油井出砂監(jiān)測(cè)

1、油井出砂監(jiān)測(cè)何保生 ，謝雁 （中海油研究總院 ，北京 ）、防 砂控砂和優(yōu)化生產(chǎn)的依據(jù) 。摘要 根據(jù)砂粒在流體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及砂粒與管壁碰撞后產(chǎn)生的信號(hào)特征 ，建 立了室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng) ， 研制 了油井出砂監(jiān)系統(tǒng) ，在室內(nèi)試驗(yàn)和標(biāo)定的基礎(chǔ)上 ，開展了相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)試 驗(yàn) 。試驗(yàn) 結(jié)果表明 ，所 研制 的試 驗(yàn)系統(tǒng)和出砂在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)直徑為 以上的砂粒 ，通過(guò)設(shè)置稠油稀釋裝 置， 該系 統(tǒng)還可用 于稠油油井的出砂監(jiān)測(cè) ，有 關(guān)的監(jiān)測(cè)結(jié)果可作為災(zāi)害預(yù)測(cè) 關(guān)鍵詞 實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè) ；微 弱信號(hào) ；模擬系統(tǒng) ；油氣井出砂中圖分類號(hào) 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 文章編號(hào) （）在油氣井的開采過(guò)程中 ， 出砂是一種常見的現(xiàn) 素。 油井

2、出砂會(huì)給油田的正常生產(chǎn)帶來(lái)很大的危害 井產(chǎn)能等 ， 這將給油田帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和維修費(fèi)用 出砂情況 ， 并根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的出砂信息制定合理的防砂策略 稠油開采難度較大 ， 故可開發(fā)空間也很大 提高油井產(chǎn)量有著非常重要的意義 。目前國(guó)外研究了多種管道含砂量的檢測(cè)方法 纖聲波檢測(cè)法和聲納檢測(cè)法象，油氣井出砂的原 因可歸結(jié)為 地質(zhì)和開采 種因，如 ：油管砂堵 ，設(shè)備損壞 ，縮短油井壽命 ，降低油。 油井出砂的監(jiān)測(cè)可以使油田實(shí)時(shí)的了解油井的， 達(dá)到更好的控制油井出砂的目的 。 特別是， 因此 ， 研制一套能夠持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)稠油油井出砂系統(tǒng)， 對(duì)于測(cè)法對(duì)應(yīng)的檢測(cè)傳感器分為內(nèi)置式和外置式 液體對(duì)其的腐蝕作用

3、 ， 因此被廣泛使用， 包括 ： 聲波檢測(cè)法 、 檢測(cè)法 、 射線檢測(cè)法 、 光， 其中較成功且多數(shù)油田使用的出砂監(jiān)測(cè)技術(shù)主要以聲波檢測(cè)法為主。 聲外置式出砂聲檢測(cè)傳感器易于安裝 ， 且不用考慮流動(dòng)種， 試驗(yàn)系統(tǒng)研制為了模擬實(shí)時(shí)出砂率情況 ， 研 制了圖 所示的出砂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬 系統(tǒng) 。 該系統(tǒng)的特點(diǎn)是 ： 為了適應(yīng) 高黏度油的出砂監(jiān)測(cè)試驗(yàn) ， 設(shè) 置了 稠油稀釋裝置 ； 為了模擬各種不同 的流速 ， 設(shè)置了變頻調(diào)速 系統(tǒng) ； 為 了盡可能模擬油氣井管道中的砂粒 分布情況 ， 設(shè)置了攪拌系 統(tǒng) 。 該系 統(tǒng)可實(shí)現(xiàn) ： 模擬油氣輸送和自循 環(huán)過(guò)程 ； 測(cè)量管道內(nèi)輸送介質(zhì)的 流速或流量 ； 測(cè)試出

4、砂信號(hào)傳感 器的性能 、靈敏度 ； 驗(yàn)證管道內(nèi)含砂量的計(jì)算模型的正確性； 對(duì)出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行刻度和標(biāo)定。為了檢測(cè)出砂信號(hào) ， 研制了專用的出砂檢測(cè)傳感器，其 基本功能是能感受稠油中砂粒撞擊管壁引起收稿 日 期 基金 項(xiàng) 目 國(guó)家科技重大 專項(xiàng) （）。作者 簡(jiǎn)介何保生 （），男，年江漢石油學(xué)院畢業(yè)，高級(jí)工 程師，現(xiàn)主 要從 事油氣井工程的技 術(shù)與管理 工作 。第卷第 期何保生 等：油 井出砂監(jiān)測(cè)如圖 所 示，該軟件主要由信號(hào)的測(cè)試，開發(fā)了軟件系統(tǒng) 。從傳感器測(cè)得的信號(hào) ， 經(jīng)過(guò)硬件濾波 、放大等處理后 ，考 慮到易于現(xiàn)場(chǎng)工人操作 ，因此采用的是 ， 整個(gè)軟件系統(tǒng)的測(cè)試界面 、計(jì) 算、顯示，以及數(shù)

5、據(jù)的存儲(chǔ) 、回 放顯示組成 。圖 封裝的傳感器結(jié)構(gòu)圖 測(cè)試界面試驗(yàn)時(shí)采用石項(xiàng)砂代替地層砂 砂粒直徑的分布范圍為 以上的砂粒約占總出砂率的 砂粒直徑較小 。因 此試驗(yàn)準(zhǔn)備了。國(guó)外對(duì)稠油井出砂的砂粒直徑進(jìn)行了較為詳盡的統(tǒng)計(jì)和分析 之間 ， 其中直徑為 左右的砂粒所占的比例最高 我國(guó)油田砂粒直徑的分布也多在， 對(duì)于一些防砂較好的井 的砂 粒。經(jīng)過(guò)不同比例的稀釋 劑 、水和稠油，認(rèn)為，水油降粘劑的降粘效果最好 ，黏度下降近 倍，在時(shí)，原油原始黏度為 ，稀 釋后為 。 理論模型傳感器的輸出信號(hào) 與碰撞管壁的砂粒質(zhì)量和速度有關(guān) 個(gè)砂粒的速度 ，；在觀測(cè)時(shí)間 。設(shè) 是第個(gè)固體顆粒的質(zhì)量 ）內(nèi)共有 個(gè)砂粒碰撞

6、管壁 。則有 ：，； 是第 式中 ： 是與傳感器的靈敏度有關(guān)的系數(shù)道路中均勻分布 ；碰撞管壁的砂粒質(zhì)量，。假定 個(gè) 砂粒的平均速度為 與管道中總的砂粒質(zhì)量 ，；質(zhì)量和為 的關(guān)系為），；砂粒在管 ，則式 （）成為 ：的振動(dòng)信號(hào) ， 并將其轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量和傳輸?shù)碾姾苫螂妷盒盘?hào) 。這種振動(dòng)信號(hào)的頻率較高 ，同時(shí)，由 于砂粒很小 ，撞擊信號(hào)很微弱 ，且頻率高達(dá) ，國(guó)外技術(shù)較成熟的 傳感器測(cè)得的頻 率是在 。該系統(tǒng)中研制的傳器是壓 電傳感 器，敏感元件使用的是壓電陶瓷材 料 ，該材料靈敏度高 ，能 夠響應(yīng) 的砂粒信號(hào) ，且具有較高的介電常數(shù)和機(jī)械品質(zhì)因數(shù) ，因此能 量消耗小 （圖 ）。為了便于進(jìn)行實(shí)時(shí)觀

7、測(cè) 再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)） 式中 ： 為碰撞管壁的砂粒質(zhì)量占總砂粒質(zhì)量的比例由式 （）及式 （）可知 ，傳輸器的輸出信號(hào) 是單位時(shí)間內(nèi)的能量 ，即功率 ， 。由于所研制的傳感器 以電壓 （）表示出砂信號(hào)的 ，根據(jù)帕色伐爾定理 ，其功率可表示為 ：） ）石油天然氣工程 年 月式（）與式 （）、（）都是傳感器的出信號(hào)，且都是功率 ，因而二者之間的關(guān)系為 式中 ： 是由前置放大電路的增益確定的常數(shù) （） 式中 ： 是由實(shí)驗(yàn)室確定的常數(shù) ，；是管道內(nèi)流體的瞬時(shí)流量 決于數(shù)據(jù)采集與處理電路 。該系統(tǒng)中采用了 器輸出電壓小于該值時(shí) ，就無(wú)法進(jìn)行測(cè)量了 定的 。，。由式 （）并考慮式 （）、（）可得 ：），；

8、 為流體的橫截面積 ，。臨界值取位的 轉(zhuǎn)換芯片 ，最低有效位為 ，當(dāng)放大后的傳感。由式 （）、（）可知 ，該臨界電壓是由砂粒運(yùn)動(dòng)速度和質(zhì)量 確 試驗(yàn)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖和油介質(zhì)進(jìn) 行了測(cè)試，通過(guò)調(diào)節(jié) 單螺桿泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié) 流 速，根 據(jù)不同大小的砂粒在不同流速下的出砂信號(hào)及出砂 所示 。試驗(yàn)主要對(duì)水介質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系 ，由 式 （） 所示的理論模型測(cè)量出砂情況。試驗(yàn)內(nèi)容分為室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) ，其 中室內(nèi)試驗(yàn)水介 質(zhì)中的出砂試驗(yàn) 、工業(yè)潤(rùn)滑油介質(zhì)的出砂 、 稀釋后稠油介質(zhì) 的出砂試驗(yàn) ， 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是在井口管道上進(jìn)行的測(cè)試試驗(yàn) 。圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖統(tǒng) 室內(nèi)試驗(yàn)）基于水介 質(zhì)的出砂試驗(yàn) 將水和

9、稱好重的砂粒 粒徑為 的砂粒 ） 放入水中 ，采 用攪拌器攪勻 通過(guò)泵將混合均 勻 的介 質(zhì) 送入 測(cè)量管 道中，在管道的 彎管處安裝傳器，測(cè) 量出砂情況 ，測(cè)量結(jié)果如表 所示 。（，然后）基于工業(yè)潤(rùn)滑 油介質(zhì) 的出砂測(cè) 試 試驗(yàn)中注 入 罐 體 的 工 業(yè) 潤(rùn) 滑 油 的 體積為 ，砂?？?質(zhì)量 為 ， 攪拌均勻 后進(jìn)行測(cè) 量， 利 用注 入罐體 和回收罐 體對(duì)被測(cè)流 體重 復(fù)測(cè)試，并在表 第列所 示的 時(shí)間內(nèi)完成一 次 測(cè)量 ，測(cè) 量結(jié)果見表 。由表 可知，隨著測(cè)量次數(shù)的 增， 潤(rùn)滑油發(fā)生了乳化 ， ，誤 差增大 ； 乳化也與流加及攪拌的作用 減弱了傳感器的輸出信號(hào) 從表 中 也可看 出，

10、 速有關(guān) 。）稀釋后稠 油 介質(zhì)中的出砂 試驗(yàn)對(duì)黏 度為 釋后進(jìn)行 出砂測(cè)量，典 型 的測(cè) 量結(jié)果 如表 所示。由表可知 ，流速越小 ，的稠油經(jīng)稀誤差越大 ；砂 粒直徑越大 ， 誤差越小 。平均 流 速（）實(shí)測(cè) 含砂 量平均 誤 差表 基于工業(yè)潤(rùn)滑油的出砂測(cè)試運(yùn)行體積 流 量流速 實(shí) 測(cè)誤差時(shí)間（ ） （ ）出 砂 量 表 稀釋后的稠油介質(zhì)下出砂測(cè)試平均 砂粒 粒 徑平均 流 速（ ）誤 差表現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試數(shù)據(jù)表試驗(yàn)泵總 排 量測(cè)試 的累 計(jì)含 砂 量含 砂 率 水介質(zhì)下出砂測(cè)試結(jié)果表第卷第 期何保生 等：油 井出砂監(jiān)測(cè) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在勝利油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在不加稀釋 劑的情況下進(jìn)行了 測(cè)， 試 驗(yàn)

11、井的原油黏 度為 ， 試，結(jié)果如表 所示 ， 取樣測(cè)試軟件界面如圖 所示 。圖中左上 、 右上 、 左下 、右下方的曲線分別是包 括管道振動(dòng)等噪聲的傳感器輸出信號(hào)、 濾除噪聲后的出砂信號(hào) 、出砂功率譜信號(hào)和瞬時(shí)出砂信號(hào) 。 集輸站取樣測(cè)試結(jié)果 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)語(yǔ)根據(jù)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以 確定 該系統(tǒng)測(cè) 量 具有一定 的準(zhǔn)確性，并 且 可以得出 在 左 右，即的稠 油 介 質(zhì) 下 不 同 砂 粒在 不 同 速度 下 的 臨 界參 數(shù)。 在砂粒 粒 徑 為 下：流速為 時(shí)，監(jiān) 測(cè)系 統(tǒng) 測(cè) 量 不 到 信號(hào)；當(dāng) 流速大于 時(shí)，可以 測(cè) 到 少量 的信 號(hào)；在 流速大于時(shí) ，能對(duì) 砂粒定量功能 。出

12、砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某些條件下誤差較大，但 對(duì)區(qū)分災(zāi)難性的突發(fā)出砂和正常生產(chǎn)狀態(tài)下的持續(xù)穩(wěn)定出砂仍有較好的實(shí)用性 ，有 關(guān)的監(jiān)測(cè)結(jié)果可作為災(zāi)害預(yù)測(cè)的依據(jù) 。參考文獻(xiàn) ：，耿瑞芳，李相方，潘新偉 油氣井出砂信號(hào)的動(dòng) 態(tài)監(jiān)測(cè)與處 理 計(jì)算機(jī)測(cè) 量與 控制， （）： ，李邦超，肖斐，李紅南，等 疏松砂巖油層防砂機(jī)理物理模 擬 油氣地 質(zhì)與 采收 率， （）： 高國(guó)旺，李利品，宋汐謹(jǐn) 稠油油井出砂實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研 究 西安石 油大 學(xué)學(xué) 報(bào)， （）：編輯 蘇開科第卷第 期何保生 等：油 井出砂監(jiān)測(cè) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 在勝利油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 試 ， 結(jié)果如表 所示 ， 取樣測(cè)試軟件界面如圖 括管道振動(dòng)等噪聲的傳感器輸出信號(hào)， 試驗(yàn)井的原油黏度為 ， 在不加稀釋 劑的情況下進(jìn)行了 測(cè) 所示 。 圖中左上 、 右上 、 左下 、 右下方的曲線分別是包 、 濾除噪聲后的出砂信號(hào) 、出砂功率譜信號(hào)和瞬時(shí)出砂信號(hào) 。圖 集輸站取樣測(cè)試結(jié)果 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)語(yǔ)根據(jù)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù) ，可以 確定 該系統(tǒng)測(cè) 量 具有一定 的準(zhǔn)確性，并 且 可以得出 在 左 右， 即的稠 油介質(zhì)下不同砂粒在 不同速度下 的臨界參 數(shù)。在砂粒 粒徑為 下：流速為 時(shí)，監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)測(cè)量不到信號(hào)；當(dāng)流速大于時(shí)，可以測(cè)到少量的信號(hào)；在流速大于 時(shí) ，能對(duì) 砂粒定量功能 。出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某些條件下誤差較大，但 對(duì)區(qū)分