液面監(jiān)測技術(shù)調(diào)研.doc

液面監(jiān)測儀的調(diào)研井漏是鉆井工程中常見的復(fù)雜事故，對鉆井工作危害極大。井漏發(fā)生后需要盡快準(zhǔn)確地確定漏失層的位置，以便及時(shí)采取有效的堵漏措施，保證鉆井生產(chǎn)繼續(xù)正常進(jìn)行。因此，漏失層位置測定方法與儀器的研究，對復(fù)雜地質(zhì)條件下的鉆井生產(chǎn)有十分重要的意義。通過對國內(nèi)外用于漏層位置測量的儀器的調(diào)研，根據(jù)傳輸方式分成以下三種類型測漏儀。一、 電纜式1 工作原理與性能參數(shù)1.1工作原理測量時(shí)流量計(jì)以分流方式工作，全井流量的大部分由旁通短節(jié)上的旁通孔(見圖1)進(jìn)入流量計(jì)外部與保護(hù)筒內(nèi)壁之間的環(huán)形空間，在這里流體作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)下端承托接箍流出保護(hù)外筒。一小部分由保護(hù)筒外阻流環(huán)與井壁間的間隙流過，采用電磁流量傳感器來測定沿井筒各點(diǎn)鉆井液漏失流量的大小，傳感器測得的流速與全井平均流速成對應(yīng)關(guān)系。儀器將數(shù)據(jù)量化、放大處理后，送給電纜遙傳系統(tǒng)的井下部分(稱為遙傳短節(jié))。遙傳短節(jié)對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、調(diào)制、放大等處理，通過電纜送到地面。電纜遙傳系統(tǒng)的地面部分(位于地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中)接收到信號后,進(jìn)行放大、濾波、解調(diào)、解碼等處理,通過相應(yīng)的配套軟件實(shí)時(shí)地繪制出流量隨井深變化的曲線，通過分析曲線而精確地獲取漏失的層位(見圖2)。井下測漏儀儀器電路分為4個(gè)部分：電源管理模塊、電磁流量計(jì)激勵(lì)電路及信號調(diào)理模塊、壓力溫度信號檢測模塊、信號采集模塊。電源管理模塊提供井下電路各部分所需電源，并控制各電路的節(jié)電工作模式切換。電磁流量計(jì)激勵(lì)電路及信號調(diào)理模塊主要負(fù)責(zé)激勵(lì)信號的產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)，并檢測出傳感器電極上的電壓，經(jīng)放大、整形后處理成標(biāo)準(zhǔn)方波信號，提供給信號采集模塊。壓力溫度信號檢測模塊測量壓力、溫度2種參數(shù)，經(jīng)信號檢測、放大、處理，轉(zhuǎn)換成方波信號輸出到信號采集模塊。圖1測漏儀裝置結(jié)構(gòu)1旁通短節(jié)；2旁通孔；3懸掛器；4阻流環(huán)；5上扶正器；6測量段；7電池筒；8下扶正器；9保護(hù)外筒；10下端承托接箍圖2井下測漏儀總體系統(tǒng)組成1.2 性能參數(shù)測漏儀的工作溫度不大于125，最大耐壓60MPa，啟動(dòng)排量1m3/d，最大排量1200 m3/d，連續(xù)測量時(shí)間11h，采樣周期為10s，儀器接口標(biāo)準(zhǔn)為RS232。2 遙傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路高速遙傳系統(tǒng)應(yīng)完成的功能有：地面及井下的數(shù)據(jù)通信(主要是數(shù)據(jù)的整理、編碼、調(diào)制解調(diào)、解碼等)；對井下儀器總線(井下儀器工作在1553總線上)的控制，通過地面儀(采用VME總線通信)的控制組織下井儀器工作、遙傳系統(tǒng)的自檢等。因此,高速遙傳系統(tǒng)分為地面和井下2個(gè)部分，通過電纜連起來。遙傳系統(tǒng)的地面部分稱為遙傳模塊，包括VME總線接口、地面調(diào)制解調(diào)器部分、電纜驅(qū)動(dòng)等。高速遙傳系統(tǒng)的井下部分稱為遙傳短節(jié)，包括井下電纜接口、井下調(diào)制解調(diào)器部分、電纜驅(qū)動(dòng)等。調(diào)制解調(diào)器負(fù)責(zé)通過電纜的數(shù)據(jù)傳輸，是遙傳系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵所在：遙傳短節(jié)中的井下儀器總線控制器通過井下儀器接口控制各下井儀器的工作，為了滿足測井儀器的實(shí)時(shí)工作要求以及系統(tǒng)的向下兼容性，遙傳系統(tǒng)采用半雙工工作方式。遙傳模塊與成像地面儀之間通過VME總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。VME總線是目前世界上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)總線，其最大特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率高、支持能力強(qiáng)、抗震、抗腐蝕性等能力明顯優(yōu)于其他總線。3接口電路設(shè)計(jì)要求在單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)工作時(shí),接口部分必須有下列功能。(1)電壓隔離。因?yàn)閱纹瑱C(jī)是在5 V的低壓下工作，而步進(jìn)電機(jī)是在幾十甚至一百多伏的高壓下工作，一旦步進(jìn)電機(jī)的電壓竄到單片機(jī)部分，則會(huì)引起單片機(jī)的損壞；或者步進(jìn)電機(jī)部分的有關(guān)信號干擾單片機(jī)，也會(huì)引起系統(tǒng)工作故障，因此，接口部分應(yīng)能把單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)回路隔離開來。(2)信息傳遞。接口部件應(yīng)能把單片機(jī)的控制信息傳遞給步進(jìn)電機(jī)回路。(3)產(chǎn)生工作所需的控制信息。對應(yīng)于不同的工作方式，接口部件應(yīng)能產(chǎn)生相應(yīng)的工作控制電壓波形。(4)產(chǎn)生工作所需的不同頻率。為了使步進(jìn)電機(jī)以不同的速度工作，以適應(yīng)不同的目的，接口部件應(yīng)能產(chǎn)生不同的工作頻率。4 小結(jié)測漏儀主要針對高溫高壓條件下深井、超深井鉆井作業(yè)的需要研制，同時(shí)還可應(yīng)用于油田分層注水流量的測定等。其檢測部分為一整體部件，不會(huì)出現(xiàn)卡、堵等問題，特別適合測量固、液兩相介質(zhì)，且量程范圍大，測量精度高，測量數(shù)據(jù)由配套軟件進(jìn)行處理,自動(dòng)生成圖形。二、 聲納式1 聲納環(huán)空液面監(jiān)測儀工作原理及優(yōu)勢原理：聲納環(huán)空液面監(jiān)測儀是測試井內(nèi)液面動(dòng)態(tài)的儀器，它采用便攜式非爆炸(氣壓槍)作為動(dòng)力源，用預(yù)先準(zhǔn)備的氮?dú)馄坷锏牡獨(dú)庾鰟?dòng)力，采用計(jì)算機(jī)定時(shí)(每隔1-2min)控制井下液面監(jiān)測儀發(fā)出聲納脈沖波，脈沖波通過環(huán)空傳至井下液面。在此過程中，聲納每遇一個(gè)鉆桿接箍便向地面返回一個(gè)脈沖波，測出反映管串接頭數(shù)目的曲線B；直到遇液體后返回，得到反映液面位置的曲線A，快速計(jì)算液面井深(聲納法)，計(jì)算機(jī)接收從鉆桿上返回脈沖，利用脈沖波在鉆桿接頭上傳播時(shí)振幅發(fā)生變化，通過對各種井下噪聲信號進(jìn)行過濾，計(jì)算接頭數(shù)就得到了液面深度(平均法)，并在計(jì)算機(jī)上記錄深度變化曲線。故所得數(shù)據(jù)是在線的、實(shí)時(shí)的。優(yōu)勢：鉆遇漏層后、應(yīng)盡快對剛裸露的原始狀態(tài)的地層進(jìn)行測試，避免因漏液對漏失通道的污染和堵塞而影響測試準(zhǔn)確度。液面實(shí)時(shí)監(jiān)測儀可在不起鉆的情況下測試，也可在關(guān)井及井內(nèi)有壓力的情況下測試，亦可追蹤液面連續(xù)變化探測。操作簡便迅速，兩三分鐘便可測試一次，其主要功效有：探測靜液面井深，計(jì)算漏層壓力，提供堵漏劑選擇，得到制定堵漏工藝的依據(jù)。進(jìn)行漏層水力特性研究，可對地層進(jìn)行動(dòng)液壓測試。一種是將井筒灌滿停泵，用液面實(shí)時(shí)監(jiān)測儀測試液面下降位置與時(shí)間的關(guān)系，再測出靜液面，計(jì)算漏層壓力；另一種是先用小排量泵送洗井液，使液面升高一個(gè)位置至穩(wěn)定，用回聲儀測出液面位置并記下排量，再逐次加大排量，照樣測出各次液面位置并記下排量,此法仍可測出靜液面位置，計(jì)算地層壓力。利用土述資料可以計(jì)算并繪制出P-Q漏層指示曲線；計(jì)算漏層吸收能力系數(shù)，計(jì)算漏失嚴(yán)重度；初步估量漏失通道的尺寸等。2 現(xiàn)場試驗(yàn)情況及分析聲納環(huán)空液面監(jiān)測儀在塔里木塔中井進(jìn)行了2口井3井次試驗(yàn)，在不同的工況(靜止、起下鉆、轉(zhuǎn)動(dòng))經(jīng)測量了多個(gè)井下液面深度數(shù)據(jù)，經(jīng)分析表明測試效果較為優(yōu)秀。表1 鉆具不轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 圖3 鉆具不轉(zhuǎn)動(dòng)分析圖顯然在這種工況下，由所測得的4個(gè)點(diǎn)誤差分析表明其測試結(jié)果具有很高的精度(誤差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1% )；二種計(jì)算方法的誤差差別不大，顯示儀器工作狀態(tài)正常。表2 鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖4 鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)分析圖表3 鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)30rpm試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖5 鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)30rpm分析圖誤差分析表明：整體誤差較小(最大不到3% )，儀器在此工況下仍然具有高精度；聲納速度法的誤差比平均長度法略小，超聲波法具有更高的精度；在鉆柱運(yùn)動(dòng)過程中對超聲波的監(jiān)點(diǎn)(確定液面所在接箍位置)判斷需輔助工程人員經(jīng)驗(yàn)?zāi)芴岣邷y試精度；兩種方法計(jì)算的差別誤差不大，顯示儀器在這樣的工況下仍然運(yùn)作良好。表4鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)60rpm試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖6 鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)60rpm分析圖在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中噪音對測試結(jié)果有較為明顯影響，使其第一點(diǎn)的測試誤差值達(dá)到4% (氣槍壓力為500psi)為了更好的監(jiān)測、過濾波形提采用高了氣槍壓力(1000psi)、重新設(shè)定現(xiàn)場溫度等參數(shù)值，其測試結(jié)果精度得到提高；分析表明儀器仍然具有良好的工作性能。在提高轉(zhuǎn)速的工況下噪音的影響加強(qiáng)測試結(jié)果誤差升高(近5% )為克服噪音的影響將壓力提高到(1200psi)得到很好的精度(2%左右)；超聲波法(儀器使用的方法)具有更高精度。小結(jié)：(1)聲納環(huán)空液面監(jiān)測儀、實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)測，測試深度得到大大提高(最深達(dá)到4000m)。(2)聲納環(huán)空液面監(jiān)測儀的應(yīng)用為壓力敏感性強(qiáng)、安全密度窗口窄、鉆井過程中溢、漏頻繁發(fā)生的施工增加了一雙“井下觀察的眼睛”，在井下液面監(jiān)測過程中，通過調(diào)整灌入泥漿量和灌入泥漿的密度，可使井下壓井泥漿處于動(dòng)平衡狀態(tài)中確保井下安全。(3)聲納環(huán)空液面監(jiān)測儀的應(yīng)用為井下漏失狀態(tài)下的各種特殊作業(yè)提供了可能性。其能保證了電測的安全性，對于井漏嚴(yán)重或敏感性地層，可以進(jìn)行放射性、成像、常規(guī)全套電測，避免了因考慮井下安全而放棄電測。不僅大幅度降低了成本，更重要的是最大程度地滿足了測井的需要。(4)聲納環(huán)空液面監(jiān)測儀還可擴(kuò)展應(yīng)用到鉆進(jìn)時(shí)的溢流、井漏實(shí)時(shí)監(jiān)測和報(bào)警，確保在第一時(shí)間對溢流、井漏情況作出準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，為堵漏作業(yè)以提高堵漏成功率提供強(qiáng)力保證。聲納環(huán)空液面監(jiān)測儀是一種高科技的井下液面實(shí)時(shí)監(jiān)測儀器，克服有線監(jiān)測的不足，能夠?qū)崟r(shí)反映井下液面的高度和變化情況，為井漏層位的確定提供精確的數(shù)據(jù)保障；為井控安全保提供障技術(shù)，既可保證井控安全，又能節(jié)約泥漿，減少復(fù)雜事故處理時(shí)間，是一項(xiàng)生產(chǎn)現(xiàn)場急需、應(yīng)用效果好、值得推廣的可廣泛應(yīng)用于鉆井、完井和試修作業(yè)的實(shí)用新技術(shù)。三、集成式1 工作原理液面測試采用回聲測深原理：井口裝置上的電磁閥擊發(fā)機(jī)構(gòu)按照設(shè)定的程序受控定時(shí)發(fā)聲，由微音器將井下接箍及液面反射波轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)濾波放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入單片機(jī)識別處理,獲得液面深度數(shù)據(jù)，完成液面測試功能。圖7為集成式液面自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖發(fā)聲裝置發(fā)出一個(gè)聲脈沖，聲脈沖沿著油井油套環(huán)空向井下傳播，當(dāng)遇到油管接箍、音標(biāo)和液面等障礙物時(shí)，產(chǎn)生回波，反射波由微音器接收，經(jīng)電路放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后，上傳到PC機(jī)，并繪制成液面曲線。聲速直接影響液面測試的精度，其大小主要取決于氣體的成分，其次是壓力和溫度。在油井油套環(huán)空中，套管口與液面的壓差就是套管環(huán)形空間內(nèi)氣柱的壓差，其值與套管口的套壓相比，一般很小，況且當(dāng)氣體成分一定、溫度變化一定時(shí)，隨壓力的增加，聲速增加量很小。因此，套管內(nèi)上下部由于壓力變化而引起的聲速變化一般可以忽略。套管內(nèi)氣體的成分不同，聲速也不相同。油井氣體中甲烷所占的比例較大，聲波由井口傳播到井下又反射到井口，對于間隔為9.6m的接箍，聲波來回的傳播距離就是19.2m，假如接箍波時(shí)間間隔為0.048s，可算得聲速為400m/s，再利用聲速和液面波就可以算得液面深度。液面深度計(jì)算方法為：在測試曲線上確定聲波的起始點(diǎn)，選擇B通道曲線上較清晰的接箍波(只要接箍反射波能辨別，長度盡可能選得長一些)，再確定測試曲線上液面波的起始點(diǎn)。圖8 液面深度計(jì)算示意圖圖8為液面深度計(jì)算示意圖，其中：H液深為計(jì)算的液面深度(m)；M管長為選取的接箍1到接箍2的油管實(shí)際長度(m)；h液記為從測試曲線上量得的井口波到液面波的長度(mm)；m管記為從測試曲線上量得的由選取的接箍1到接箍2的長度(mm)。設(shè)n為在測試曲線上(B通道曲線)選取的油管接箍個(gè)數(shù)，d管平為選取的由接箍1到接箍2之間相鄰兩接箍油管平均長度m(可從油井檔案資料庫中得知)，t為接箍1到接箍2的測試時(shí)間，T為井口到液面的測試時(shí)間，C為聲速，則M管長=nd管平 C=M管長/t液面深度為H液深=C T在測試井深時(shí)，只需在B通道曲線上選取m管記，并輸入單個(gè)接箍長度，就可計(jì)算出t、C；再在測試曲線上選取h液記，就可計(jì)算出液面深度。由液面深度計(jì)算公式可知：液面深度計(jì)算的精度主要與t和M管長有關(guān)，或者說與t、n和d管平有關(guān)。因而，m管記及對應(yīng)油管接箍個(gè)數(shù)n的選取是否準(zhǔn)確，直接影響液面深度計(jì)算的準(zhǔn)確性。2 測試系統(tǒng)的組成集成式液面監(jiān)測系統(tǒng)具有對液面深度和套壓自動(dòng)監(jiān)測功能，測試數(shù)據(jù)可保存在集成式監(jiān)測系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，也可通過PC機(jī)及時(shí)讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)，在PC機(jī)上顯示數(shù)據(jù)和繪制曲線，并通過打印機(jī)打印出所需報(bào)表。集成式液面自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)組成示于圖9。圖9 集成式液面自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)組成 2.1集成式控制儀集成式控制儀是集成式液面監(jiān)測系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)要求集成式控制儀能對井口裝置進(jìn)行控制，按時(shí)間表定時(shí)擊發(fā)提供聲波和對液面與套壓信號進(jìn)行放大采集保存，并能隨時(shí)根據(jù)PC機(jī)所傳指令更新參數(shù)設(shè)置，便于使用者操作和隨時(shí)查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，正確判定油井的工況。2.2井口裝置井口裝置采用W-型微音器，其輸出信號通過100m長的信號電纜進(jìn)入控制儀上的濾波板，經(jīng)平臺(tái)試驗(yàn)?zāi)軌驖M足液面測試要求。氣槍式發(fā)聲裝置用電磁閥驅(qū)動(dòng)擊發(fā)桿動(dòng)作產(chǎn)生聲脈沖，電磁閥的額定電壓為8010V，以提高擊發(fā)閥的開啟速度，增大聲脈沖的強(qiáng)度，改善井口波、接箍波的波形，以便控制儀進(jìn)行波形識別。2.3電流互感器電流互感器是電流敏感組件，使用時(shí)安裝在控制間電泵井三相供電電源任一相上，將電泵井的強(qiáng)電流信號所產(chǎn)生磁信號變換為弱電壓信號，經(jīng)放大后供集成式控制儀采集。2.4 PC機(jī)和打印機(jī)PC機(jī)是集成式液面監(jiān)測系統(tǒng)的外設(shè)備，集成式液面監(jiān)測系統(tǒng)是一種現(xiàn)場監(jiān)測儀器，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)是采用循環(huán)覆蓋方式保存，PC機(jī)須定期讀取所有油井的監(jiān)測數(shù)據(jù)，而打印機(jī)是及時(shí)輸出報(bào)表上交和對PC機(jī)內(nèi)所有油井監(jiān)測數(shù)據(jù)打印備份，防止PC機(jī)出現(xiàn)意外故障時(shí)無法調(diào)取監(jiān)測數(shù)據(jù)。3 測試要求測試工藝操作步驟：安裝井口連接器，用通訊電纜連接井口連接器和測試儀器；打開套管閥門，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)接收系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)。測試工藝要求：井口閥門關(guān)閉嚴(yán)密，無漏氣現(xiàn)象；測試時(shí)保持井口原有狀況，不要改變油套連通狀況。4 現(xiàn)場測試結(jié)果分析在CB-B平臺(tái)對集成式液面自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了檢驗(yàn)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用多井集成的方法，以檢驗(yàn)該系統(tǒng)對現(xiàn)場集成的適應(yīng)情況。選取的試驗(yàn)井有CB-B4井、CB-B9井和CB-B14井。安裝集成式液面自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)并連接井口裝置后，控制儀先選取放氣方式測試，后選取充氣方式測試。圖10和圖11分別為CB-B9井放氣方式液面測試的開始曲線和測點(diǎn)曲線(套管內(nèi)氣壓為0.975MPa)。表5為CB-B9井放氣方式液面測試結(jié)果。圖9 CB-B9井放氣方式液面測試開始曲線圖10 CB-B9井放氣方式液面測試測點(diǎn)曲線表5 CB-B9井放氣方式液面測試結(jié)果注：聲速