ClampOn 测砂仪在海上油田的应用

高树利 冯立卫（中海石油（中国）有限公司蓬勃作业公司）

渤海区域的海上油田因地质油藏复杂，断层十分发育，浅层构造破碎，油气分布及压力系统较复杂，属于多套油水系统的构造层状油藏。部分油井由于出砂严重导致无法生产[1]，基于生产过程中的出砂数量及动态状况，相对于绕丝高压充填工艺技术在油田的推广[2]，该油田则采用了ClampOn 测砂仪实时测算数据，来应对生产井出砂的问题，为生产状况做出相应的抉择。

1 ClampOn 测砂仪的工作原理

ClampOn 测砂仪基于ClampOn 公司的“超声波智能传感器”技术，含有一个新型过滤技术的数字处理单元，监测颗粒物时能更好地分析实际产砂状况，最终有助于增加生产井的收益。这种滤波技术集成了数以千计生产井的经验数据分析成果，应用于该型号的传感器之中。这种测砂仪可实现每秒128 次扫描1 MHz 范围内的频率。这表明其技术能力及滤波技术在获取和处理测砂数据方面，处于领先的地位。

测砂仪的特性是完全数字化，模拟滤波器，电子回路及放大器。此项技术包含一个强劲的带有大容量运行缓存的数字信号处理单元，打包在一起的模块化软件。传感器能同时处理多频段的超声波，全系列新型信号处理特性，包含终端滤波技术。不同的排气阀或流量条件能产生很多相互不关联的砂噪，该型号的传感器通过滤波技术几近完美地解决这些难题。既能减少噪音的干扰，也会提高精度和准确度，使得产砂数量等重要参数，成为日常测砂管理操作的关键依据。没有其它的技术能像ClampOn 传感器一样，满足用户对效益和测砂生产的追求。

2 ClampOn 测砂仪的特性

对油气生产者来说，油气井里的含砂是个严重的问题。即使井液中的数量不多的颗粒砂，也能引起严重的破坏，避免出砂的挑战几无可能，所以需要尽可能地增加生产井的良好产出率。因此，ClampOn 测砂监控系统在全世界得到了广泛的应用。带有高性能滤波器的ClampOn 传感器坚不可摧，优化过的滤波器，能有效应对不规则的原始噪音，尤其适合挑战性的高温高压工况下的测砂监控。特性示意图见图1，传感器安装在管道的90°弯头处，其内部受颗粒/固体冲击管壁而产生超声波。超声波信号穿过管道，传到外部的超声波传感器。出厂的ClampOn 传感器都是校验过的，客户可以直接使用而无需再次校验，只要简单地在管壁上夹紧即可。拥有专利的ClampOn 智能传感器，将信号使用内部的数字处理单元测算、过滤及变送后，送至微机或控制系统。

图1 特性示意图

3 测砂选型及运行分析

海上油田主力含油层系发育于新近系明化镇组下段和馆陶组，储层岩性为河流相沉积的陆源碎屑岩，所有馆陶组层位小于44 μm 的细粉砂含量大于或等于11%，油田储层段的地层砂不均匀系数和细粉砂含量均较高，地层砂极为不均匀[3]。由于油层胶结疏松、细粉砂含量高[4]，测砂系统的选型按照200 年一遇的地震（连续2 震波） 强度：垂直0.25 g，水平0.50 g；风速为百年一遇的风暴35.6 m/s，每年工作条件的风速22.14 m/s（平均海平面以上10 m的3 s 阵风），选择了带有新型滤波器的ClampOn 传感器及配套控制系统，海上油田测砂仪架构如图2。

图2 海上油田侧砂仪架构

测砂仪装置夹在管道的外部，无损方式安装，用于探测超声波，监测油、气和多相组分生产过程中的固体/颗粒数量。正确的操作方式，是测砂仪需安装在管道90 度弯头处。这种方式下，流体中的颗粒在经过弯头时，很少有其它因素的干扰，检测仪得以搜集流体中的颗粒在管壁内碰撞时释放的真实能量。现场探测器内置的电子信号处理单元，直接过滤掉任何背景中的噪音扰动。现场单元依据流体中颗粒碰撞程度，计算出其释放的能量级。现场的检测仪将相关信息以数字格式，经由串行RS485 链接，送至生活区设备间的系统主控制柜。该控制柜装有存储趋势的接口计算机，现场接口电子部件和用于与系统串行通讯的模块。

系统配备了数字和模拟接口，兼容所有的通用协议，轻松地集成到现有的艾默生集散控制系统。一台装有ClampOn 软件的微机，用于连接ClampOn的测试仪器和控制系统。这台微机处理测砂传感器的原始数据和第三方的流量数据，计算出砂况，然后把计算好的含砂比率输出到设施的艾默生过程控制系统。所有记录的数据也被存储用于分析及校验。使用的数字接口，采用两种方式用于仪器软件的升级和配置，满幅信号范围分辨率，所有的传感器信号皆可变送且无信号丢失。

如图3 海上油田测砂仪波形曲线，展示了该油田一个带有新型滤波器的ClampOn 传感器，安装在高压和高速的油井管汇上，对其生产过程中的测砂信号，检测调制而成的经验值。波形曲线表明，由于采用了新型滤波技术，超声波形曲线Raw 看起来清晰明了，这表明传感器彻底消除了流量噪音，监测出生产中真实的出砂状况。

图3 海上油田侧砂仪波形曲线

4 应用效果

当砂粒从储油层产出时，降低了生产率，增加了维护成本，也给环境带来严重的危害。另外，由于油井出砂、结蜡等，造成部分油井功率损失较大[5]。出砂曲线见图4，红线是安全生产的上限，越接近红线，效益越好。在红线上方，可能连续出砂。 蓝线之下的安全距离， 不会产生砂粒，这是一种安全但是昂贵的管理砂粒的方式。生产井在红蓝区间继续向上增效时，依据出砂曲线，很快就是一个无砂井。当该井最后的一段时间没有出砂的时候，可以再次增加产量，这可能导致一次出砂，但应该让生产继续以观察趋势，确定下一个构造稳固的油层。

图4 出砂曲线

生产中，该油田的H79ST02 井电潜泵功耗异常变化，通过对测砂实时监测工况的分析，判断油井出砂的可能性较高，曲线正在接近而未超过红线。适当降低电潜泵频率避免马达温度持续异常后，开始对采出液进行取样化验，1%的砂量结果，出砂情况得到了很好的控制，验证了之前的判断，井下工况逐步趋于稳定。依据测砂曲线变化，避免了该井的压裂充填防砂作业，仅此一项，直接降本100余万元。H62ST01 井的测砂曲线虽然一直在红线上方，但趋势逐渐下行，通过加密取样化验、随时摇动油嘴以避免砂堵甚至砂埋等措施，将曲线稳定在红蓝线中间的位置，避免了一口日产原油1 000 余桶的油井由于砂埋而被迫停井的被动局面，直接每天增效300 万元以上。

投产以来，ClampOn 实时砂粒监控系统完全感知出砂的性质及状态趋势，当生产油层稳定时，掌握出砂是如何随着时间变化的。最后，找到生产井的最佳采出率区间，实现有效的和安全的无砂率（或可容许的），明显提高了海上油田生产井的效益，大大降低能耗及运营成本。

新疆石西油田

5 结论

ClampOn 测砂系统在该油田投用十多年以来，很好地检测了油田油气生产过程中的各种固体/颗粒工况，将管线和设备磨蚀损坏的风险最小化。在海洋石油资源高消费的生产情况下[6]，ClampOn 测砂系统技术运行稳定可靠，成为维持有效益的安全的砂粒管理工具，有力促进了海上油田生产井的效益提升，降低生产投入及维护成本，节约生产能耗，是安全生产强有力的依托和保障。同时，对其它油田生产及相关行业的出砂检测，具有一定的参考和借鉴作用。