礫石充填注砂量地面測(cè)量系統(tǒng)研究

黃艷芝，高國(guó)旺，賈恵琴，馮旭東，杜睿攀

（西安石油大學(xué) 光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)油田開(kāi)采都進(jìn)入了中后期，并且出砂嚴(yán)重，因此防砂、治砂已成為油氣井生產(chǎn)中的普遍需求。常用的防砂技術(shù)主要有4種：砂拱防砂、機(jī)械防砂、化學(xué)防砂和焦化防砂等，相對(duì)而言，機(jī)械防砂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低、效果明顯，約占到防砂作業(yè)的90%以上[1]。機(jī)械防砂技術(shù)需要根據(jù)油井生產(chǎn)實(shí)際狀況，對(duì)其進(jìn)行礫石填充，從而達(dá)到防砂的目的。這種礫石填充的作業(yè)過(guò)程和施工工藝在一定程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)，而且防砂的評(píng)價(jià)方法只是通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的防砂效果進(jìn)行對(duì)比和分析，直接的注砂量測(cè)量技術(shù)未見(jiàn)報(bào)道。

文中介紹了礫石填充的注砂方法，分析了注砂時(shí)砂粒與管壁碰撞后產(chǎn)生的信號(hào)特點(diǎn)，提出了采用超聲波傳感器檢測(cè)信號(hào)的注砂量測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了超聲波傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)以及試驗(yàn)方法等，構(gòu)成一套完整的注砂量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，屬于一種非接觸式的測(cè)量方法，無(wú)壓力損失，便于安裝和維護(hù)等。

1 礫石填充防砂中的注砂過(guò)程

在油氣生產(chǎn)的防砂作業(yè)中，機(jī)械防砂為常用方法。該方法將篩管或割縫襯管下入井內(nèi)防砂層段，然后用流體攜帶經(jīng)過(guò)優(yōu)選的合適粒徑的礫石，將其充填于篩管和油層或套管之間，形成一定厚度的礫石層，利用其阻止油層砂流入井內(nèi)的防砂方法。充填的礫石粒徑選擇依據(jù)油層砂的粒徑進(jìn)行匹配。油層中砂粒被阻擋于礫石層之外，通過(guò)自然選擇堆積在礫石層外形成一個(gè)由粗到細(xì)的砂拱，既有良好的流通能力，又能有效阻止油層出砂[2-3]?？梢?jiàn)管內(nèi)礫石充填施工，不只是把礫石注入井中，而是采用大型的專用注砂設(shè)備，利用抽砂泵把水和礫石一同注入防砂管柱中，注砂示意圖如圖1所示。在以前的注砂作業(yè)中，一般采用泵的排量和作業(yè)時(shí)間粗略的計(jì)量，準(zhǔn)確的注砂量計(jì)量長(zhǎng)期以來(lái)都是難題。所以本文在分析注砂過(guò)程中砂粒與管壁的作用效應(yīng)的基礎(chǔ)上，提出了一種非接觸式的注砂量測(cè)量技術(shù)。

圖1 注砂示意圖Fig.1 Note sand schematic

2 注砂砂粒與管壁的作用效應(yīng)分析

在注砂過(guò)程中，流體攜帶砂?？焖佥斔停捎谏傲５拿芏却螅谥惫芏紊傲⑴c管壁摩擦，并產(chǎn)生聲波信號(hào)，該信號(hào)只能用來(lái)定性的判斷管道內(nèi)是否含砂，并不能定量的計(jì)量砂量。進(jìn)一步分析，在砂?？焖佥斔瓦^(guò)程中，當(dāng)遇到管道彎管處時(shí)，在流體的帶動(dòng)下，與管壁發(fā)生碰撞并產(chǎn)生聲波信號(hào)。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)描述，砂粒碰撞管壁時(shí)產(chǎn)生的聲波信號(hào)頻率范圍在幾十至幾百kHz，故屬于超聲波信號(hào)[4-5]，并且該信號(hào)將沿著管道傳播砂粒與管壁作用的效果如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)上述注砂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬，利用超聲波傳感器檢測(cè)到的信號(hào)如圖3所示，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)和結(jié)果分析，驗(yàn)證了文獻(xiàn)中給出的信號(hào)特性。

圖2 砂粒撞擊管壁示意圖Fig.2 Sand hit the pipeline wall schematic

圖3 砂粒撞擊管壁的典型時(shí)域信號(hào)Fig.3 Sand hit the wall a typical time-domain signal

3 非接觸式的注砂量測(cè)量技術(shù)

從上面分析可知，管道內(nèi)的含砂量測(cè)量關(guān)鍵是超聲波信號(hào)的檢測(cè)，同時(shí)還需要對(duì)流體的流量進(jìn)行測(cè)量，因此整個(gè)非接觸式注砂量測(cè)量系統(tǒng)主要內(nèi)容包括：超聲波傳感器技術(shù)、流量測(cè)量技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等。文中所用的超聲波傳感器為項(xiàng)目組自行設(shè)計(jì)的，其性能滿足本系統(tǒng)的要求。傳感器的安裝位置在管道彎管處下方（流體流向，的管壁直徑1/4處，因?yàn)榇颂幍男盘?hào)強(qiáng)度最大[6]。下面將重點(diǎn)研究基于超聲波信號(hào)的注砂量測(cè)量信號(hào)檢測(cè)及信號(hào)處理。

3.1 信號(hào)采集系統(tǒng)

由于含砂檢測(cè)傳感器輸出信號(hào)為電荷信號(hào)，后續(xù)信號(hào)處理必須基于該電荷信號(hào)進(jìn)行處理，因此含砂信號(hào)的預(yù)處理電路包括電荷放大器、濾波器、放大等電路[7]。電荷放大器的作用是把壓電式傳感器輸出的高內(nèi)阻電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為內(nèi)阻低的電壓信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)阻抗變換，且輸出電壓與輸入電荷成正比。由于出砂信號(hào)的頻率分布有一定的范圍，該范圍之外的頻率是由噪聲和管道振動(dòng)等產(chǎn)生的干擾信號(hào)引起的。濾波電路的作用是提取有用信號(hào)，濾除噪聲和干擾信號(hào)[8]。出砂信號(hào)的真實(shí)頻率范圍與管道結(jié)構(gòu)、流體速度、砂粒大小等因素有關(guān)，參考文獻(xiàn)給出的出砂信號(hào)的頻率為100～750 kHz。為了充分消除由于管道振動(dòng)引起的低頻信號(hào)，以及結(jié)合自己的試驗(yàn)情況并綜合考慮國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將下限頻率取為50 kHz。

另一方面，為了便于在后續(xù)電路中采用DSP（Digital Signal Processor，進(jìn)行數(shù)字濾波，以進(jìn)一步進(jìn)行定量分析。為了保留由于細(xì)小砂粒高速撞擊管壁可能引起的高頻成分，頻率上限取為800 kHz。因此濾波電路的頻率范圍取為50～800 kHz。輸出放大電路的作用對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以便進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，為后級(jí)電路提供合適的信號(hào)，后級(jí)電路包括數(shù)據(jù)采集電路、出砂計(jì)算和顯示電路等。信號(hào)采集系統(tǒng)的流程圖如圖4所示。首先利用電荷放大器把電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，采集到的砂粒信號(hào)只有幾十mV，必須對(duì)其進(jìn)行放大，然后傳送到DSP的AD采集系統(tǒng)進(jìn)行處理，處理后的信號(hào)通過(guò)USB接口傳入計(jì)算機(jī)，并在上位機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。

圖4 信號(hào)采集系統(tǒng)流程圖Fig.4 Signal acquisition system flow chart

3.2 基于小波變換的信號(hào)去噪

電荷放大器輸出的電壓信號(hào)，包含了很強(qiáng)的噪聲，噪聲來(lái)源包括：流體產(chǎn)生的噪聲，環(huán)境噪聲（泵的電機(jī)、變速器，，以及傳感器和電路的熱噪聲等。所以信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)為噪聲的濾除，一方面采用硬件濾波，一方面采用軟件去噪。硬件濾波在信號(hào)采集系統(tǒng)中已經(jīng)進(jìn)行了考慮和電路設(shè)計(jì)，軟件主要是采用了小波閾值去噪方法。

1）小波去噪的原理

設(shè)一維觀測(cè)信號(hào)為：

其中 x（t）為含噪信號(hào)，s（t）為原始信號(hào)，n（t）為方差 σ2的高斯白噪聲。

對(duì) x（t）進(jìn)行離散采樣，得到 N 點(diǎn)離散信號(hào) x（t），n=0，1，2，…，N-1其小波變換為

Wf（j，k）為小波系數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，上式的計(jì)算很復(fù)雜，很繁瑣，而且小波函數(shù)φ（t）一般沒(méi)有具體的解析表達(dá)式，但可以用小波變換的濾波器組的的遞歸法實(shí)現(xiàn)Mallat算法，其遞歸公式為：

其中h和g分別對(duì)應(yīng)于小波重構(gòu)低通濾波器和高通濾波器。

2）小波除法的處理過(guò)程

小波除噪法濾波程序框圖如圖5所示，小波閾值收斂去噪的具體處理過(guò)程：將含噪信號(hào)在各尺度上進(jìn)行小波分解，保留大尺度低分辨率下的全部系數(shù)；對(duì)于各尺度高分辨率下的小波系數(shù)，即有用信號(hào)通常表現(xiàn)為低頻信號(hào)或是一些比較平穩(wěn)的信號(hào)，而噪聲信號(hào)通常表現(xiàn)為高頻信號(hào)。可以設(shè)定一個(gè)閾值，幅值低于該閾值的小波系數(shù)置為0，高于該閾值的小波系數(shù)或者完整保留，或者做相應(yīng)的“收縮”處理。最后將處理后獲得小波系數(shù)利用逆小波變換進(jìn)行重構(gòu)，恢復(fù)出有效的信號(hào)。

圖5 軟件濾波流程圖Fig.5 Software filter flow chart

3）仿真結(jié)果及實(shí)際信號(hào)處理顯示

在MATLAB上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)MATLAB產(chǎn)生一個(gè)原始含白噪聲的脈沖信號(hào)，如圖6所示。在仿真中對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行小波基分解去噪，得到如圖7所示的信號(hào)。通過(guò)上述圖中的信號(hào)對(duì)比可知，小波去噪效果還是很明顯的，滿足濾波要求。隨后在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中整個(gè)系統(tǒng)軟件濾波采用的就是小波除噪法，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)際效果如圖8所示，可以很明顯的看見(jiàn)界面上半部分的波形區(qū)別，左邊是采集到的原始含砂信號(hào)，右邊是除噪后的含砂信號(hào)。

圖6 含噪聲的信號(hào)Fig.6 Noisy signal

圖7 小波除噪后恢復(fù)的信號(hào)Fig.7 Wavelet signal recovery after noise removal

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

采用上述工作原理和方法，在室內(nèi)做了大量實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理后如表1所示。在螺桿泵最高轉(zhuǎn)速（50 Hz）情況下，采用標(biāo)準(zhǔn)石英砂（40～70目，密度 2.2 g/cm3），分別對(duì)混合流體的累計(jì)流量和累計(jì)含砂量進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)實(shí)測(cè)注液量與實(shí)際注液量、實(shí)測(cè)攜砂比與理論攜砂比進(jìn)行了誤差比對(duì)分析，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖8所示，驗(yàn)證了該方法的可行性，得到了相對(duì)精確的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)精度基本可以達(dá)到10%以內(nèi)，比起以前憑經(jīng)驗(yàn)判斷的精度有很大的提高。由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，注砂量只能達(dá)到10%，離油田實(shí)際要求的15%～20%的注砂量還有一定的差距，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法還有待改進(jìn)。

5 結(jié) 論

隨著數(shù)字化油田的快速發(fā)展，礫石填充含砂量及注液量自動(dòng)測(cè)量技術(shù)的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。本文從智能化、自動(dòng)化方面入手，研究了一套礫石填充過(guò)程中注砂量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礫石填充過(guò)程中注砂量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了該方法的可行性，取得了比較理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在礫石填充過(guò)程中，通過(guò)對(duì)注入?yún)?shù)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，提高采收率，延長(zhǎng)油氣井壽命。

表1 相同注液量不同注砂量情況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Data in the case of the same amount of liquid inject note of the amount of sand

圖8 含砂量監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示Fig.8 Monitoring results indicate that sand content

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