ClampOn 測砂儀在海上油田的應(yīng)用

高樹利 馮立衛(wèi)（中海石油（中國）有限公司蓬勃作業(yè)公司）

渤海區(qū)域的海上油田因地質(zhì)油藏復雜，斷層十分發(fā)育，淺層構(gòu)造破碎，油氣分布及壓力系統(tǒng)較復雜，屬于多套油水系統(tǒng)的構(gòu)造層狀油藏。部分油井由于出砂嚴重導致無法生產(chǎn)[1]，基于生產(chǎn)過程中的出砂數(shù)量及動態(tài)狀況，相對于繞絲高壓充填工藝技術(shù)在油田的推廣[2]，該油田則采用了ClampOn 測砂儀實時測算數(shù)據(jù)，來應(yīng)對生產(chǎn)井出砂的問題，為生產(chǎn)狀況做出相應(yīng)的抉擇。

1 ClampOn 測砂儀的工作原理

ClampOn 測砂儀基于ClampOn 公司的“超聲波智能傳感器”技術(shù)，含有一個新型過濾技術(shù)的數(shù)字處理單元，監(jiān)測顆粒物時能更好地分析實際產(chǎn)砂狀況，最終有助于增加生產(chǎn)井的收益。這種濾波技術(shù)集成了數(shù)以千計生產(chǎn)井的經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析成果，應(yīng)用于該型號的傳感器之中。這種測砂儀可實現(xiàn)每秒128 次掃描1 MHz 范圍內(nèi)的頻率。這表明其技術(shù)能力及濾波技術(shù)在獲取和處理測砂數(shù)據(jù)方面，處于領(lǐng)先的地位。

測砂儀的特性是完全數(shù)字化，模擬濾波器，電子回路及放大器。此項技術(shù)包含一個強勁的帶有大容量運行緩存的數(shù)字信號處理單元，打包在一起的模塊化軟件。傳感器能同時處理多頻段的超聲波，全系列新型信號處理特性，包含終端濾波技術(shù)。不同的排氣閥或流量條件能產(chǎn)生很多相互不關(guān)聯(lián)的砂噪，該型號的傳感器通過濾波技術(shù)幾近完美地解決這些難題。既能減少噪音的干擾，也會提高精度和準確度，使得產(chǎn)砂數(shù)量等重要參數(shù)，成為日常測砂管理操作的關(guān)鍵依據(jù)。沒有其它的技術(shù)能像ClampOn 傳感器一樣，滿足用戶對效益和測砂生產(chǎn)的追求。

2 ClampOn 測砂儀的特性

對油氣生產(chǎn)者來說，油氣井里的含砂是個嚴重的問題。即使井液中的數(shù)量不多的顆粒砂，也能引起嚴重的破壞，避免出砂的挑戰(zhàn)幾無可能，所以需要盡可能地增加生產(chǎn)井的良好產(chǎn)出率。因此，ClampOn 測砂監(jiān)控系統(tǒng)在全世界得到了廣泛的應(yīng)用。帶有高性能濾波器的ClampOn 傳感器堅不可摧，優(yōu)化過的濾波器，能有效應(yīng)對不規(guī)則的原始噪音，尤其適合挑戰(zhàn)性的高溫高壓工況下的測砂監(jiān)控。特性示意圖見圖1，傳感器安裝在管道的90°彎頭處，其內(nèi)部受顆粒/固體沖擊管壁而產(chǎn)生超聲波。超聲波信號穿過管道，傳到外部的超聲波傳感器。出廠的ClampOn 傳感器都是校驗過的，客戶可以直接使用而無需再次校驗，只要簡單地在管壁上夾緊即可。擁有專利的ClampOn 智能傳感器，將信號使用內(nèi)部的數(shù)字處理單元測算、過濾及變送后，送至微機或控制系統(tǒng)。

圖1 特性示意圖

3 測砂選型及運行分析

海上油田主力含油層系發(fā)育于新近系明化鎮(zhèn)組下段和館陶組，儲層巖性為河流相沉積的陸源碎屑巖，所有館陶組層位小于44 μm 的細粉砂含量大于或等于11%，油田儲層段的地層砂不均勻系數(shù)和細粉砂含量均較高，地層砂極為不均勻[3]。由于油層膠結(jié)疏松、細粉砂含量高[4]，測砂系統(tǒng)的選型按照200 年一遇的地震（連續(xù)2 震波） 強度：垂直0.25 g，水平0.50 g；風速為百年一遇的風暴35.6 m/s，每年工作條件的風速22.14 m/s（平均海平面以上10 m的3 s 陣風），選擇了帶有新型濾波器的ClampOn 傳感器及配套控制系統(tǒng)，海上油田測砂儀架構(gòu)如圖2。

圖2 海上油田側(cè)砂儀架構(gòu)

測砂儀裝置夾在管道的外部，無損方式安裝，用于探測超聲波，監(jiān)測油、氣和多相組分生產(chǎn)過程中的固體/顆粒數(shù)量。正確的操作方式，是測砂儀需安裝在管道90 度彎頭處。這種方式下，流體中的顆粒在經(jīng)過彎頭時，很少有其它因素的干擾，檢測儀得以搜集流體中的顆粒在管壁內(nèi)碰撞時釋放的真實能量。現(xiàn)場探測器內(nèi)置的電子信號處理單元，直接過濾掉任何背景中的噪音擾動。現(xiàn)場單元依據(jù)流體中顆粒碰撞程度，計算出其釋放的能量級。現(xiàn)場的檢測儀將相關(guān)信息以數(shù)字格式，經(jīng)由串行RS485 鏈接，送至生活區(qū)設(shè)備間的系統(tǒng)主控制柜。該控制柜裝有存儲趨勢的接口計算機，現(xiàn)場接口電子部件和用于與系統(tǒng)串行通訊的模塊。

系統(tǒng)配備了數(shù)字和模擬接口，兼容所有的通用協(xié)議，輕松地集成到現(xiàn)有的艾默生集散控制系統(tǒng)。一臺裝有ClampOn 軟件的微機，用于連接ClampOn的測試儀器和控制系統(tǒng)。這臺微機處理測砂傳感器的原始數(shù)據(jù)和第三方的流量數(shù)據(jù)，計算出砂況，然后把計算好的含砂比率輸出到設(shè)施的艾默生過程控制系統(tǒng)。所有記錄的數(shù)據(jù)也被存儲用于分析及校驗。使用的數(shù)字接口，采用兩種方式用于儀器軟件的升級和配置，滿幅信號范圍分辨率，所有的傳感器信號皆可變送且無信號丟失。

如圖3 海上油田測砂儀波形曲線，展示了該油田一個帶有新型濾波器的ClampOn 傳感器，安裝在高壓和高速的油井管匯上，對其生產(chǎn)過程中的測砂信號，檢測調(diào)制而成的經(jīng)驗值。波形曲線表明，由于采用了新型濾波技術(shù)，超聲波形曲線Raw 看起來清晰明了，這表明傳感器徹底消除了流量噪音，監(jiān)測出生產(chǎn)中真實的出砂狀況。

圖3 海上油田側(cè)砂儀波形曲線

4 應(yīng)用效果

當砂粒從儲油層產(chǎn)出時，降低了生產(chǎn)率，增加了維護成本，也給環(huán)境帶來嚴重的危害。另外，由于油井出砂、結(jié)蠟等，造成部分油井功率損失較大[5]。出砂曲線見圖4，紅線是安全生產(chǎn)的上限，越接近紅線，效益越好。在紅線上方，可能連續(xù)出砂。 藍線之下的安全距離， 不會產(chǎn)生砂粒，這是一種安全但是昂貴的管理砂粒的方式。生產(chǎn)井在紅藍區(qū)間繼續(xù)向上增效時，依據(jù)出砂曲線，很快就是一個無砂井。當該井最后的一段時間沒有出砂的時候，可以再次增加產(chǎn)量，這可能導致一次出砂，但應(yīng)該讓生產(chǎn)繼續(xù)以觀察趨勢，確定下一個構(gòu)造穩(wěn)固的油層。

圖4 出砂曲線

生產(chǎn)中，該油田的H79ST02 井電潛泵功耗異常變化，通過對測砂實時監(jiān)測工況的分析，判斷油井出砂的可能性較高，曲線正在接近而未超過紅線。適當降低電潛泵頻率避免馬達溫度持續(xù)異常后，開始對采出液進行取樣化驗，1%的砂量結(jié)果，出砂情況得到了很好的控制，驗證了之前的判斷，井下工況逐步趨于穩(wěn)定。依據(jù)測砂曲線變化，避免了該井的壓裂充填防砂作業(yè)，僅此一項，直接降本100余萬元。H62ST01 井的測砂曲線雖然一直在紅線上方，但趨勢逐漸下行，通過加密取樣化驗、隨時搖動油嘴以避免砂堵甚至砂埋等措施，將曲線穩(wěn)定在紅藍線中間的位置，避免了一口日產(chǎn)原油1 000 余桶的油井由于砂埋而被迫停井的被動局面，直接每天增效300 萬元以上。

投產(chǎn)以來，ClampOn 實時砂粒監(jiān)控系統(tǒng)完全感知出砂的性質(zhì)及狀態(tài)趨勢，當生產(chǎn)油層穩(wěn)定時，掌握出砂是如何隨著時間變化的。最后，找到生產(chǎn)井的最佳采出率區(qū)間，實現(xiàn)有效的和安全的無砂率（或可容許的），明顯提高了海上油田生產(chǎn)井的效益，大大降低能耗及運營成本。

新疆石西油田

5 結(jié)論

ClampOn 測砂系統(tǒng)在該油田投用十多年以來，很好地檢測了油田油氣生產(chǎn)過程中的各種固體/顆粒工況，將管線和設(shè)備磨蝕損壞的風險最小化。在海洋石油資源高消費的生產(chǎn)情況下[6]，ClampOn 測砂系統(tǒng)技術(shù)運行穩(wěn)定可靠，成為維持有效益的安全的砂粒管理工具，有力促進了海上油田生產(chǎn)井的效益提升，降低生產(chǎn)投入及維護成本，節(jié)約生產(chǎn)能耗，是安全生產(chǎn)強有力的依托和保障。同時，對其它油田生產(chǎn)及相關(guān)行業(yè)的出砂檢測，具有一定的參考和借鑒作用。