油井出砂监测.docx

油井出砂监测何保生，谢雁（中海油研究总院，北京１０００２７）［摘要］根据砂粒在流体中的运动规律及砂粒与管壁碰撞后产生的信号特征，建立了室内试验系统，研制了油井出砂监系统，在室内试验和标定的基础上，开展了相关的现场试验。试验结果表明，所研制的试验系统和出砂在线监测系统可以监测直径为１００μｍ以上的砂粒，通过设置稠油稀释装置，该系统还可用于稠油油井的出砂监测，有关的监测结果可作为灾害预测、防砂控砂和优化生产的依据。［关键词］实时监测；微弱信号；模拟系统；油气井出砂［中图分类号］ＴＥ３５７［文献标志码］Ａ［文章编号］１０００－９７５２（２０１３）０５－０１３８－０４在油气井的开采过程中，出砂是一种常见的现象，油气井出砂的原因可归结为地质和开采２种因素。油井出砂会给油田的正常生产带来很大的危害，如：油管砂堵，设备损坏，缩短油井寿命，降低油井产能等，这将给油田带来巨大的经济损失和维修费用。油井出砂的监测可以使油田实时的了解油井的出砂情况，并根据实时获取的出砂信息制定合理的防砂策略，达到更好的控制油井出砂的目的。特别是稠油开采难度较大，故可开发空间也很大，因此，研制一套能够持续实时监测稠油油井出砂系统，对于提高油井产量有着非常重要的意义。目前国外研究了多种管道含砂量的检测方法，包括：声波检测法、ＥＲ检测法、Ｘ射线检测法、光纤声波检测法和声纳检测法，其中较成功且多数油田使用的出砂监测技术主要以声波检测法为主［１］。声测法对应的检测传感器分为内置式和外置式２种，外置式出砂声检测传感器易于安装，且不用考虑流动液体对其的腐蚀作用，因此被广泛使用。试验系统研制１为了模拟实时出砂率情况，研制了图１所示的出砂实时监测模拟系统。该系统的特点是：为了适应高黏度油的出砂监测试验，设置了稠油稀释装置；为了模拟各种不同的流速，设置了变频调速系统；为了尽可能模拟油气井管道中的砂粒分布情况，设置了搅拌系统。该系统可实现：①模拟油气输送和自循环过程；②测量管道内输送介质的流速或流量；③测试出砂信号传感器的性能、灵敏度；④验证管道内图１稠油出砂实时监测模拟系统含砂量的计算模型的正确性；⑤对出砂监测系统进行刻度和标定。为了检测出砂信号，研制了专用的出砂检测传感器，其基本功能是能感受稠油中砂粒撞击管壁引起［收稿日期］２０１３－０２－２２［基金项目］国家科技重大专项（２０１１ＺＸ０５０２４－００３）。［作者简介］何保生（１９７１－），男，１９９４年江汉石油学院毕业，高级工程师，现主要从事油气井工程的技术与管理工作。第３５卷第５期何保生等：油井出砂监测·１３９·的振动信号，并将其转换成易于测量和传输的电荷或电压信号。这种振动信号的频率较高［２］，同时，由于砂粒很小，撞击信号很微弱，且频率高达８０～７００ｋＨｚ，国外技术较成熟的ＣｌａｍｐＯｎ传感器测得的频率是在１００～５００ｋＨｚ［３］。该系统中研制的传器是压电传感器，敏感元件使用的是压电陶瓷材料ＰＳｎＮ－５１，该材料灵敏度高，能够响应０．１ｍｍ的砂粒信号，且具有较高的介电常数和机械品质因数，因此能量消耗小（图２）。为了便于进行实时观测，开发了软件系统。从传感器测得的信号，经过硬件滤波、放大等处理后，再经过数据采集系统，考虑到易于现场工人操作，因此采用的是ＬａｂＶＩＥＷ，整个软件系统的测试界面如图３所示，该软件主要由信号的测试、计算、显示，以及数据的存储、回放显示组成。图２封装的传感器结构图３测试界面试验时采用石项砂代替地层砂。国外对稠油井出砂的砂粒直径进行了较为详尽的统计和分析，认为砂粒直径的分布范围为０．００１～０．５ｍｍ之间，其中直径为０．１ｍｍ左右的砂粒所占的比例最高，０．１ｍｍ以上的砂粒约占总出砂率的５０％。我国油田砂粒直径的分布也多在０．１ｍｍ［４］，对于一些防砂较好的井，砂粒直径较小。因此试验准备了０．１～２．４ｍｍ的砂粒。经过不同比例的稀释剂、水和稠油，５０％水＋５０％油＋０．５％降粘剂的降粘效果最好，黏度下降近１００倍，在３５℃时，原油原始黏度为１４０００ｍＰａ·ｓ，稀释后为１５０ｍＰａ·ｓ。理论模型２传感器的输出信号Ｓ１与碰撞管壁的砂粒质量和速度有关。设ｍｉ是第ｉ个固体颗粒的质量，ｋｇ；ｖｉ是第ｉ个砂粒的速度，ｍ／ｓ；在观测时间Δｔ（ｓ）内共有ｎ个砂粒碰撞管壁。则有：ｎｃｍｉｖ２（）Ｓ１＝１２Δｔ∑ｉｉ＝１式中：ｃ是与传感器的灵敏度有关的系数，１。假定ｎ个砂粒的平均速度为ｖ，ｍ／ｓ；质量和为ｍ，ｋｇ；砂粒在管道路中均匀分布；碰撞管壁的砂粒质量ｍ与管道中总的砂粒质量Ｍ的关系为ｍ＝Ｋ１Ｍ，则式（１）成为：Ｓ１＝ｃＫ１Ｍｖ２（２）２Δｔ式中：Ｋ１为碰撞管壁的砂粒质量占总砂粒质量的比例。由式（１）及式（２）可知，传输器的输出信号Ｓ１是单位时间内的能量，即功率，Ｗ。由于所研制的传感器以电压Ｕ（Ｖ）表示出砂信号的，根据帕