液面自动监测系统在提捞井的应用

谢晓辉（大庆油田有限责任公司第三采油厂）

提捞是低产井的一种有效采油方式，对提捞井抽汲过程中液面高低及其恢复程度的准确判断直接影响其生产效率。国内部分油田曾采用回声仪定期人工测试的传统测量方法来指导提捞作业[1]，传统液面测试仪器设备便携性差、操作过程繁琐，且用氮气瓶或者无弹头子弹作为声源存在一定危险性，且对操作人员素质要求较高、不能实现定时密集监测、很难精准有效的实时监测液面恢复程度。

对液面恢复程度的准确判断是影响提捞采油抽汲产量的关键因素。目前常规做法是技术人员结合每次抽汲下放的钢丝绳长度来判断液面位置进而折算出液面恢复速度，该做法准确度不高且难以做到实时监测。若判断的液面恢复时间短于实际恢复时间，则会导致液面还未完全恢复，下次抽汲作业就已经开始，不但不能增加原油产量，还增加作业频次及柴油消耗。液量若严重不足还会导致橡胶干磨使得密封性变差，增加配件维修成本。反之，判断的液面恢复时间长于实际时间则会使液面过高造成油井不能正常发挥。作业间隔过长，提捞装置潜能没有完全发挥，出现有油却不能及时捞出的问题。因此，拟采用数字化智能技术指导油井提捞，即通过在井口安装液面自动监测仪器，实现声波自动化发射，液面数据自动采集、分析处理，液面达到预定待抽汲深度自动提醒等功能来准确及时的监测液面深度，借助数字化技术指导提捞井作业制定合理的间抽制度，做到实用性、适用性、高效性相统一。

1 液面自动监测系统

1.1 原理及监测过程

液面自动监测系统采用“回声法”测量液面深度。由井口气爆发声单元发出声波，其公式为：

式中：H为油井液面深度，m；v为声音在井筒内空气中的传播速度，m/s；t为声波从发声装置产生后沿井内空气向下传播到液面再经过液面反射回井口被地面微音器接收所经过的时间，s。由于受到井内温度、压力及气体密度等因素影响，该声波速度需要经相应公式计算并修正后确定。

根据每口井的自身特点，结合技术人员的经验，预先将监测仪设定好合理的采集频率，然后用继电器控制电磁阀使气爆单元发声。声波沿井筒空气进行传播，被液面反射的回声波经采集单元收集处理后便会得到固定时间间隔的测试数据[2]。数据经过信号转换及处理，远传至台式机上的决策系统和手机上的移动终端。在电脑和手机上可进行参数设置、数据检索、历史回放、报表输出等功能操作[3]，方便及时制定出合理的油井提捞计划，从而有效的进行提捞作业。

1.2 系统组成

提捞井液面自动监测系统主要包括位于提捞井口的液面远程监测仪、位于后方的服务处理器及供决策的客户端三部分。其中，液面远程监测仪主要包括位于主控制柜内用于控制各个硬件动作的主控制器、气爆发声单元（包括电磁阀、加压气泵、储气罐三部分）、回波检测单元、套压检测单元、数据存储模块以及用于远程传输数据的4G、WIFI 传输模块等[4]。后台服务器由数据采集服务器、数据库服务器、查询终端等组成。数据采集服务器与各个液面监测设备之间建立网路链接，经过网路传输后对接收到的现场测试数据进行详细解析，并将解析后的数据存储到数据库服务器中供随时读取。客户端包括手机移动终端APP 和台式机管理平台。手机移动终端可随时随地了解提捞油井液面情况，台式机管理平台则利于多条件查询及指令的操作。液面远程监测仪按设定程序定时发出声波，测量油井液面深度，依据井场现场情况及数据量将分包，加密后的测量数据分别采用4G 和WIFI 两种方式利用双通道传输方式将数据传输至后台服务器。后台服务器采用科学的算法对数据进行计算并将计算数值进行优化处理，选择可靠度高的数值进行图形化直观显示[5]。其中，WIFI 数据传输模式需要通过井场RTU 与后台服务器进行通信，井场RTU 实现WIFI到以太网的转换。后台监控服务器对收集到的多路数据进行解析，完成数据对比功能，对数据进行智能优选[6]，并对优选数据进行液面计算，将结果存入SQLServer 数据库，台式机管理平台可以使得技术人员进行参数设置、数据修改、液面曲线查看等操作[7]。

液面自动监测系统采用STM32F103RET6 作为微控制单元，由次声波发生模块、模数转换模块、RS485 通讯模块、4G/WIFI 网络模块及电源和控制屏等部件组成，系统硬件组成见图1。首先利用压力传感器探测套管压力，当套管压力小于或等于0.3 MPa 时，控制器控制发生模块采用加压气泵加压，通过电磁阀放气制造次声波。当套管压力大于0.3 MPa 时，控制器控制发生模块利用套管气产生次声波[8]。声波通过套管内空气介质向下传播，遇动液面反射后向上返回地面，由微音器接收经处理后转化为电信号，再经过功放、滤波、A/D（模拟信号/数字信号）数模转换模块处理后发给微控单元，经过解释处理后打包传输至数据采集服务器，以供技术人员分析，从而制定出合理的提捞制度[9]。

图1 系统硬件组成Fig.1 System hardware composition

1.3 数据传输主要流程

提捞井液面自动监测系统需要将液面测试相关数据和设备事件信息上传至数据采集服务器[10]。其采集与传输数据主要流程为：无线网卡配置初始化后设置Ad-Hoc 模式，设置essid 启动网卡并配置IP、AODV 协议加载启动、启动监测主程序、经过逻辑判断当达到采样时间后对声波和压力信号进行采集（定时采集液面数据及套管压力数据）、将数据进行A/D 数模转换、数据封包、执行TCP/IP 通信进程、数据包发送。

1.4 液面实测

以A 油田B 提捞井为例，数字化监测仪与井口套管连接，利用太阳能供电装置为设备供电，按设定频率获取测试数据后，经由无线远传系统将测试数据远传至决策系统。设置好合理的监测时间间隔后，监测仪自动按要求录取液面深度数据，经计算机处理后形成直观的液面曲线。液面监测曲线见图2。B 井4 月12 日提捞完成后，液面深度降至1 400 m附近。由于地层能量的供给，井底流压大于井内静液柱的压力，液面随时间稳步上升，逐渐恢复。4 月16 日液面深度达到1 000 m 左右且趋于平稳，此时采取人工提捞措施，将液面抽汲到1 350 m 预定深度。图2表明，数字化液面自动监测仪能够及时准确地监测液面恢复情况，直观地反映出抽汲时机，从而准确指导技术人员制定更加合理的间抽制度。

图2 液面监测曲线Fig.2 Liquid monitoring curve

1.5 数据误差

为了验证智能监测系统的液面深度数据准确性，在B 井安装自动采集装置，进行采集的过程中采用同时段下放钢丝绳探深方式进行对比试验。通过对提捞设备加装钢丝绳下放深度精准计量装置测深并记录测试时间点，将现场实测数据与回放后监测曲线同时刻数据进行对比，液面深度数据对比见表1。随着深度的变化，不同深度钢丝绳实测值与智能监测数据差值也发生变化，液面深度300 m 左右时，二者差值1 m 以内，差值很小。随着测试深度的增加，误差有变大的趋势。液面深度900 m 以上时，差值4.5 m。折合成每1 000 m 误差大概在5 m 之内，能够满足提捞井生产要求。

表1 液面深度数据对比Tab.1 Comparison of liquid depth datam

2 应用效果

2.1 应用情况

2022 年对A 油田某采油厂5 口提捞井进行液面监测数字化改造试验，安装液面自动监测设备。试验前后节能情况对比见表2。

表2 试验前后节能情况对比Tab.2 Comparison of energy conservation before and after the test

5 口提捞井在智能监测法指导下，单井月产油量均有提高，单井月提捞作业次数也有所减少，数字化改造试验后，既减轻了工人劳动强度也节约了柴油。真正做到了节能降耗，实现了降本增效。

2.2 经济效益对比

1）试验实施前后对比，单井月采出油量较措施前最高增加11.3 t，平均单井月采油量增加7.8 t。5 口油井月增加采出油量合计39 t，年累计增加采出油量达到468 t。按照原油价格3 000 元/t 计算，则年多创造效益140.4 万元。5 口油井月平均吨耗柴油5.9 L，累计年节约柴油1.08×104L，按柴油价格7 元/L 计算，年可节省燃油费7.56 万元。

2）智能液面监测技术应用后，系统根据液面的恢复情况实时自动给出合理抽汲方案，调节工作参数。单井月抽汲作业次数较实施前相比减少4 次，减轻了作业人员的施工劳动强度，具有一定的社会效益。同时节省了作业费用，提高了管理和技术水平，给油田生产管理和节能工作带来可观的经济效益。

3 结论

1）数智化液面监测技术可实现提捞井液面的动态监测及数据的远程传输。每1 000 m 深度误差在5 m 左右。相比于人工经验计算，其结果更加准确、详实、可靠。节约了人工测试成本，降低了工人的劳动强度。

2）数智化液面监测技术通过对液面数据的精准分析来制定具体的提捞作业方案，使抽汲制度更加合理，从而最大程度提高了油井产量，降低了能耗，真正做到了降本增效。

3） 数智化液面监测技术通过软硬件相结合，做到了数据采集精准及时，数据处理有效可靠，科学合理的指导了油田生产。数智化油田是科技发展的必然趋势，低产井老旧的人工经验间抽模式已经成为过去，油田开发正向着智能化、智慧化发展。