空间中液面的顶界到井口间的距离。动液面值越大，液面越低，说明油井供液能力差，油层压力小；反之，说明油井供液充足，油层压力较大。

根据动液面，可计算泵的沉没度（沉没度＝泵挂深度—动液面深度）、油井储层压力等。而动液面是间接通过声学测量（回声仪测量技术）计算而来。对动液面的实时测量有助于控制抽油机的启停时间，可以减少下泵的空抽时间，以期提高采油效率。

回声仪测量在套管阀上进行。套管阀与气枪相连，打开套管阀向井下发射微量高压氮气，由已知的平均油管长度和走纸记录的接箍反射波数量，可以计算出动液面的深度，该方式简称“接箍法”[2,3]。但由于该方法通常是非自动化的，测量精度会自然地被油管管道的长度所限制。由此我们可以看出传统的回声仪测量方法，不适合对动液面进行实时在线监测。

而在最近动液面测量技术有了新的进展：由奥地利原油开发股份公司(RAG)发明的全自动动液面测量仪，具有纯电子功能，可在线实时地对动液面进行监测，可以取代传统的回声仪测量方法[1]。

2　全自动动液面测量仪的构成和原理

该液位测量工具包括两个主要部分，井口测量装置和计算机评估装置，它们是通过电缆互相连接的。

测量装置被安装在套管阀上，通过气枪发射高压气体，将生成多种声波信号进入套管环空，然后声波遇到液面反射，被装置中的微音器接收，微音器通过声、电转换将声波转化为电信号；这些信号经过放大、滤波等处理，通过电缆被传送到评估装置，评估装置通过分析来选取最佳声波信号进行动液面计算。

动液面数据需通过声速法计算，利用公式：

可以得到井口到动液面的距离h（m），式（1-1）中c、t分别为声速(m/s)、声波往返传播时间（s）。而套管内的声速c是不是通过借助套管中的接箍波间接计算，而是利用油、套管环形空间的气体组分求声速c。

利用油、套管环形空间的气体组分求声音在井筒里传播速度（简称气体组分法）

式(1-2)中，c为声音在井筒中的气体传播速度m/s；r为该种气体的绝热指数，为该种气体的定压。

分子热容量和定容分子热容量之比，可查表得到；R为摩尔气体常数，R=8.314×103J/(mol•K)；T为绝对温度，K；M为该种气体的摩尔质量。

动液面反射声波信号可转化为电信号，通过标准电流值为4～20m A的通用接口传输，该信号被传送入SCADA系统，在系统中它是可视化的，可以存储或者进一步处理。采样频率可以自由选择，最快可以每分钟进行一次测量，油液液位深度的相对精度为+/-3米。

全自动动液面测量仪具有以下独到特性：

（1）测量过程完全自动化，纯电子化测试和处理数据；测量装置完全封闭，工作时套管内气体对外界零排放，不会污染环境。

（2）该仪器对井下的高温液体不敏感；系统维护十分方便；对动液面的采样频率，最大每分钟一次，测量数据的实时性得到极大提升。

（3）该仪器研究对象是声波传播介质（套管气），不用考虑传统“接箍法”中造成较大误差，比“接箍法”更加精确可靠。

下面我们将介绍新型动液面测量仪在不同泵中的具体应用。

3　液位测量仪在电潜泵和抽油杆泵中的应用

3.1电潜泵的实际应用

以辽河油田某高含水油井为例，该油井具有较低气油比，供其生产使用的电潜泵连接到一个VSD(可调速驱动)系统。采用这种组合方式，可以使泵以不同的转速运行。

如图1所示，红色曲线显示电潜泵开始生产时状态稳定，后来一个突然产生的回压积聚在套管上（黑色曲线在5月12日10:00时发生变化），这表明套管与输流管之间出现堵塞或者套管压力传感器出现故障；但同时红色曲线显示了持续下降的液位，这进一步表明因为增加的回压而导致堵塞状况的出现（由于套管中气体通常排入到输油管线中）。因此，套管压力传感器出现故障的原因可被排除，应该立即采取对应措施清除堵塞，这样泵可以避免空抽而得到保护。

电潜泵对空抽生产条件十分敏感，容易受到损坏。此外，如果没有建立有效的化学处理，往往可以观察到设备上会有严重的结垢现象。而该仪器可以协助改善这些不利因素：如果动液面将要到达泵的工作区域之外时，可以将泵关闭，或者降低其运行转速；油垢的形成问题可以通过提高压力解决，比如在高压下碳酸盐类油垢的积累会降低。

3.2抽油杆泵的实际应用

再以辽河油田某低产井为例，通过抽油杆抽油系统（SRP）进行举升，该泵也被连接到一个VSD系统上。采用这种组合方式可以使SRP进行变速运行（每分钟的冲程数目可变），因此泵的生产率可以改变。

油井开采时，如果油液压力低于泡点压力将导致气体气泡的形成。它们可以阻止孔隙喉道，减少相对油相渗透率，最终导致生产率降低，这种效应不可逆转；而通过仪器来控制动液面，是避免这种不利影响的一种解决方案。

在井BH-003中，我们发现一种现象：出油管线的压力值周期性地振荡了几个小时。这是由于出油管中油液压力的动态变化造成的。这种现象也可以用来检查井下状态，因为在油井中，套管通过背压阀被连接到出油管上，如果套管气体压力（图2中黑色曲线）超过了出油管内的压力，气体被排出油管；如果出油管中有更高的压力，套管压力（黑色曲线）也上升，而且在井中动液位（红色曲线）会相应地下降，如图2所示。这也是一个可以证明该仪器灵敏度较高的有力证据。

4　结语

该全自动动液面测量仪是由奥地利原油开发股份公司(RAG)开发，国内钻采设备公司开始引进该技术，对动液面测量仪的性能进行优化和改进，使之满足实际采油的需要。

新型全自动化动液面测量仪，在即使没有试井钢丝绳或电缆接入技术的支持下，也能够获得永久井下压力数据。该仪器被安装在开启的套管浮阀上，并只能用于无封隔器完井的油井中。正确地使用动液面测量仪有助于提高泵的使用寿命，并减少其故障停机时间；它还可以可保护电潜泵，避免空抽损害。

因为通过动液面测量仪可测量到实时的液位数据，所以油井可以在无设备损坏风险的条件下，进行更高效率的采油生产。该动液面测量仪的以下功能在实际应用中具有重要的作用：

（1）能够通过控制VSD(泵的变速驱动装置)，使井下油液保持在特定的液位，以避免在生产过程中形成气泡而产生负面影响；

（2）它可作为一个永久性装置并被安装在井场，在爆炸危险区域也可投产工作；

（3）动液面测量仪还可以通过液位值数据计算井底压力，而这是一种全新的低成本测试方法，可以取代以往较高成本的井下压力表测试。

参考文献：

[1]周家新，王长松，汪建新等．基于AMDF计算抽油井套管环隙内声速[J].传感技术学报，2007，20(07)：1648-1651.

[2]杜功焕，朱哲民，龚秀芬．声学基础[M].南京大学出版社，2001:168-176.

[3]洪泓.声波扩频油井静液位测量系统的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

作者简介：周昕（1989-），男，陕西咸阳人，在读硕士研究生，主要研究方向：石油钻采自动化理论和智能装备研究。