油井出砂監(jiān)測(cè)

何保生，謝雁 （中海油研究總院，北京100027）

在油氣井的開(kāi)采過(guò)程中，出砂是一種常見(jiàn)的現(xiàn)象，油氣井出砂的原因可歸結(jié)為地質(zhì)和開(kāi)采2種因素。油井出砂會(huì)給油田的正常生產(chǎn)帶來(lái)很大的危害，如：油管砂堵，設(shè)備損壞，縮短油井壽命，降低油井產(chǎn)能等，這將給油田帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和維修費(fèi)用。油井出砂的監(jiān)測(cè)可以使油田實(shí)時(shí)的了解油井的出砂情況，并根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的出砂信息制定合理的防砂策略，達(dá)到更好的控制油井出砂的目的。特別是稠油開(kāi)采難度較大，故可開(kāi)發(fā)空間也很大，因此，研制一套能夠持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)稠油油井出砂系統(tǒng)，對(duì)于提高油井產(chǎn)量有著非常重要的意義。

目前國(guó)外研究了多種管道含砂量的檢測(cè)方法，包括：聲波檢測(cè)法、ER檢測(cè)法、X射線檢測(cè)法、光纖聲波檢測(cè)法和聲納檢測(cè)法，其中較成功且多數(shù)油田使用的出砂監(jiān)測(cè)技術(shù)主要以聲波檢測(cè)法為主［1］。聲測(cè)法對(duì)應(yīng)的檢測(cè)傳感器分為內(nèi)置式和外置式2種，外置式出砂聲檢測(cè)傳感器易于安裝，且不用考慮流動(dòng)液體對(duì)其的腐蝕作用，因此被廣泛使用。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)研制

為了模擬實(shí)時(shí)出砂率情況，研制了圖1所示的出砂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：為了適應(yīng)高黏度油的出砂監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，設(shè)置了稠油稀釋裝置；為了模擬各種不同的流速，設(shè)置了變頻調(diào)速系統(tǒng)；為了盡可能模擬油氣井管道中的砂粒分布情況，設(shè)置了攪拌系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)：①模擬油氣輸送和自循環(huán)過(guò)程；②測(cè)量管道內(nèi)輸送介質(zhì)的流速或流量；③測(cè)試出砂信號(hào)傳感器的性能、靈敏度；④驗(yàn)證管道內(nèi)含砂量的計(jì)算模型的正確性；⑤對(duì)出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行刻度和標(biāo)定。

圖1 稠油出砂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng)

為了檢測(cè)出砂信號(hào)，研制了專(zhuān)用的出砂檢測(cè)傳感器，其基本功能是能感受稠油中砂粒撞擊管壁引起的振動(dòng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量和傳輸?shù)碾姾苫螂妷盒盘?hào)。這種振動(dòng)信號(hào)的頻率較高［2］，同時(shí)，由于砂粒很小，撞擊信號(hào)很微弱，且頻率高達(dá)80～700kHz，國(guó)外技術(shù)較成熟的ClampOn傳感器測(cè)得的頻率是在100～500kHz［3］。該系統(tǒng)中研制的傳器是壓電傳感器，敏感元件使用的是壓電陶瓷材料PSnN－51，該材料靈敏度高，能夠響應(yīng)0．1mm的砂粒信號(hào)，且具有較高的介電常數(shù)和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，因此能量消耗小 （圖2）。

為了便于進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，開(kāi)發(fā)了軟件系統(tǒng)。從傳感器測(cè)得的信號(hào)，經(jīng)過(guò)硬件濾波、放大等處理后，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，考慮到易于現(xiàn)場(chǎng)工人操作，因此采用的是LabVIEW，整個(gè)軟件系統(tǒng)的測(cè)試界面如圖3所示，該軟件主要由信號(hào)的測(cè)試、計(jì)算、顯示，以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、回放顯示組成。

圖2 封裝的傳感器結(jié)構(gòu)

圖3 測(cè)試界面

試驗(yàn)時(shí)采用石項(xiàng)砂代替地層砂。國(guó)外對(duì)稠油井出砂的砂粒直徑進(jìn)行了較為詳盡的統(tǒng)計(jì)和分析，認(rèn)為砂粒直徑的分布范圍為0．001～0．5mm之間，其中直徑為0．1mm左右的砂粒所占的比例最高，0．1mm以上的砂粒約占總出砂率的50%。我國(guó)油田砂粒直徑的分布也多在0．1mm［4］，對(duì)于一些防砂較好的井，砂粒直徑較小。因此試驗(yàn)準(zhǔn)備了0．1～2．4mm的砂粒。經(jīng)過(guò)不同比例的稀釋劑、水和稠油，50%水＋50%油＋0．5%降粘劑的降粘效果最好，黏度下降近100倍，在35℃時(shí)，原油原始黏度為14000mPa·s，稀釋后為150mPa·s。

2 理論模型

傳感器的輸出信號(hào)S1與碰撞管壁的砂粒質(zhì)量和速度有關(guān)。設(shè)mi是第i個(gè)固體顆粒的質(zhì)量，kg；vi是第i個(gè)砂粒的速度，m／s；在觀測(cè)時(shí)間Δt（s）內(nèi)共有n個(gè)砂粒碰撞管壁。則有：

式中：c是與傳感器的靈敏度有關(guān)的系數(shù)，1。假定n個(gè)砂粒的平均速度為v，m／s；質(zhì)量和為m，kg；砂粒在管道路中均勻分布；碰撞管壁的砂粒質(zhì)量m與管道中總的砂粒質(zhì)量M 的關(guān)系為m＝K1M，則式（1）成為：

式中：K1為碰撞管壁的砂粒質(zhì)量占總砂粒質(zhì)量的比例。

由式（1）及式（2）可知，傳輸器的輸出信號(hào)S1是單位時(shí)間內(nèi)的能量，即功率，W。由于所研制的傳感器以電壓U（V）表示出砂信號(hào)的，根據(jù)帕色伐爾定理，其功率可表示為：

式（3）與式（1）、（2）都是傳感器的出信號(hào)，且都是功率，因而二者之間的關(guān)系為：

式中：K2是由前置放大電路的增益確定的常數(shù)，1。由式（2）并考慮式（3）、（4）可得：

式中：K是由實(shí)驗(yàn)室確定的常數(shù)，1；Q是管道內(nèi)流體的瞬時(shí)流量，m3／s；A為流體的橫截面積，m2。臨界值取決于數(shù)據(jù)采集與處理電路。該系統(tǒng)中采用了16位的A／D轉(zhuǎn)換芯片，最低有效位為305μV，當(dāng)放大后的傳感器輸出電壓小于該值時(shí)，就無(wú)法進(jìn)行測(cè)量了。由式（1）、（2）可知，該臨界電壓是由砂粒運(yùn)動(dòng)速度和質(zhì)量確定的。

3 試驗(yàn)

整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。試驗(yàn)主要對(duì)水介質(zhì)和油介質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)調(diào)節(jié)單螺桿泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流速［5］，根據(jù)不同大小的砂粒在不同流速下的出砂信號(hào)及出砂量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由式 （5）所示的理論模型測(cè)量出砂情況。

試驗(yàn)內(nèi)容分為室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其中室內(nèi)試驗(yàn)水介質(zhì)中的出砂試驗(yàn)、工業(yè)潤(rùn)滑油介質(zhì)的出砂、稀釋后稠油介質(zhì)的出砂試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是在井口管道上進(jìn)行的測(cè)試試驗(yàn)。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖統(tǒng)

3．1 室內(nèi)試驗(yàn)

1）基于水介質(zhì)的出砂試驗(yàn) 將水和稱(chēng)好重的砂粒 （3kg粒徑為0．1mm的砂粒）放入水中，采用攪拌器攪勻，然后通過(guò)泵將混合均勻的介質(zhì)送入測(cè)量管道中，在管道的彎管處安裝傳器，測(cè)量出砂情況，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

2）基于工業(yè)潤(rùn)滑油介質(zhì)的出砂測(cè)試 試驗(yàn)中注入罐體的工業(yè)潤(rùn)滑油的體積為0．595m3，砂?？傎|(zhì)量為3kg，攪拌均勻后進(jìn)行測(cè)量，利用注入罐體和回收罐體對(duì)被測(cè)流體重復(fù)測(cè)試，并在表2第1列所示的時(shí)間內(nèi)完成一次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，隨著測(cè)量次數(shù)的增加及攪拌的作用，潤(rùn)滑油發(fā)生了乳化，減弱了傳感器的輸出信號(hào)，誤差增大；從表2中也可看出，乳化也與流速有關(guān)。

3）稀釋后稠油介質(zhì)中的出砂試驗(yàn)

對(duì)黏度為2000mPa·s的稠油經(jīng)稀釋后進(jìn)行出砂測(cè)量，典型的測(cè)量結(jié)果如表3所示。由表3可知，流速越小，誤差越大；砂粒直徑越大，誤差越小。

表1 水介質(zhì)下出砂測(cè)試結(jié)果

表2 基于工業(yè)潤(rùn)滑油的出砂測(cè)試

表3 稀釋后的稠油介質(zhì)下出砂測(cè)試

表4 現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試數(shù)據(jù)表

3．2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在勝利油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)井的原油黏度為220mPa·s，在不加稀釋劑的情況下進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表4所示，取樣測(cè)試軟件界面如圖5所示。圖中左上、右上、左下、右下方的曲線分別是包括管道振動(dòng)等噪聲的傳感器輸出信號(hào)、濾除噪聲后的出砂信號(hào)、出砂功率譜信號(hào)和瞬時(shí)出砂信號(hào)。

圖5 集輸站取樣測(cè)試結(jié)果

4 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)語(yǔ)

根據(jù)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以確定該系統(tǒng)測(cè)量具有一定的準(zhǔn)確性，并且可以得出在20℃左右，即220mPa·s的稠油介質(zhì)下不同砂粒在不同速度下的臨界參數(shù)。在砂粒粒徑為100μm下：流速為6．493m／s時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量不到信號(hào)；當(dāng)流速大于6．5m／s時(shí)，可以測(cè)到少量的信號(hào)；在流速大于6．5m／s時(shí)，能對(duì)0．2mm砂粒定量功能。

出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某些條件下誤差較大，但對(duì)區(qū)分災(zāi)難性的突發(fā)出砂和正常生產(chǎn)狀態(tài)下的持續(xù)穩(wěn)定出砂仍有較好的實(shí)用性，有關(guān)的監(jiān)測(cè)結(jié)果可作為災(zāi)害預(yù)測(cè)的依據(jù)。

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