何保生，谢雁 （中海油研究总院，北京100027）

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。

1 试验系统研制

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。

图1 稠油出砂实时监测模拟系统

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。

2 理论模型

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：

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：

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，根据帕色伐尔定理，其功率可表示为：

式（3）与式（1）、（2）都是传感器的出信号，且都是功率，因而二者之间的关系为：

式中：K2是由前置放大电路的增益确定的常数，1。由式（2）并考虑式（3）、（4）可得：

式中：K是由实验室确定的常数，1；Q是管道内流体的瞬时流量，m3／s；A为流体的横截面积，m2。临界值取决于数据采集与处理电路。该系统中采用了16位的A／D转换芯片，最低有效位为305μV，当放大后的传感器输出电压小于该值时，就无法进行测量了。由式（1）、（2）可知，该临界电压是由砂粒运动速度和质量确定的。

3 试验

整个试验系统的结构图如图4所示。试验主要对水介质和油介质进行了测试，通过调节单螺杆泵的转速来调节流速［5］，根据不同大小的砂粒在不同流速下的出砂信号及出砂量的对应关系，由式 （5）所示的理论模型测量出砂情况。

试验内容分为室内试验和现场试验，其中室内试验水介质中的出砂试验、工业润滑油介质的出砂、稀释后稠油介质的出砂试验，现场试验是在井口管道上进行的测试试验。

图4 系统结构设计框图统

3．1 室内试验

1）基于水介质的出砂试验 将水和称好重的砂粒 （3kg粒径为0．1mm的砂粒）放入水中，采用搅拌器搅匀，然后通过泵将混合均匀的介质送入测量管道中，在管道的弯管处安装传器，测量出砂情况，测量结果如表1所示。

2）基于工业润滑油介质的出砂测试 试验中注入罐体的工业润滑油的体积为0．595m3，砂粒总质量为3kg，搅拌均匀后进行测量，利用注入罐体和回收罐体对被测流体重复测试，并在表2第1列所示的时间内完成一次测量，测量结果见表2。

由表2可知，随着测量次数的增加及搅拌的作用，润滑油发生了乳化，减弱了传感器的输出信号，误差增大；从表2中也可看出，乳化也与流速有关。

3）稀释后稠油介质中的出砂试验

对黏度为2000mPa·s的稠油经稀释后进行出砂测量，典型的测量结果如表3所示。由表3可知，流速越小，误差越大；砂粒直径越大，误差越小。

表1 水介质下出砂测试结果

表2 基于工业润滑油的出砂测试

表3 稀释后的稠油介质下出砂测试

表4 现场取样测试数据表

3．2 现场试验

在胜利油田进行了现场试验，试验井的原油黏度为220mPa·s，在不加稀释剂的情况下进行了测试，结果如表4所示，取样测试软件界面如图5所示。图中左上、右上、左下、右下方的曲线分别是包括管道振动等噪声的传感器输出信号、滤除噪声后的出砂信号、出砂功率谱信号和瞬时出砂信号。

图5 集输站取样测试结果

4 试验结果及结语

根据室内和现场试验数据，可以确定该系统测量具有一定的准确性，并且可以得出在20℃左右，即220mPa·s的稠油介质下不同砂粒在不同速度下的临界参数。在砂粒粒径为100μm下：流速为6．493m／s时，监测系统测量不到信号；当流速大于6．5m／s时，可以测到少量的信号；在流速大于6．5m／s时，能对0．2mm砂粒定量功能。

出砂监测系统在某些条件下误差较大，但对区分灾难性的突发出砂和正常生产状态下的持续稳定出砂仍有较好的实用性，有关的监测结果可作为灾害预测的依据。

［1］Beattie．Acoustic sand detector for fluid flow streams ［P］．US：5257530，1993．

［2］耿瑞芳，李相方，潘新伟 ．油气井出砂信号的动态监测与处理 ［J］．计算机测量与控制，2003，11（9）：655～657．

［3］Gerald K B．External acoustic sensor and instruments for the detection of sand in oil and gas wells ［A］．Offshore Technology Comference ［C］．Houston，1997－05－05～08．

［4］李邦超，肖斐，李红南，等 ．疏松砂岩油层防砂机理物理模拟 ［J］．油气地质与采收率，2008，15（6）：102～104．

［5］高国旺，李利品，宋汐谨 ．稠油油井出砂实时监测关键技术研究 ［J］．西安石油大学学报，2010，25（3）：56～78．