新型動液面自動測量儀的應用

周　昕（西安石油大學,　西安　710065）

新型動液面自動測量儀的應用

周昕
（西安石油大學,西安710065）

摘要：目前針對油井開采時的動液面測量，大部分油井采用的測量方式是利用回聲儀人工激發(fā)，此方式缺乏對動液面的實時監(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)明的全自動動液面測量儀，可以對動液面進行實時精確測量，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)對采油下泵深度進行控制，減少空抽次數(shù)以期提高產量。該儀器在實際采油過程中已經取得了良好效果，不僅對油井采油率的提高有很大的促進作用，而且可以進行油井壓力恢復分析和抽油桿泵的故障診斷。

關鍵詞：動液面；全自動；抽油桿泵；實時監(jiān)測；診斷

1　動液面測量

油井的動液面一般指油井正常生產時，套管環(huán)形空間中液面的頂界到井口間的距離。動液面值越大，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)動液面，可計算泵的沉沒度（沉沒度＝泵掛深度—動液面深度）、油井儲層壓力等。而動液面是間接通過聲學測量（回聲儀測量技術）計算而來。對動液面的實時測量有助于控制抽油機的啟停時間，可以減少下泵的空抽時間，以期提高采油效率。

回聲儀測量在套管閥上進行。套管閥與氣槍相連，打開套管閥向井下發(fā)射微量高壓氮氣，由已知的平均油管長度和走紙記錄的接箍反射波數(shù)量，可以計算出動液面的深度，該方式簡稱“接箍法”[2,3]。但由于該方法通常是非自動化的，測量精度會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，不適合對動液面進行實時在線監(jiān)測。

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

2　全自動動液面測量儀的構成和原理

該液位測量工具包括兩個主要部分，井口測量裝置和計算機評估裝置，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進入套管環(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、電轉換將聲波轉化為電信號；這些信號經過放大、濾波等處理，通過電纜被傳送到評估裝置，評估裝置通過分析來選取最佳聲波信號進行動液面計算。

動液面數(shù)據(jù)需通過聲速法計算，利用公式：

可以得到井口到動液面的距離h（m），式（1-1）中c、t分別為聲速(m/s)、聲波往返傳播時間（s）。而套管內的聲速c是不是通過借助套管中的接箍波間接計算，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為絕對溫度，K；M為該種氣體的摩爾質量。

動液面反射聲波信號可轉化為電信號，通過標準電流值為4～20m A的通用接口傳輸，該信號被傳送入SCADA系統(tǒng)，在系統(tǒng)中它是可視化的，可以存儲或者進一步處理。采樣頻率可以自由選擇，最快可以每分鐘進行一次測量，油液液位深度的相對精度為+/-3米。

全自動動液面測量儀具有以下獨到特性：

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

（2）該儀器對井下的高溫液體不敏感；系統(tǒng)維護十分方便；對動液面的采樣頻率，最大每分鐘一次，測量數(shù)據(jù)的實時性得到極大提升。

（3）該儀器研究對象是聲波傳播介質（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液面測量儀在不同泵中的具體應用。

3　液位測量儀在電潛泵和抽油桿泵中的應用

3.1電潛泵的實際應用

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

如圖1所示，紅色曲線顯示電潛泵開始生產時狀態(tài)穩(wěn)定，后來一個突然產生的回壓積聚在套管上（黑色曲線在5月12日10:00時發(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；但同時紅色曲線顯示了持續(xù)下降的液位，這進一步表明因為增加的回壓而導致堵塞狀況的出現(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，應該立即采取對應措施清除堵塞，這樣泵可以避免空抽而得到保護。

電潛泵對空抽生產條件十分敏感，容易受到損壞。此外，如果沒有建立有效的化學處理，往往可以觀察到設備上會有嚴重的結垢現(xiàn)象。而該儀器可以協(xié)助改善這些不利因素：如果動液面將要到達泵的工作區(qū)域之外時，可以將泵關閉，或者降低其運行轉速；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降低。

3.2抽油桿泵的實際應用

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

油井開采時，如果油液壓力低于泡點壓力將導致氣體氣泡的形成。它們可以阻止孔隙喉道，減少相對油相滲透率，最終導致生產率降低，這種效應不可逆轉；而通過儀器來控制動液面，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小時。這是由于出油管中油液壓力的動態(tài)變化造成的。這種現(xiàn)象也可以用來檢查井下狀態(tài)，因為在油井中，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，而且在井中動液位（紅色曲線）會相應地下降，如圖2所示。這也是一個可以證明該儀器靈敏度較高的有力證據(jù)。

4　結語

該全自動動液面測量儀是由奧地利原油開發(fā)股份公司(RAG)開發(fā)，國內鉆采設備公司開始引進該技術，對動液面測量儀的性能進行優(yōu)化和改進，使之滿足實際采油的需要。

新型全自動化動液面測量儀，在即使沒有試井鋼絲繩或電纜接入技術的支持下，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。正確地使用動液面測量儀有助于提高泵的使用壽命，并減少其故障停機時間；它還可以可保護電潛泵，避免空抽損害。

因為通過動液面測量儀可測量到實時的液位數(shù)據(jù)，所以油井可以在無設備損壞風險的條件下，進行更高效率的采油生產。該動液面測量儀的以下功能在實際應用中具有重要的作用：

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

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

（3）動液面測量儀還可以通過液位值數(shù)據(jù)計算井底壓力，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：

[1]周家新，王長松，汪建新等．基于AMDF計算抽油井套管環(huán)隙內聲速[J].傳感技術學報，2007，20(07)：1648-1651.

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

[3]洪泓.聲波擴頻油井靜液位測量系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，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：石油鉆采自動化理論和智能裝備研究。