延長油田油井動液面綜合檢測技術研究

薛小東，王 濤

(延長油田股份有限公司 子長采油廠，陜西 延安 717300)

隨著我國石油資源的不斷消耗，多數的油田開采難度及成本也在上漲，我國油田特點低壓、低滲，但是為了降低石油開采成本，同時提高開采效率，延長油田開采中，油井的溫度、壓力監控還有遠程數據監測得到了快速的發展[1]。在油井開采技術中，油井內層的液面持續供液技術，對于油井的開采具有重要意義。目前延長油田對油液面波動采用回聲儀法，通過儀器進行檢測，傳送介質為氮氣瓶聲或者無子彈頭子彈，存在耗費人力物力且檢測結果波動性較大的情況。這樣就會存在一種情況，因為采集數據后，再人工輸入，耗費的時間導致液面的波動不能達到實時性，這樣油田的油井在技術管理方面就存在滯后，現在國家倡導智能化工廠建設，這樣無法滿足油井液面實時監測[2]。目前延長油田股份有限公司井下作業工程公司現有ECLIPS-5700測井平臺3套，可以滿足相應的需求，但是針對動液面檢測方法需要設計一套動液面實時監測系統，滿足實際生產需求[3]。

1 檢測方法

在油井內采油的時候，在套管和油管之間存在一個液面，簡稱動液面。

1.1 浮筒法

浮筒法原理是識別液面上方浮筒在動液面的深度，類似于汽車油桶內浮漂一樣，但是浮筒的質量和體積原因，此類檢測方法存在局限性，主要應用在敞開的油井和環空套管中，浮筒法檢測特點是原理簡單、操作簡單，不足為浮筒制作比較麻煩，對工作環境有要求，工作條件為無壓力的套管，有壓力的套管環境下無法使用[4]。

1.2 壓力計法

壓力計法原理是通過壓力波動來對動液面進行計算，檢測幾個不同深度點處的壓力，通過對幾個壓力處的壓力梯度，根據不通壓力點處的壓力梯度來對氣液面進行計算，從而得到動液面的深度，此方法適用于在油井動液面的檢測，缺點是深度點的確定需要多個步驟，且深度點的確定存在較多誤差，實用價值較低[5]。

1.3 回聲法

回聲法是根據聲波在介質中傳播過程中遇到障礙物后信號反射回，根據反射回來的聲波的時間和速度對液面的深度計算，具體計算方法如下。

(1)油套環空氣法。按照傳播速度計算：

(1)

式中，V為傳播速度；r為絕熱系數；R為常數；T為溫度；M為摩爾質量。

(2)動液面深度L計算方法。位置設定在井口下方1/3左右處，介質在井下傳播速度定位120 nm/s，動液面深度L計算公式為：

(2)

式中，L為液面深度；H為音標深度；L1為回波段音標至井口波峰之間的距離；L2為液面波峰至井口波峰間的距離。

(3)液面深度計算(接箍法)。根據延長油田實際油井接箍長度，現在實際使用長度均為9.6 m，利用回波特性計算出油套管內聲波的傳播速度，通過回波在液面中的傳播情況，計算出時間t，則：

(3)

式中，t為聲波在液面中的返回時間；V為油套環形空間內聲波的傳播速度平均值。

動液面計算可實現遠程檢測，適用于在線情況下檢測，延長油田的接箍長度為9.6 m，根據延長油田特性，計算油井下方動液面的情況[6]。

1.4 動液面檢測原理

1.4.1 聲波的選擇

如何讓調動好每個人的積極性，是企業家資源管控能力的表現。新生代企業家只有意識到每位人才對工作不同的定義，才能真正做到聆聽員工的心聲。要學會與各類人打交道，讓不同類型的人都能擁有適合的崗位與任務，人盡其才。企業家不僅為大眾提供工作崗位，更能讓他們擁有一份令他們自己感到舒適與愉悅的工作，發揮他的社會價值?！笆孢m與愉悅”，即要找滿足人們的真正需求，這種需求是一種人文關懷。由于80、90后的員工，內心世界豐富，對于他們的物質上的需求，新生代企業家是好把握的，但對于了解精神上的需求，則需要更貼近他們的生活習慣，滿足已經養成的固定愛好，從人們的生活習慣中，找出每個人的真正需求。

延長油井液面在200～3 000 m段，距離遠，而現有的聲波(可聞聲、超聲波、特超聲)檢測距離一般在100 m范圍內，超過這個范圍則難以檢測到回波信號，因此檢測聲波選擇波長較長且衰減低的次聲波作為檢測聲源，次聲波較強的穿透能力，傳播距離能夠達到幾萬米，根據需要選擇交叉偶極子陣列聲波，目前偶極子技術與最新發展的單極技術結合在一起，可提供測量地層縱波、橫波等優勢[7]。通過交叉偶極子陣列聲波方法計算的孔隙度并利用巖石特性分析模塊計算縱橫波速度比、泊松比、體積模量、切變模量和楊氏模量等巖石物理參數，可在儲層評價、工程領域廣泛應用，如分析裂縫形態、確定井下壓裂施工參數、研究油氣運移規律、判斷裂縫高度的延伸方向、判斷弱應力隔層以實施正確壓裂施工方案、確定射孔方位、分析井眼穩定性、確定水平井鉆進方向、確定注水開發布井方案等[8]。

1.4.2 檢測方法

動液面檢測原理如圖1所示，主要包含油井部分(下位機信號輸入部分)、井口檢測裝置(信號處理部分)。

圖1 動液面檢測方法

具體流程：主控器根據采樣時間來控制氣爆單元發出次聲波，次聲波在環形空間內傳播，遇到油井內的障礙物后回返回，返回的次聲波被井口檢測裝置的聲波接收器接收后經過放大信號、濾波電路送入主控制器處理，主控制器根據式(3)對動液面深度進行計算[9]。

2 系統總體設計

油井物聯網構成如圖2所示。采用物聯網技術將油田油井內的數據進行采集后上傳，對油井內具體位置的壓力、溫度等參數進行實時監控，可實現遠程數據分析，油井各個生產環節緊密聯系[10]。

圖2 油井物聯網構成

2.1 物聯網技術

動液面檢測傳輸如圖3所示。

圖3 動液面檢測傳輸

2.2 叉偶極子陣列聲波動液面硬件設計

動液面檢測系統如圖4所示。由圖4可知，叉偶極子陣列聲波動液面檢測系統分為數據采集單元、數據傳輸單位、動液面檢測中心3部分，其中數據采集單元包括井口檢測裝置，由微音器、壓力傳感器、檢測儀表、電磁閥、儲氣室構成，控制柜則由恒壓恒流開關電源、加壓氣泵、防爆型繼電器組成[11]；數據傳輸部分通過GPRS對數據采集的單元進行采集后傳送至動液面檢測中心，動液面檢測中心包括數據庫服務器、監控主機，打印輸出設備等，能夠實現遠程數據實時監測與分析[12]。

圖4 動液面檢測系統

2.3 叉偶極子陣列聲波動液面軟件設計

軟件框架如圖5所示。

圖5 軟件框架

系統軟件包括界面顯示部分、數據采集與傳輸單元程序兩大部分組成，界面顯示部分分為井口測量值、動液面原始波形、濾波后動液面波形、動液面曲線、套壓曲線5個方面，各模塊之間存在數據互傳的功能，其中軟件子程序按照模塊分類，包括次聲源產生、數模(ADC)信號采集、按鍵處理、顯示處理、數據傳輸。具體實現過程是現場傳感器采集的數據按照數據協議編碼后存入CPU的緩存RAM，通過無線網絡發送至處理器解碼處理，解碼完畢后，按照固有算法進行計算，同時計算完畢，計算數據同步傳送至數據庫，可實現數據、波形、套壓等實時動態顯示。

軟件流程如圖6所示，首先系統初始化，進行初步資源配置，然后進入電壓檢測狀態，在電壓低于3.7 V時，進入報警狀態同時休眠，然后檢測是否已經接收短信，如果沒有收到進入定時判斷功能，達到規定時間后，啟動氣泵氣壓，加壓完成啟動次聲源，如果檢測到有短信返回執行短信命令，次聲源程序執行完畢后，執行ADC采集子程序，然后對采集的數據進行編碼、打包、存儲，進入數據傳輸子程序，根據顯示要求進行顯示，程序執行完畢，進入休眠模式，然后結束。

圖6 軟件流程

2.4 模擬仿真

系統軟件、硬件設計完畢后，對系統進行模擬仿真，仿真條件對搭建的模擬井平臺進行動液面調試，接箍長度根據延長油田的實際使用長度進行選擇，長度為9.6 m，模擬深度250 m，電壓220 V，電路板12 V恒流電源，傳感器壓力傳感器、微音器、電磁閥等，次聲源產生選用氣泵加壓，電磁閥打開，產生次聲源，對井下接箍進行模擬，遇到液面后次聲波反射回來，反射后的聲波通過微音器進行接收，通過算法處理計算后，在軟件界面上進行顯示(圖7)。

圖7 #7542動液面原始波形

由圖7可知，在次聲波傳播過程中，會衰減，隨著時間的推移，接箍回波接收的信號會周期性地衰減，動液面會有脈沖波波峰向下，軟件結果為249 m，誤差<1%，符合要求。

2.5 投用后現場運行情況

經過仿真測試沒有問題后，進行現場安裝，在延長油田的油井現場安裝好采集單元，檢測中心設置在DSC中控中心，中控中心放置服務器、主機、打印機設備，檢測裝置放置在采油處，安裝時保證檢測裝置的密封性能，控制柜通過抽油機的變頻控制提供電源。如圖8所示，可以選擇井口的檢測情況，可以查看對應的井口值，接箍數、套壓值、動液面深度、聲速等信息，動態波形、處理后波形等。

圖8 動液面波形

3 結論

本文來源于陜西延長油田油井測試綜合技術研究與試驗項目，首先，對油井內動液面的檢測方法進行分析，對每一種方法的優缺點進行探討，最終確定采用回聲法進行檢測；同時，根據延長油田油井動液面的特性，設計出針對延長油田特有的動液面檢測方法；最后，結合物聯網技術，設計出相應的數據采集、傳輸、分析動液面檢測系統。目前該系統對油井動液面的檢測誤差1%內，符合延長油田油井實際生產需要，具有很高的應用價值。