基于压力波信源的环空液面测试方法

倪国强,刘湃,孙炀,刘贵强,王进修,张姿

(中国石油华北油田公司工程技术研究院,河北任丘062552)

0 引 言

油井液面深度测试工作在油田开发管理活动中占有重要地位,所提供的测试数据是掌握地层动态、确定采注方案的重要依据。目前油井液面深度测试基本上都是采用回声测试方法[1-3],该方法应用成熟。但由于它所依赖的高压气释放声源,需要外部气体注入或者内气外排,这2种操作均不符合现场管理规程,且需另配气瓶、连接管、表头、阀门等高压装置,监管手续繁琐,携带、操作工作量大,设备配套成本高。其他环空液面测试方法,如物质平衡方法[4]、示功图计算法[5]、光纤测温定位法[6]、井下压力计测算法[7]等,也各自实现了有益的尝试,但就应用情况而言,远未达到回声测试技术所拥有的规模。

研究发现,油井环空液面测试过程中真正有用的信源及信息载体是压力波而非声波,回声测试之所以使用声波做信号源,是借助它形成的源头压力波在环空传播,并陆续反射出接箍波和液面波,从而得到有用的数据信息。由此得到启发,具有一定能量的压力波可以取代声波进行环空液面测试。

1 环空特性分析

油井环空是一个相对独立的气密体系(见图1),由于机械采油和地层动态的影响,环空内存在气团涌动和热交换,所以环空内温度、密度、气体介质混合程度可认为近似均匀。若从套管口向环空内施加扰动压力Δp,则环空内的气体会出现一个压力、密度变化的界面向前运动,形成了向井底液面处传播并反射的压力波。

图1 油井环空示意图

压力波是指流场中某一局部区域或某一点处发生的微小扰动传递到其他区域的波动传播过程[8]。当Δp>0时该压力波以压缩形式传播;当Δp<0时该压力波以膨胀形式传播。因推导微弱扰动传播速度时并未指明扰动性质,所以声速表达式对微弱压缩波和微弱膨胀波都适用[9]。即,压力波的传播速度

(1)

式中,k为绝热指数;R为气体常数;T为绝对温度。

压力波进入油套环空的初始阶段,波阵面能量比较集中,能够稳定地沿环形管道向井底传播,有利于在遇到的接箍上形成明显的接箍反射波。随着传播的继续,压力波的能量逐步衰减,尤其是在靠近内环柱面的油管外壁,因持续受到油管接箍的阻挡,致使边界层的稳定状态逐渐被破坏,边缘反射能力变差,加之环空构造的低频特性[10],高频信号分量受到愈发严重的抑止,所以形成的接箍波越来越不规则,幅度越来越小,直至湮没于背景杂波信号之中或趋于零电平。当压力波传播至液面时遇到完全阻挡,在无泡沫层阻隔的情况下,压力波将会形成完整清晰的液面反射波传播至井口。

2 扰动压力Δp的加入

2.1 动塞式回压测试井口装置

向环空注入压力需符合现场工艺规程且要简捷有效,为此设计了动塞式回压测试井口装置(见图2)。测试时通过控制静压活塞向前或向后快速单向移动,对压缩室及环空气体进行挤压或膨胀,便可在环空内产生一个静压力变化的Δp信号,由此形成压力波传播与反射,压感元件把接收到的回压信号转换为电压信号传送给测试仪器,完成测试工作。

图2 井口回压测试装置示意图

从声波反射原理得知,平滑物面利于声波反射。同理,信号波的波前平面效果越好,则信号波的界面反射效果越好。参考高压喷射流场数值模拟的相关研究结果[11],可以看出,平面活塞挤压波的波前平面效果优于高压气释放混合波的波前效果。借鉴上述理论及实践经验,认为平面压力波信号应用于环空液面测试是可行的。

压感元件接受转换信号、测试仪数据采集处理等环节,回压测试与回声测试完全通用,本文只讨论源信号的产生方式与效果,该环节才是回压测试与回声测试2种方法的本质区别所在。

2.2 Δp的延时问题

由于是以间歇式的机械动作生成压力波,限制了Δp的生成速度,特别是在人工方式操作时,加入扰动压力的动作从开始到结束所用的加压延时Δt比较大,这与生成接箍及液面反射波的要求存在矛盾。扰动压力波变化速率越慢越不利于形成清晰、精确的反射波,尤其是不利于生成接箍波,这将导致无法以接箍波作为标尺去标定回压测试曲线的实际距离。所以扰动压力的选择应以有利于形成均匀清晰的接箍波为目标,这就需要尽力加快扰动压力信号的加入速度、减小加压延时。

限定Δt的主要因素:环空波速c,经验值260～460 m/s;接箍间距(即油管长度)d,确定值9.6 m;液面波宽度w,经验值0.2～0.5 s。

理想的信号延时限定目标

Δt

(2)

式中,d为接箍间距,确定值9.6 m;cmax为环空最大波速,经验取值460 m/s。

则Δt<0.02 s。

式(2)的含义:加压延时需小于压力波传播1个接箍间距所用时间,这样测试曲线就不会形成接箍波重叠的粘连、分叉现象。显然,在间歇式机械动作方式下,加压信号延时难以达到0.02 s这样快的速度要求。

其实,式(2)中Δt的限定时间可以适当延长。根据井口结构和接箍分布,假设压力波传播1个接箍间距所用的时间为tL,考虑到有井口阀门短管存在,反映在测试曲线上,从发生Δp信号开始,至各个接箍波陆续返回所用时间:第1个接箍波,t1≥2tL;第2个接箍波,t2≥4tL;第3个接箍波,t3≥6tL;第n个接箍波,tn≥2ntL。

那么即使出现

Δt=6tL=6d/cmax=0.12 s

则Δt≤t3。

就是说在第3个接箍波到达时,加压延时已经截止或刚好截止,不会干扰到此后接箍波的生成。只要保证该Δt值不至于干扰液面波的形态,并且还有一定数量的后续接箍波,就不影响数据计算以及测试结果的合理性。当然,这是在不能达到更高的Δt目标值时,退而求其次的选择。所以,信号延时的另一限定目标

Δt≤wmin/2

(3)

式中,wmin为最小液面波宽度,经验取值0.2 s。

则Δt≤0.1 s。

式(3)的含义:加压延时不大于液面波宽度的一半。这样的扰动信号既能生成较好的接箍及液面波,亦可避免出现自身干扰。如果加压延时超过液面波周期的1/2,将可能导致液面波出现畸变,缺少周波形态,被误认为是意外干扰波而非液面波。一条接近正弦或余弦形态的周波曲线、或者一条看上去规则、自然的起伏波形曲线,才是液面波所应具有的特征。

2.3 Δp的能量问题

波动信号能量的大小,不仅关系到接箍波形态和液面波幅度,更影响到测试距离。鉴于油井环空距离一般都在2 km左右,压力波信号需要经历一个往返,才能把相应的液面数据信息带到井口由压感元件接收。伴随信号的传播,阻力全程分布,导致源信号Δp的能量被持续衰减,如果压力波信号的能量不足,在遇到液位较深的环空时,就有可能测不到液面数据,因此,需要设法增加扰动压力信号所含有的能量强度。

借鉴流体的波动性能研究中关于声波速度及能量的公式推导,前已述及式(1)对于声波和压力波的通用性。同样,声波的能量表达式也适用于压力波。因此,扰动压力波Δp的能量

(4)

式中,ΔE为扰动压力波能量;V0为体积元;pA为压力波振动幅值;ρ为介质密度;c为环空波速度。

根据式(4),结合回压测试井口装置和油井环空情况可知,加大压缩室容积或提高扰动波的注入压力,有利于增强扰动压力波的信号能量。

3 试验过程

回压测试方法是以Δp作为信号源进行的,加压动作的不同组合,代表了不同的源信号性质,所生成的回波曲线形状各异,需根据接箍波和液面波的综合效果加以选择。信源方式组合:①全波信源,压缩(或膨胀)+复位;②半波信源,只压缩不复位;③半波信源,只膨胀不复位。

图3 环空液面测试信源对比实验

图3是采用不同信源及动作组合方式获得的液面测试曲线,横坐标表示采集点数,纵坐标表示对应电平值。每组曲线上边是高频接箍波曲线,只选前500点绘图,着重观察起始接箍波;下边是低频液面波曲线,全选4 800点绘图,观察整条曲线。图3(a)对应的是“压缩+复位”全波信源方式,液面波呈现出2个不完整波形的折线波连接,折点[图3(a)中红色圆圈内尖峰]前波由压缩动作生成,折点后波由复位动作生成。可以看出“压缩+复位”的动作组合中复位动作多余,造成了接箍波幅度、宽窄差别过大,难以计数,以及液面波失去周波形态。因而,全波信源方式不可用。另一种全波信源“膨胀+复位”动作组合形成的测试曲线,与图3(a)所示特征基本相同。

图3(b)和图3(c)分别对应只压缩不复位和只膨胀不复位半波信源方式。对比分析认为,压缩波在形成接箍波和液面波时性能比较均衡,生成的接箍波数量较多且较规整,接箍波清晰度和液面波幅度均能满足数据处理的需要。

膨胀波低频特性好,有利于形成液面反射波,所以膨胀波信源的液面波幅度最大,这与下弦波较稳定的传播特性[12]有关。但是在Δt比较大时,膨胀波在环空中内环柱面的边界性能差,不利于形成稳定的接箍反射波,导致接箍波出现粘连、分叉,参差不齐。若要改善膨胀信源方式下的接箍反射波形态,最有效的方法是提高加压速率、减小Δt。但限于膨胀信源的动作方式,0.1 s已接近间歇式机械动作的最小值,而此时的接箍波形态仍不理想。因此,回压测试应选择压缩半波信源方式。

通过对比分析以上3种信源方式的曲线效果可见,回压测试所需要的源信号,只是一个压力状态的瞬时跃变,而且应该是具有一定能量、足够迅速、压力由低到高的正向跃变,即可获得含有接箍及液面信息的反射回波曲线。

实验中通过反复观察对比信源效果,认为冲击式加压的测试数据比静态启动加压更为理想。所谓冲击式加压,就是模仿用锤头钉钉子的动作,在环空压力较低时,可以挥手突然拍打到动塞式回压测试井口装置的压把上并顺势继续向前推压,这将有效增强压力信号的正向跃变效果;而静态起动加压就是握住压把从静态开始启动形成压力信号。显然,冲击加压信号的正向跳变前沿在形成反射波时,比静态启动信号具有更大优势。这说明回压测试效果不仅与动作结构即信源组合(全波、半波、压缩、膨胀)方式有关,还与动作的启动(冲击、静态)方式有关。按照上述加压信号的启动方式区分,图3(a)、(b)、(c)属于静态启动加压,图3(d)则是按照冲击式加压方式进行测试的数据结果,图3(e)是用回声测试井口装置测得的回声信源曲线(气瓶压力4 MPa、同一台主机),以作为参照对比。通过曲线形态观察和数值计算,认为冲击式加压信源,在保持了低频液面波的良好特性基础上,还在高频接箍波的形态方面,显示了比静态启动加压信源的高频曲线更为规整、满幅数量多的特点,达到了回声测试信源在气瓶压力较低时的测试效果。

4 数据分析

液面计算方法有若干种,综合分析认为接箍比例计算法适用性最好,其计算方法简便,结果也较为准确。

接箍比例法液面深度计算公式

D=H·L·n/h

(5)

式中,D为环空液面深度;H为曲线起点至液面波的采集点数;L为接箍间距即油管长度;n为选定接箍间距数量;h为选定接箍段对应的采集点数。

利用接箍比例算法对图3(b)、(d)、(e)这3组接箍规整、量多的测试曲线进行计算,液面深度分别是1 854、1 860 m和1 862 m。由于图3(a)、(c)这2组曲线的接箍波过于凌乱,只用于观察,不宜用于计算。

由于环空状态的多样性,测试信号在传播过程中受到多种因素制约,如压力、温度、介质成分及密度、环空弯曲及偏心形状、接箍清洁程度及界面泡沫覆盖程度、生产动态、源信号的延时及能量强度等,都会影响测试数据的准确性。

理论上,回压测试中未向环空加入任何介质,也没有从环空向外排放任何介质,扰动压力传播以绝热形式进行,环空的混合气体不会在测试前后发生温度、压力、密度、介质成分及构成比例等数据的改变。因此,实验测试中液面深度的重复差值,只是由于测试系统自身误差和生产动态变化造成的,故测试精度可以做得更高。

5 结束语

(1)压力波是进行环空液面测试的根本载体,回压测试方法可维持环空自然状态不受影响,系统自身干扰可控,工艺简单、环保。

(2)回压测试所需信源,应具有一定能量、正向(压缩波)跃变速度快、波前平面效果好。

(3)回压测试方法尚需在实际应用中经受检验,在应对环空高压、提高信源加压速率及能量方面应继续深入研究,验证其实用性、合理性。