回聲法監測油井動液面影響因素分析與對策

皇甫王歡,張乃祿,范琳龍,黃偉,李偉強,關靜

1.西安石油大學電子工程學院（陜西西安710065）2.西安海聯石化科技有限公司（陜西西安710065）

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回聲法監測油井動液面影響因素分析與對策

皇甫王歡1,張乃祿1,范琳龍2,黃偉2,李偉強1,關靜1

1.西安石油大學電子工程學院（陜西西安710065）2.西安海聯石化科技有限公司（陜西西安710065）

回聲法實時動態監測油井動液面是數字化與智能化油田建設的一項新技術，已逐步在各大油田推廣應用。回聲法是利用次聲波在油管與套管之間的環形空間傳播，遇到液面時產生反射信號的原理進行連續測量動液面，由于油井生產與現場環境等復雜性，嚴重影響該方法監測結果的準確性和可靠性。結合回聲法測量原理與現場實際應用，從監測原理、監測儀器、油井井況3個方面，分析影響回聲法監測油井動液面的主要因素，并提出解決對策，以提高回聲法監測動液面的準確性和可靠性。

回聲法；動液面；實時監測；影響因素

隨著數字化與智慧化油田建設的逐步推進，油井動液面實時動態監測是油田生產智能化提升與完善的重要內容。目前，動液面實時動態監測最常用和最有效的方法是回聲法，已在各主力油田推廣應用，特別在“三低油田”深度開發和油井高效低成本生產，逐步取得顯著效果。但是，由于油井實際生產過程與現場環境的復雜性，給回聲法實時動態監測油井動液面的準確性和穩定性帶來很大影響，油套環空內次聲波聲速變化、液面反射回波時間以及監測儀器、油井井況等因素對回聲法監測動液面有較大影響。結合回聲法動液面監測儀的研制和現場實際應用，從監測原理、監測儀器、油井井況3個方面對影響回聲法監測油井動液面的因素進行分析，并提出相應對策，提高回聲法實時動態監測油井動液面的準確性和可靠性[1]，為油井生產開發智能化油田建設奠定基礎。

1 回聲法監測油井動液面原理

回聲法監測油井動液面是利用次聲波在油管與套管之間的環形空間傳播，遇到液面時產生反射信號的原理進行連續測量動液面，其原理如圖1所示。

圖1 回聲法監測油井動液面原理

當到達設定的監測采樣時間或收到測量命令時，若套壓值＜0.25MPa，監測儀氣爆發生單元利用外接氣泵加壓，由電磁閥放氣產生次聲波；若套壓值≥0.25MPa，監測儀氣爆發生單元利用套管壓力，由電磁閥放氣產生次聲波。次聲波沿油管與套管之間的環形空間向下傳播過程中，遇到油管接箍、液面時發生反射，反射波由微音器接收，經回波檢測單元處理后壓縮存儲至主控制器[2]。壓縮后的數據同套壓、儀器自身參數等通過GPRS網絡送至監控計算機進行數據解壓，并進行模型算法計算，其核心是通過油管接箍回波計算油井的環空實際聲速，提取液面回波并通過算法得到液面回波時間，從而計算出動液面深度值。動液面監測儀實際測量范圍通常為200～3 000 m，測量誤差在0.2%～0.5%之間，監測儀在實際應用中，受油井生產工況和環境狀況影響較大。

2 油井動液面監測影響因素分析與對策

2.1 監測原理因素

2.1.1 監測原理因素影響分析

回聲法通過識別較清晰的油管接箍回波得到次聲波傳播的平均聲速-v=2N·h/t1，其中，N為油管接箍回波中選取的接箍波個數，h為油管長度，一般取9.6m，t1為次聲波到達選取點所用時間。結合液面回波時間t，由L=-v·t/2可算出油井動液面深度L。通過分析可知，聲速和液面回波時間是影響動液面監測結果是否準確的關鍵因素[3]。

1）聲速提取的影響。在實際測量中，油套環形空間內各處聲速大小并不相同，與套管內溫度、壓力、密度等因素密切相關，識別時若以初始聲速作為平均聲速，影響測量結果的準確性；此外，由于井況復雜，有些接箍回波不呈周期性變化，通過接箍回波選取接箍數時產生誤差較大。實際測量中，某井動液面監測儀所測回波中可清楚看到動液面位置，但接箍回波放大后波形雜亂，不呈周期性變化，且接箍數不易識別，如圖2所示，影響測量結果的準確性。

圖2 某井接箍波放大后不易識別回波曲線

2）液面回波時間的影響。正常情況下，無噪聲時信號較強，液面回波較明顯，可清楚看到動液面的位置，從而確定液面回波時間[4]。但油井生產與現場環境異常復雜，產生的噪聲遠大于信號強度，常常出現液面回波不易辨識的情況，如圖3所示，無法辨識到液面波位置，從而影響測量結果的準確性。

圖3 某井液面位置不易識別回波曲線

2.1.2 監測原理因素解決對策

1）聲速提取因素的對策。①根據接箍回波特點，首先對回波進行帶通濾波，得到清晰的接箍回波，然后選取盡可能多的接箍回波計算平均聲速，減少計算所產生的誤差；②由于同一地區套管內聲速變化規律基本一致，可先計算出同一地區每個井前10節油管相應區段內的平均聲速，然后采用曲線擬合的方法，得到反映聲速變化規律的擬合公式，由此公式計算可出套管內任意位置處的聲速[5]，提高動液面計算的準確性；③采用基于短時自相關函數(ACF)的聲速計算方法，即利用自相關函數的周期識別能力，對接箍波數據進行分幀處理，通過第1峰值點求取該幀接箍波的時間間隔，隨后再根據采樣周期和油管長度計算出該幀接箍波對應區段內的聲速，通過增加幀長和采樣頻率可提高測量的準確性。

2）液面回波時間因素的對策。①對油套環空中噪聲進行分析，根據小波變換的多分辨率特性，利用小波閾值去噪方法對測試數據進行去噪處理，從處理后的回波曲線中可清楚地辨識出動液面的位置；②通過分析信號頻譜與噪聲頻譜的區別，選擇合適窗長的窗函數進行濾波，并對信號做加強處理，可清楚看到動液面的位置，進而確定液面回波時間，提高動液面測量的準確性。

2.2 監測儀器因素

2.2.1 監測儀器因素影響分析

1）微音器作為采集聲音信號的關鍵器件，在動液面測試過程中起著決定性作用。但井場環境復雜，油套環形空間內溫度、壓力的變化，腐蝕氣體等都會影響微音器靈敏度，導致回波曲線無法識別出接箍波和液面波，影響動液面測量的可靠性；此外，由于每口井深度不同，微音器所采集的回波信號幅度各不相同，對于較深井，幅度較小時無法識別出接箍波和液面波，從而影響測量結果的準確性。

2）動液面監測儀通過控制電磁閥閥門打開，氣體流動產生次聲波，不同通徑的電磁閥對套壓大小范圍要求不同。套壓過大或外接氣泵加壓時間過長都會導致電磁閥閥門無法正常打開，影響動液面監測儀的可靠性。

2.2.2 監測儀器因素解決對策

1）微音器影響的對策。①選取測井專用微音器進行動液面測量，其靈敏度較高，可耐高、低溫，耐高、低壓，耐腐蝕性，能適應井場各種復雜環境；②對于較深井，當微音器所采集的回波信號幅度較小時，可通過手機遠程設置放大倍數，增大回波曲線幅度，從而清晰識別出接箍波和液面波，提高動液面測量的準確度。

2）電磁閥影響的對策。①電磁閥的選取：無套壓或套壓＜1MPa油井時選取0～1MPa的常規閥；當1MPa≤套壓＜2MPa時選取0～2MPa的高壓閥；當2MPa≤套壓＜3MPa時選取0～3MPa的高壓閥；當套壓≥3MPa時選取0～5MPa超高壓閥。②通過手機遠程設置參數，適當減小外接氣泵加壓時長，可使流過電磁閥的氣體壓力減小，從而保證電磁閥正常工作，提高動液面測量的可靠性。

2.3 油井井況因素

2.3.1 油井井況因素影響分析

1）油套環形空間內雜物的影響。對于油套環形壁上存在雜物的油井，在動液面測量過程中，次聲波會在此發生反射，降低了聲波傳播能量，且液面曲線上產生假液面反射波，導致真實液面處反射波不明顯，如圖4所示。

圖4 油套環空有雜物時出現假液面回波曲線

主要原因有：①油井結蠟或死油。原油從井底上升到井口流動過程中，由于其壓力和溫度逐漸降低，當溫度和壓力降低到蠟析出點時，蠟從原油中析出，黏附在油套環形壁上，導致動液面測量時出現假液面。②清蠟劑的影響。對于結蠟井采用化學清蠟劑，由于有黏稠性，從套管向井內注入清蠟劑時可能會在某處形成“環空液柱”，動液面在測量過程中遇到此處同樣會出現假液面，導致測試失敗。

2）井口套管壓力變化的影響。動液面內爆監測儀利用套管壓力與大氣壓差爆破產生次聲波，對套管無壓力或壓力較低井，產生的次聲波能量較低，且次聲波在油套環形空間傳播時衰減較快，微音器接收不到反射波或接收的反射波無法識別出液面波，如圖5所示，造成測試失敗。

圖5 套管無壓力或壓力低時回波曲線

主要原因有：①球閥未關閉。在實際開采過程中，為提升低滲透油井的產液量，油田普遍采用打開球閥放壓的方式來提升液面，且放壓后未及時關閉球閥，造成井口套管無壓力或壓力低，導致內爆監測儀測試失敗。②套管漏氣。動液面監測儀要求井筒密封性保持良好，可減少能量在井口的損失。由于聲波能量在傳播過程中隨井深增加逐漸衰減，若能量在井口損失過大，液面波很難反射回來，即使反射回來也會不明顯，導致看不到清晰的液面波。③油井加藥。為清除套管內雜物，油井會不定時進行加藥，加藥會導致套壓逐漸降低，內爆監測儀無法利用套管壓力爆破產生次聲波，導致測試失敗。④油井自身無壓力。部分油井自身套管無壓力或壓力偏低。

3）抽油機機械震動和桿管偏磨的影響。抽油機運轉時產生周期性的機械震動及桿管偏磨時的井口震動，所產生的激動波對動液面測量干擾較大，導致回波曲線零亂，如圖6所示，無法識別出動液面的位置。影響桿管偏磨的因素有抽吸參數、生產參數（沖程、沖次、沉沒度）、產出液（含水率、稠油或聚合物）、井斜、桿管彈性收縮、油井結蠟等。

圖6 抽油機機械震動或桿管偏磨時回波曲線

2.3.2 油井井況因素解決對策

1）油套環形空間內雜物影響的對策。①對于油井結蠟或死油的井，一般采用熱水洗井法，清潔管壁，排除臟物干擾；對于結蠟嚴重的井需定期加清蠟劑，再進行測量；②對清臘劑形成的“環形液柱”，一般用泵車向套管內注入適量液體沖開“環空液柱”即可。

2）井口套管壓力變化影響的對策。①若球閥未關閉則及時關閉球閥，一般為保證內爆監測儀可以正常工作，且不影響油井采油效率，油田生產管理人員需積極配合動液面測試工作，保證套壓在0.2～2.5MPa之間，每次放壓后須及時關閉球閥，保證內爆監測儀可正常測量；②現場安裝時若發現套管漏氣現象須及時向油田管理人員反映，并及時進行維修，保證動液面監測儀的正常運行；③加藥后須及時關閉球閥，一段時間后套壓回升，內爆監測儀可以正常工作，并準確測出動液面波形；④對油井自身無壓力井，選擇外爆監測儀，利用外接氣泵加壓爆破產生次聲波進行測量。

3）抽油機機械震動和桿管偏磨影響的對策。①進行短暫停抽測試，協調現場工作人員，對抽油機短暫停抽20min，排除干擾，取得合理的動液面資料；②對桿管偏磨的井，通過桿管防磨涂層、桿管旋轉及各種扶正器、防偏抽油泵、加緩蝕劑等方法降低偏磨程度，減小桿管偏磨對動液面測量的影響[6]。

3 結論

1）回聲法是動液面實時動態監測最常用和最有效的方法，但油井實際生產與現場環境比較復雜，影響回聲法實時動態監測動液面準確性和可靠性的因素很多。

2）回聲法監測油井動液面原理、監測儀器、油井井況等因素是影響回聲法實時動態監測油井動液面準確性和可靠性的主要因素，可通過方法優化、定時校準、強化管理和維護等對策解決，為油井生產開發智能化與智慧化油田提供準確的動液面數據。

[1]張乃祿,趙岐,賀安武,等.示功圖法計算油井產液量的影響因素[J].西安石油大學學報(自然科學版),2011,26(4)：53-55.

[2]Huaigang Zang,Baojun Zhao,Tao Ran.A new kind of intelligent ultrasonic liquid level apparatus with the long measure range and short blind zone[J].Chinese Journal of Science Instrument,2006,27(6)：638-642.

[3]Minjuan Zhang,Shiwei Li.A method of the untouched ultrasonic liquid level measurement with high precision[J].International Conference on Computer Application and System Modeling,2010,7(10)：144-147.

[4]林中雨,王東明,段文.液面測試儀的計量量傳溯源技術與方法初探[J].石油工業技術監督,2016,32(5)：15-17.

[5]周家新,王長松,汪建新,等.抽油井套管內聲速變化規律分析[J].聲學技術,2007,26(4)：642-645.

[6]李健康,郭益軍,謝文獻.有桿泵井管桿偏磨原因分析及技術對策[J].石油機械,2000,28(6)：32-34.

The real-time dynamic monitoring of liquid level in oil well by echo method is a new technology for the construction of digital and intelligent oilfield,and it has been gradually popularized and applied in various oilfields.The principle of the echo method is for infrasonic wave to propagate in the annular space between tubing and casing,and to produce reflection signal when it encounters liquid level so as to realize continuous measurement of liquid level.But the complexity of oil well conditions and site environment seriously affects the accuracy and reliability of monitoring the dynamic liquid surface of oil wells by the method.The main factors of influencing the echo method to monitoring the dynamic liquid level of oil well are analyzed from the 3 aspects of monitoring principle,monitoring equipment and well conditions,and some countermeasures are put forward in order to improve the accuracy and reliability of the dynamic monitoring of liquid level by the echo method.

echo method;dynamic liquid level;real-time monitoring;influencing factor

左學敏

2017-05-08

陜西省重大科技創新項目“基于物聯網的智慧油田應用系統”（編號：2014ZKC（一）03-02）。

皇甫王歡（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向為油氣井下測控技術及儀器。