新型動(dòng)液面自動(dòng)測量儀的應(yīng)用

周　昕（西安石油大學(xué),　西安　710065）

新型動(dòng)液面自動(dòng)測量儀的應(yīng)用

周昕
（西安石油大學(xué),西安710065）

摘要：目前針對(duì)油井開采時(shí)的動(dòng)液面測量，大部分油井采用的測量方式是利用回聲儀人工激發(fā)，此方式缺乏對(duì)動(dòng)液面的實(shí)時(shí)監(jiān)測，加上諸多限制因素，測量的數(shù)據(jù)易過期且精度較差，很難提高產(chǎn)油效率。最近奧地利原油開發(fā)股份公司(RAG)發(fā)明的全自動(dòng)動(dòng)液面測量儀，可以對(duì)動(dòng)液面進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測量，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)對(duì)采油下泵深度進(jìn)行控制，減少空抽次數(shù)以期提高產(chǎn)量。該儀器在實(shí)際采油過程中已經(jīng)取得了良好效果，不僅對(duì)油井采油率的提高有很大的促進(jìn)作用，而且可以進(jìn)行油井壓力恢復(fù)分析和抽油桿泵的故障診斷。

關(guān)鍵詞：動(dòng)液面；全自動(dòng)；抽油桿泵；實(shí)時(shí)監(jiān)測；診斷

1　動(dòng)液面測量

油井的動(dòng)液面一般指油井正常生產(chǎn)時(shí)，套管環(huán)形空間中液面的頂界到井口間的距離。動(dòng)液面值越大，液面越低，說明油井供液能力差，油層壓力小；反之，說明油井供液充足，油層壓力較大。

根據(jù)動(dòng)液面，可計(jì)算泵的沉沒度（沉沒度＝泵掛深度—?jiǎng)右好嫔疃龋?、油井?chǔ)層壓力等。而動(dòng)液面是間接通過聲學(xué)測量（回聲儀測量技術(shù)）計(jì)算而來。對(duì)動(dòng)液面的實(shí)時(shí)測量有助于控制抽油機(jī)的啟停時(shí)間，可以減少下泵的空抽時(shí)間，以期提高采油效率。

回聲儀測量在套管閥上進(jìn)行。套管閥與氣槍相連，打開套管閥向井下發(fā)射微量高壓氮?dú)?，由已知的平均油管長度和走紙記錄的接箍反射波數(shù)量，可以計(jì)算出動(dòng)液面的深度，該方式簡稱“接箍法”[2,3]。但由于該方法通常是非自動(dòng)化的，測量精度會(huì)自然地被油管管道的長度所限制。由此我們可以看出傳統(tǒng)的回聲儀測量方法，不適合對(duì)動(dòng)液面進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

而在最近動(dòng)液面測量技術(shù)有了新的進(jìn)展：由奧地利原油開發(fā)股份公司(RAG)發(fā)明的全自動(dòng)動(dòng)液面測量儀，具有純電子功能，可在線實(shí)時(shí)地對(duì)動(dòng)液面進(jìn)行監(jiān)測，可以取代傳統(tǒng)的回聲儀測量方法[1]。

2　全自動(dòng)動(dòng)液面測量儀的構(gòu)成和原理

該液位測量工具包括兩個(gè)主要部分，井口測量裝置和計(jì)算機(jī)評(píng)估裝置，它們是通過電纜互相連接的。

測量裝置被安裝在套管閥上，通過氣槍發(fā)射高壓氣體，將生成多種聲波信號(hào)進(jìn)入套管環(huán)空，然后聲波遇到液面反射，被裝置中的微音器接收，微音器通過聲、電轉(zhuǎn)換將聲波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；這些信號(hào)經(jīng)過放大、濾波等處理，通過電纜被傳送到評(píng)估裝置，評(píng)估裝置通過分析來選取最佳聲波信號(hào)進(jìn)行動(dòng)液面計(jì)算。

動(dòng)液面數(shù)據(jù)需通過聲速法計(jì)算，利用公式：

可以得到井口到動(dòng)液面的距離h（m），式（1-1）中c、t分別為聲速(m/s)、聲波往返傳播時(shí)間（s）。而套管內(nèi)的聲速c是不是通過借助套管中的接箍波間接計(jì)算，而是利用油、套管環(huán)形空間的氣體組分求聲速c。

利用油、套管環(huán)形空間的氣體組分求聲音在井筒里傳播速度（簡稱氣體組分法）

式(1-2)中，c為聲音在井筒中的氣體傳播速度m/s；r為該種氣體的絕熱指數(shù)，為該種氣體的定壓。

分子熱容量和定容分子熱容量之比，可查表得到；R為摩爾氣體常數(shù)，R=8.314×103J/(mol?K)；T為絕對(duì)溫度，K；M為該種氣體的摩爾質(zhì)量。

動(dòng)液面反射聲波信號(hào)可轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過標(biāo)準(zhǔn)電流值為4～20m A的通用接口傳輸，該信號(hào)被傳送入SCADA系統(tǒng)，在系統(tǒng)中它是可視化的，可以存儲(chǔ)或者進(jìn)一步處理。采樣頻率可以自由選擇，最快可以每分鐘進(jìn)行一次測量，油液液位深度的相對(duì)精度為+/-3米。

全自動(dòng)動(dòng)液面測量儀具有以下獨(dú)到特性：

（1）測量過程完全自動(dòng)化，純電子化測試和處理數(shù)據(jù)；測量裝置完全封閉，工作時(shí)套管內(nèi)氣體對(duì)外界零排放，不會(huì)污染環(huán)境。

（2）該儀器對(duì)井下的高溫液體不敏感；系統(tǒng)維護(hù)十分方便；對(duì)動(dòng)液面的采樣頻率，最大每分鐘一次，測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性得到極大提升。

（3）該儀器研究對(duì)象是聲波傳播介質(zhì)（套管氣），不用考慮傳統(tǒng)“接箍法”中造成較大誤差，比“接箍法”更加精確可靠。

下面我們將介紹新型動(dòng)液面測量儀在不同泵中的具體應(yīng)用。

3　液位測量儀在電潛泵和抽油桿泵中的應(yīng)用

3.1電潛泵的實(shí)際應(yīng)用

以遼河油田某高含水油井為例，該油井具有較低氣油比，供其生產(chǎn)使用的電潛泵連接到一個(gè)VSD(可調(diào)速驅(qū)動(dòng))系統(tǒng)。采用這種組合方式，可以使泵以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

如圖1所示，紅色曲線顯示電潛泵開始生產(chǎn)時(shí)狀態(tài)穩(wěn)定，后來一個(gè)突然產(chǎn)生的回壓積聚在套管上（黑色曲線在5月12日10:00時(shí)發(fā)生變化），這表明套管與輸流管之間出現(xiàn)堵塞或者套管壓力傳感器出現(xiàn)故障；但同時(shí)紅色曲線顯示了持續(xù)下降的液位，這進(jìn)一步表明因?yàn)樵黾拥幕貕憾鴮?dǎo)致堵塞狀況的出現(xiàn)（由于套管中氣體通常排入到輸油管線中）。因此，套管壓力傳感器出現(xiàn)故障的原因可被排除，應(yīng)該立即采取對(duì)應(yīng)措施清除堵塞，這樣泵可以避免空抽而得到保護(hù)。

電潛泵對(duì)空抽生產(chǎn)條件十分敏感，容易受到損壞。此外，如果沒有建立有效的化學(xué)處理，往往可以觀察到設(shè)備上會(huì)有嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象。而該儀器可以協(xié)助改善這些不利因素：如果動(dòng)液面將要到達(dá)泵的工作區(qū)域之外時(shí)，可以將泵關(guān)閉，或者降低其運(yùn)行轉(zhuǎn)速；油垢的形成問題可以通過提高壓力解決，比如在高壓下碳酸鹽類油垢的積累會(huì)降低。

3.2抽油桿泵的實(shí)際應(yīng)用

再以遼河油田某低產(chǎn)井為例，通過抽油桿抽油系統(tǒng)（SRP）進(jìn)行舉升，該泵也被連接到一個(gè)VSD系統(tǒng)上。采用這種組合方式可以使SRP進(jìn)行變速運(yùn)行（每分鐘的沖程數(shù)目可變），因此泵的生產(chǎn)率可以改變。

油井開采時(shí)，如果油液壓力低于泡點(diǎn)壓力將導(dǎo)致氣體氣泡的形成。它們可以阻止孔隙喉道，減少相對(duì)油相滲透率，最終導(dǎo)致生產(chǎn)率降低，這種效應(yīng)不可逆轉(zhuǎn)；而通過儀器來控制動(dòng)液面，是避免這種不利影響的一種解決方案。

在井BH-003中，我們發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)象：出油管線的壓力值周期性地振蕩了幾個(gè)小時(shí)。這是由于出油管中油液壓力的動(dòng)態(tài)變化造成的。這種現(xiàn)象也可以用來檢查井下狀態(tài)，因?yàn)樵谟途?，套管通過背壓閥被連接到出油管上，如果套管氣體壓力（圖2中黑色曲線）超過了出油管內(nèi)的壓力，氣體被排出油管；如果出油管中有更高的壓力，套管壓力（黑色曲線）也上升，而且在井中動(dòng)液位（紅色曲線）會(huì)相應(yīng)地下降，如圖2所示。這也是一個(gè)可以證明該儀器靈敏度較高的有力證據(jù)。

4　結(jié)語

該全自動(dòng)動(dòng)液面測量儀是由奧地利原油開發(fā)股份公司(RAG)開發(fā)，國內(nèi)鉆采設(shè)備公司開始引進(jìn)該技術(shù)，對(duì)動(dòng)液面測量儀的性能進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，使之滿足實(shí)際采油的需要。

新型全自動(dòng)化動(dòng)液面測量儀，在即使沒有試井鋼絲繩或電纜接入技術(shù)的支持下，也能夠獲得永久井下壓力數(shù)據(jù)。該儀器被安裝在開啟的套管浮閥上，并只能用于無封隔器完井的油井中。正確地使用動(dòng)液面測量儀有助于提高泵的使用壽命，并減少其故障停機(jī)時(shí)間；它還可以可保護(hù)電潛泵，避免空抽損害。

因?yàn)橥ㄟ^動(dòng)液面測量儀可測量到實(shí)時(shí)的液位數(shù)據(jù)，所以油井可以在無設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)的條件下，進(jìn)行更高效率的采油生產(chǎn)。該動(dòng)液面測量儀的以下功能在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的作用：

（1）能夠通過控制VSD(泵的變速驅(qū)動(dòng)裝置)，使井下油液保持在特定的液位，以避免在生產(chǎn)過程中形成氣泡而產(chǎn)生負(fù)面影響；

（2）它可作為一個(gè)永久性裝置并被安裝在井場，在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域也可投產(chǎn)工作；

（3）動(dòng)液面測量儀還可以通過液位值數(shù)據(jù)計(jì)算井底壓力，而這是一種全新的低成本測試方法，可以取代以往較高成本的井下壓力表測試。

參考文獻(xiàn)：

[1]周家新，王長松，汪建新等．基于AMDF計(jì)算抽油井套管環(huán)隙內(nèi)聲速[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20(07)：1648-1651.

[2]杜功煥，朱哲民，龔秀芬．聲學(xué)基礎(chǔ)[M].南京大學(xué)出版社，2001:168-176.

[3]洪泓.聲波擴(kuò)頻油井靜液位測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

作者簡介：周昕（1989-），男，陜西咸陽人，在讀碩士研究生，主要研究方向：石油鉆采自動(dòng)化理論和智能裝備研究。