基于振動的非植入稠油井出砂監測系統試驗研究

劉 剛，劉澎濤，韓金良，陳 超

（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島266580）＊

稠油開采已經成為我國石油行業的重要組成部分，而將出砂冷采技術應用到稠油開采中，會大幅提高油井的產量，但卻面臨許多問題［1］。過量出砂會嚴重損壞油井生產設備，為地面后期的除砂帶來困難，過度防砂則會影響蚯蚓洞形成，降低油井產量［2］，因此提出了適度出砂的生產方法［3］。適度出砂生產技術是應用于海上疏松砂巖油田生產的一種開采技術，能夠有效地提高海上油田的開發效率。采用適度出砂技術需要一種有效的出砂信號監測系統來實時監測流體的出砂狀況［4］。

出砂監測方法主要包括出砂聲測法［5］和電阻技術法［6］，出砂聲測法存在監測延遲現象，更適用于氣井和稀油油井出砂監測；而電阻法主要是壽命短等問題。按照出砂監測設備安裝方式劃分，主要有植入式和非植入式2種，前者是將監測設備植入生產管道內，監測精度高，但安裝復雜；后者不植入生產管道，監測精度較低，但安裝方便。

因此，在不改變生產管道的情況下，為完成稠油油田適度出砂生產，設計了一套基于振動信號分析的非植入式稠油出砂監測系統，為出砂監測提供了新的思路。

1 振動信號采集與分析

1.1 振動信號采集系統

系統主要由硬件和軟件組成：硬件包括高頻振動傳感器、高速采集設備和計算機；軟件包括信號采集軟件模塊和信號處理模塊，信號采集原理如圖1所示。高頻振動信號由傳感器采集經過濾波放大，然后經過高速采集卡將模擬信號轉換為數字信號傳送到計算機，由信號處理程序對這一信號進行處理，從而實現振動信號的監測［7］。

圖1 出砂信號采集系統原理框圖

1.2 高頻振動信號的時頻分析

信號的時頻表示是指利用時間和頻率的綜合函數對信號進行表示，是非平穩信號處理的一個分支，是利用時間與頻率的聯合函數來表示非平穩信號，并對其進行處理和分析的方法［8］。

信號時域分析是對振動信號時間波形的分析，其描述的是振動大小隨時間的變化情況，是通過信號的時程波形來計算平均值μx、方差、均方值等特征值的，即

信號頻域分析是進行時頻變換，得到的是以頻率為變量的譜函數。常用的信號變化有快速傅立葉變化、溫格納－維利變換、小波變化等。以快速傅立葉變換為例，通過頻域分析得到信號的幅值譜或功率譜為

式中：X（f）為信號的幅頻譜函數；x（t）為采樣得到的時域信號；Sx（ω）為信號的功率密度函數；Rx（τ）為信號的自相關函數。

1.3 高頻振動信號采集軟件

根據對高頻振動信號的分析，開發了信號采集分析軟件，包括信號采集、時域分析、頻域分析等模塊。信號變換采用快速傅立葉變換；時域分析主要有均值計算、均方值計算、方差計算等；頻域分析主要有幅值譜分析、功率譜分析等。濾波器采用IIR濾波器，設有帶通、帶阻、高通、低通。軟件主要界面如圖2所示。

圖2 出砂信號分析軟件界面

2 砂粒撞擊試驗

為證明振動監測的可行性，設計了自然狀態下的砂粒撞擊試驗。主要試驗過程為：將石英砂粒以自由落體方式從一定高度灑落，撞擊貼有高頻振動傳感器的金屬管道外壁，傳感器接收砂粒撞擊產生的振動信號并轉換為電信號，并傳遞給采集儀；經過采集儀的濾波、放大、模數轉化等操作將其轉化為數字信號，之后傳遞給計算機；經過計算機上安裝的分析軟件進行時域分析和頻域分析，得到砂粒質量與監測信號之間的關系［9］。

試驗裝置如圖3所示，根據大量的試驗數據，得到了自然狀態下監測信號與砂粒粒徑、砂粒質量、撞擊速度等砂粒撞擊參數之間的關系，驗證了振動監測的可行性。

圖3 砂粒撞擊試驗裝置

3 出砂監測試驗

3.1 非植入式稠油出砂監測系統

出砂模擬試驗裝置如圖4所示，主要由出砂監測控制柜、油砂混合罐、變量柱塞泵、靶式流量計、加熱裝置以及信號采集系統等組成。振動信號采集系統主要包括采集儀、振動信號傳感器和計算機采集軟件等。

圖4 出砂監測試驗系統

在油砂混合罐中加入一定體積的稠油，實驗室內采用殼牌高品質耐磨齒輪油來代替稠油，然后分別加入不同粒徑及不同含砂量的砂粒，來模擬油井生產時不同含砂量的出砂狀況。試驗時通過流量計監測攜砂流速，通過加熱裝置控制流體黏度，通過高頻振動傳感器監測出砂信號。

非植入式出砂監測設備傳感器直接貼在管壁上，與植入式相比監測信號弱，因此需要模擬流體在管道中的流動，得到傳感器最佳安裝位置。通過FLUENT模擬，得到流體在彎頭處的流動情況如圖5所示。可以看出：在彎頭后2～3倍管徑長度下游處，流體的流動速度達到最大，砂粒撞擊管壁的速度也最大。傳感器安裝在此位置，理論上可以感應到最大的振動信號［10］。

圖5 彎頭處流體速度云圖

3.2 不同含砂量下出砂監測試驗

試驗流體選用殼牌的高黏度齒輪油作為攜砂流體，選用120目石英砂作為試驗砂樣，溫度維持為32℃，調節泵排量為0.16L／s，管道中流速為0.45 m／s，含砂量設定為無砂、0.3‰、0.5‰、0.7‰、1‰、2‰、3‰、4‰、5‰。

3.2.1 不同含砂量下出砂監測時域分析

根據出砂振動信號的分析處理方法，分別對不同含砂量條件下采集的出砂監測信號進行時域分析，得到各含砂量情況下的信號時域如圖6所示［11］。時域處理得到的各含砂量情況下出砂信號特征值如表1所示。

圖6 各含砂量下監測信號時域

表1 不同含砂量下的信號時域特征值統計

由表1中數據可得到砂監測信號的最大時域幅值、均方根值與含砂量的關系曲線，如圖7所示。由圖7可以看出：隨著含砂量的增加，出砂監測信號的時域幅值及均方根值等信號特征值逐漸增大，并且規律明顯，基本呈線性關系。

圖7 信號時域特征值與含砂量的關系曲線

3.2.2 不同含砂量下出砂監測頻域分析

分別對不同含砂量條件下采集的出砂監測信號進行自功率譜密度分析，得到各含砂量下信號自功率譜密度圖，如圖8所示［12］。處理得到各含砂量試驗條件下出砂監測信號的自功率譜能量統計如表2所示。

圖8 各含砂量下監測信號自功率譜圖

由表2中數據，可得出砂監測信號的自功率譜幅值與含砂量的關系曲線，如圖9所示。由圖9可看出：隨著含砂量的增加，出砂監測信號的自功率譜能量逐漸增大，并且規律明顯，且基本呈線性。

圖9 信號頻域特征值與含砂量的關系曲線

表2 不同含砂量下的信號頻域特征值統計

3.3 其他條件下出砂監測試驗

1） 不同流速下出砂監測試驗。選用120目石英砂作為試驗砂樣，溫度維持為32℃，含砂量為1‰，調節泵排量。通過試驗得到：出砂監測信號的時域幅值、方差值、均方根值等時域特征信號和自功率譜能量均隨含砂量的增大而增大，而且規律明顯。

2） 不同砂粒粒徑下出砂監測試驗。溫度維持為32℃，調節泵排量為0.16L／s，含砂量為1‰，依次選擇砂粒目數。通過試驗得到：出砂監測信號的時域幅值、方差值、均方根值等時域特征信號和自功率譜能量均隨砂樣目數的增大而減小，而且規律明顯。

3） 不同油樣黏度下出砂監測試驗。調節泵排量為0.16L／s，含砂量為1‰，砂粒目數確定為150目，依次調整溫度。通過試驗得到出砂監測信號的時域幅值、方差值、均方根值等時域特征信號和自功率譜能量均隨油樣溫度的增大而增大，而且規律明顯。

4 結論

1） 提出了一種基于振動信號分析的非植入式稠油井出砂監測方法，建立了一套室內稠油出砂監測試驗裝置以及基于高頻振動的信號采集系統。

2） 通過設計在不同含砂量、不同流速、不同砂粒粒徑、不同油樣黏度下的稠油出砂試驗，得到了監測信號與信號時頻特征值之間的關系，驗證了在室內試驗條件下稠油出砂信號監測的有效性，為現場出砂評價提供了一種新的思路和理論依據。

［1］Dusseault M.Cold Production and enhanced oil recovery［J］.Journal of Canadian Petroleum Technology，1993，32（9）：16－18.

［2］Penberthy W L，Shaughnessy C M.Sand Control［R］.SPE Series on Special Topics，Volume1.1992.

［3］Marndouh M Salarna.Sand Production Management［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，SPE－8900－MS，1998－05.

［4］耿瑞平，李相方.油氣井出砂信號的動態監測與處理［J］.計算機測量與控制，2003，11（9）：655－657.

［5］Dag A Aldal，Geir Instanes，Tonje Dahl.Sand Management by Using Ultrasonic Systems at Deep and Ultra Deepwater Installations［C］／／Proceedings of the SPE 13th Middle East Oil Show ＆ Conference，SPE－81439，2003.

［6］Braaten，Nils A，Blakset，et al.Experience From Topside and Subsea Use of The Erosion Based Sand Monitoring System［C］／／SPE Annual Technical Conference and Exhibition，SPE－30644－MS，1995.

［7］張玉華，馬旭波.MATLAB在信號分析與處理中的應用［J］.電力學報，2008，23（6）：485－487.

［8］胡麗瑩，肖 蓬.快速傅里葉變換在頻譜分析中的應用［J］.福建師范大學學報：自然科學版，2011，27（4）：27－30.

［9］劉 剛，陳 超，韓金良，等.液固兩相流聲發射檢測系統設計及實驗評價［J］.振動與沖擊，2012，31（22）：178－182.

［10］江 山，張京偉，吳崇健.基于FLUENT的900圓形彎管內部流場分析［J］.中國艦船研究，2008，3（1）：37－41.

［11］劉 剛，楊全枝，陳 超，等.基于經驗模態分解的井眼防碰特征信號識別［J］.石油礦場機械，2012，41（11）：1－5.

［12］馬 坤，郭 強，戴建飛，等.分布式光纖測井技術在稠油開采中的應用［J］.石油礦場機械，2012，41（2）：45－48.