基于回聲法動液面監控標準化研究與應用

張毅，任勇強，商量，陳小虎，譚學，孫振波

（中石油渤海鉆探井下作業分公司，河北 滄州 062552）

油氣田開采過程中動液面位置直接影響油氣井作業安全，但液面深度無法直接識別。近年來新發明了一種動液面監控技術，該技術直接反映動液面情況，意義重大。國外對油氣井動液面監控技術研發已經較為成熟。2003年，Sakharov V E等人提出一種新型的、無創的高壓封閉金屬容器液位測量方法，研制了基于超聲蘭姆波沿管壁傳播原理的液位傳感樣機。2014年，Li K和Han Y針對抽油泵機組井下動態液位的連續測量，提出了一種基于最小二乘支持向量機模型的傳感器方法。2015年，Li P、Cai Y、和Shen X等人有提出了一種基于多輸入多輸出超聲換能器的液位檢測方法。國內各大油田也在油氣井動液面監控技術上加大研發。2008年，針對海上油氣井特征，牛貴鋒、吳江、廖伍彬等人研究設計了一套應用于渤海油田的集成式動液面自動監控系統。2012年，長慶油田油氣工藝研究院、低滲透油氣田勘探開發實驗室的羅有剛等科研人員在長慶油田4口井完成了動液面在線連續監控。2015年，大港油田公司陳津剛提出一種能夠集連續性、安全性、組合性于一體的動液面自動測試設備，實現了實時監控動液面的目的且數據采集準確度高。綜上所述，對于油氣井動液面監控都越來越重視。但是針對此項作業卻無相對應標準作為參考。因此，需要建立作業流程標準用以指導現場操作，下面將針對這些問題展開論述。

1 基本原理

油氣井液面測量方法多種多樣，其中基于聲速的回聲法具有測量精度高、成本低、操作方便、集成自動化程度高等諸多優點，目前基于聲速的回聲法為基礎制造的液面監控設備已經在各大油氣田應用占比達80%左右。本文也是針對該方法衍生的相關作業進行標準化研究。聲波在氣體介質傳播過程中，遇到障礙物會發生反射，只要檢測出聲波在氣體中傳播速度以及反射波從障礙物處到聲源處所經過的時間，便可計算出聲源和障礙物間的距離，這就是油氣井液位測量中回聲法的測量原理。

2 技術標準化存在的問題

2.1 設備設施要求

液面監控作業需要設備具有一定的承壓能力，特別是針對儲氣庫井的液面監控系統還必須具有氣密封承壓以及設備防爆要求。液面監控用于聲發射的氣源一般采用氮氣激發，氮氣雖然是相對安全惰性氣體，不容易引發安全事故，但針對氮氣如何在液面監控作業中使用需要相關標準支持。

2.2 規范現場施工操作

液面監控設備一般安裝在井口附近位置，聲發射裝置的氮氣氣源一般需要選擇干擾液面反射波較少的部位安裝以確保測試的準確性，如何將設備擺放、固定并符合現場施工要求就需要相應標準支持。施工前應做哪些檢查、如何做到操作人員安全防護、操作時需要注意事項等都是規范現場操作所面臨的問題。

2.3 保養維護要求

設備內部的微音器、傳感器屬于精密電子元器件，使用完畢后保養不到位容易損壞。設備與油氣井連接處設置有安全放氣閥，拆卸設備時用于井內氣體泄壓，井口一般污染物較多，為了確保不會發生安全事故，需要定期對放氣閥進行清理。

3 技術標準化及研究策略

3.1 設備設施能力標準化

通過查詢工標網、石油工業標準化信息網、石油工業出版社網幾個相關的標準網站后，并無相關標準可依據。所以只有參考現行標準相關類似要求。液面監控設備是集成傳感器、數據處理、防爆電池的電氣設備，其內部布線等設計應遵循GB 4706.1《家用和類似用途電氣的安全 第一部分：通用要求》要求。該設備一般都安裝在井口、管匯等井控設備上，所以應參照SY/T 6690《井下作業井控技術規程》中井控裝備試壓相關要求執行。現場使用過程中應滿足石油勘探開發相關儀器在非包裝狀態下振動試驗的要求，其檢測應按照SY/T5134《石油勘探開發儀器基本環境試驗方法試驗G：振動（正弦）試驗》要求。現場采用電網供電或電池組供電兩種模式，為保證用電安，設備需接地并按GB 14050《系統接地的型式及安全技術要求》規定執行。作現場所使用氮氣技術指標應符合GB/T 3864《工業氮》要求。該設備需要一定防爆能力，特別是在涉及氣井施工作業時更應注重防爆，具體應遵循GB 3836.1《爆炸性環境 第1部分 設備：通用要求》要求。在含有硫化氫等氣井作業時，操作人員人身安全防護設施應按SY/T 6277《硫化氫環境人身防護規范》規定執行。

3.2 現場施工操作標椎化

該設備安裝在井口或者節流管匯等井控裝備上，安裝參照SY/T 6690《井下作業井控技術規程》中井口和管匯安裝的相關要求執行。在設備安裝前應確保套管閥門處于關閉狀態，接線操作時確保電氣柜處于斷電狀態，保證操作人員的安全。安裝后檢查設備連線是否正確、牢固，檢查井口連接器是否緊固確保不漏氣，以上檢查完畢后，方可通電與開啟套管閥門。施工完畢后，拆卸前務必要確認電源斷開、套管測試閥門關閉、液面自動監測儀安全放氣閥打開，待排空儀器內氣體后，方可拆卸設備。拆掉設備后，現場電源線接頭做絕緣處理，謹防觸電。

3.3 設備保養維護標準化

檢測系統涉及到的電子元器件較多，在使用時要注意防雨淋，防塵，在環境溫度低于零下35℃時，建議在設備表面增加伴熱裝置。微音器需要每隔3個月檢查一次，檢查時應注意微音器表面是否有油污或者水滴，清理時要注意保持干燥。此外，氮氣聲發射的管道也應該每隔3個月檢查清理一次，確保管道內清潔無異物。安全放氣閥作為安全防護主要部件，每次施工完畢后都應對放氣閥進行清理避免有異物堆積，確保不會發生安全事故。

4 技術標準化應用效果

位于河北省霸縣境內的蘇1-6井為華北油田儲氣庫管理處的注采井，為一級風險井中的儲氣庫井。該井于2013年6月注氣投產，2014年6月出現環空帶壓情況，存在安全風險。2020年12月對該井作業解決環空帶壓問題，為保證安全對該井實時液面監控作業。2021年5月連續灌液，根據工況將設備安裝在節流管匯上，每隔30min進行一次監控，選取部分數據見表1。

表1 監控數據表

通過表中可以看出液面深度值穩定在655米左右，利用常規下抽子方法探測液面650米。經過測試該系統能夠運行穩定并準確判斷液面位置，達到了標準化作業目的。

5 結語

基于回聲法油氣井動液面監控為一種新型技術，在具體標準化過程中可以借鑒的資源有限，但分析技術特點并與現有成熟標準相比較，還是成功構建了該項技術標準化作業流程，為該技術的推廣具有重大的意義，同時也為今后其他同類技術標準化提供了參考依據。