小套管井环空液面监测技术研究

2016-09-02周泉泉齐庆元陈永浩

长江大学学报(自科版) 2016年14期

关键词：变径环空液面

周泉泉，齐庆元，陈永浩

(中石化中原油田分公司石油工程技术研究院,河南濮阳 457001)

小套管井环空液面监测技术研究

周泉泉，齐庆元，陈永浩

(中石化中原油田分公司石油工程技术研究院,河南濮阳 457001)

小套管抽油井由于井下管柱在悬挂器以下存在变径位置，常规液面测试仪器难以测试准确的液面位置。为此，针对井下管柱特点，研究出小套管生产井环空液面测试技术。测试采用回声原理，气体压差瞬时击发产生声波，用压电陶瓷传感器接收回声波的反射，提高了回声监测灵敏度。从高精度回声接收器、优选压差声波幅度、提高仪器抗干扰能力、提高曲线波形识别分析技术等4方面研究了环空液面新工艺。在测试曲线上可以清楚地区分井口波、悬挂器变径波和动液面波。2015年上半年开展小套管抽油井环空液面测试45井次，通过测试获得了抽油井生产时的动态资料。该项技术的开发应用能够准确判断抽油井工况、油井供液能力，对优选合理的工作制度、提高油田经营管理水平具有十分重要的意义。

小套管井；动液面；悬挂器变径；抽油井工况

抽油井的生产动态基础资料，如动液面、示功图等是油田生产管理中的重要基础参数。因此，准确地提取抽油井生产动态资料，对判断抽油井的工况，评价油井供液能力，优选合理工作制度，提高油田经营管理水平具有十分重要的意义。

井下生产管柱和抽油泵一般下至小套管内，由于套管内径的变小致使油套环形空间面积缩小，在小套管悬挂器处有一个变径位置，传统液面测试仪器测不出油套变径位置以下液面的准确深度，给油井生产动态分析带来了新的技术难题。为此，针对井下管柱特点，开发了小套管生产井环空液面测试技术。该技术综合考虑井下管柱变径特点，根据次声波发声进行液面测试的技术原理，液面测试的声源用惰性气体压差碰撞产生，液面测试的接收装置采用压电陶瓷来检测声波的反射，提高了回声监测灵敏度，采用数据记录仪完成对测试曲线的分析处理。通过油管头监测套压和井下环空液面深度，清楚地区分井口波、小套管悬挂器变径波和动液面波，分析计算油井生产时的动液面，获得抽油井生产动态资料。该技术方法简单易行，安全可靠程度高，基本解决了小套管抽油井测动液面难的技术难题。

1　小套管井环空液面监测技术原理

针对小套管井环空液面测试的技术方法，国内尚无相关文献报道，鉴于目前矿场常用的抽油井及自喷油井环空动液面探测方法[1～4]，优选出了适合于小套管油井的环空液面测试方法——回声探测法。

1.1回声探测法原理

当井口发声装置采用惰性气体压差瞬时击发产生声波脉冲信号在井筒中传播时，遇到井下油管接箍、变径位置和液面时就产生反射脉冲[5]，如果知道声波脉冲的传播速度和反射脉冲的反射时间就可以知道液面与脉冲声源之间的距离见图1。

1.2液面位置计算

回声探测法主要利用声波在环形空间中的传播速度和测得的反射时间来计算其位置：

(1)

式中：L为液面深度，m；V为声波传播速度，m/s，可以由音标法、接箍法和理论音速法3种方法确定；t为声波从井口遇到液面、再返回到井口所需要的时间，s。

图1　回声记录曲线图

1.3小套管井环空液面测试仪器适应性分析

回声法作为小套管环空液面监测方法的特点是：①常规的液面测试，由于回声接收传感器灵敏度低的限制，当声波沿油套环形空间向下传播时衰减大，遇到变径位置后，再无法向下传播，无法测出变径以下的液面； ②常规的液面记录，由于滤波和降噪以及波形识别方面的缺陷，测试的液面曲线复杂多变，二次测试重复性差，无法正确判别液面反射波的准确位置，测试成功率低；③测试受井筒生产条件的制约大，对于套管为5.5in、套压为0.2～3.0MPa、液面深度在10～2000m的井常规仪器可以测出液面波；而对于没有套压的井，常规液面测试仪由于受声源幅度和发射枪耐压的影响，测试的液面波曲线信号衰减大，一般显示井口波和几十个接箍波后，再无其他回声波显示，无法获取动液面资料；④通过分析可知如果要满足小套管环空液面监测需要，必须具有井口声波幅度大、回声接收装置灵敏度高、测试液面深度范围宽的仪器装置，而目前国内尚无可靠回声液面探测仪满足小套管环空液面监测的需要。

2　小套管井环空液面监测仪技术

为解决小套管抽油井环空液面测试的技术难题，设计了新型环空液面测试系统。仪器主要由以下几部分组成：①压力温度传感器；②回声接收装置(双膜片压电陶瓷微音器)；③充气气室；④击发电磁阀；⑤数据采集处理系统。从高精度回声接收器、优选压差声波幅度、提高仪器抗干扰能力、提高曲线波形识别分析技术等4方面研究了环空液面监测新工艺。

2.1高精度回声接收器选择

针对小套管抽油井环空液面测试难的技术现状，用ZYJ-3型液面自动监测仪、ZJ-6型双频道回声探测仪和GY-QYM液面测试仪在中原油田采油五厂H5-194H井测试，现有仪器测出小套管悬挂器的位置比较清楚(图2)，但无法测出液面位置。

分析原因，一是接收回声波的关键器件微音器灵敏度低，随着声波信号沿油套环形空间向下传播时的衰减大，当传到油套变径以下信号变得很微弱；二是发声源幅度小，能量不足。

通过室内研究改变发声方式、筛选高精度回声接受器，创新设计了微音器谐振片连接方式，将微音器声电转换性能提高约1.6倍，信号分辨度由“s”级提高至“ms”级，同时提高压差声波幅度,提高了测试成功率。针对部分抽油井测试液面显示不清问题，进行了室内电容、电导纳等参数的测试，采用次声波发声方式，降低声波频率，增加了波长，在遇到大的管柱变径位置时，可以衍射，声波损失能量小。

图2　H5-194H井常规仪器测试曲线

2.2优选压差声波幅度

针对中原油田小套管抽油井管柱特点，在井下抽油管柱变径的环空条件下，室内模拟了不同压差声源下仪器接收回声波的极限压差，压差优选对比见图3、4。当压差达到3MPa时，可以接收到声波幅度0～4mV的信号；当压差达到5MPa时，可以接收到声波幅度0～10mV的信号。优选工作压差5MPa，提高测试成功率，测试效果良好。

图3　压差在3MPa下液面测试曲线

2.3提高仪器抗干扰能力

中原油田是低渗透复杂断块油田，具有油藏埋藏深、高温高压、层间和平面非均质性严重、压力传播速度慢、储层物性差、渗透率低、动液面深、抽油泵到射孔段距离长的特点。由于抽油杆与油管的摩擦碰撞产生干扰波，对测试影响大，导致液面波分辨不清或测量不准[6]。现场测试时，先测出背景噪声，判断对测试资料的影响程度，根据背景噪声的幅度选择压差声波幅度的大小，有效地克服了摩擦碰撞产生干扰的影响。

2.4提高曲线波形识别分析技术

由于小套管井环空间隙小，测试信号受到噪声干扰，易造成测试波形模糊。为提高曲线波形识别能力，声波换能器根据电脉冲信号的幅值做出电参数匹配，使测试效果达到最佳[7，8]。经电参数匹配的信号传输至液面波滤波器，液面波滤波器在滤除干扰和杂波的同时过滤出液面波信号。滤波信号经过调理电路整形后，形成清晰的液面波形。该技术同时采用了小波降噪方法，解决了信号异常的问题。现场测试H5-194井的液面记录曲线显示井口波、小套管悬挂器变径波和动液面波清晰可辨(见图5)。

图4　压差在5MPa下液面测试曲线

图5　H5-194井新型测试仪测试曲线

3　现场应用

2015年上半年，先后在中原油田采油一厂、二厂、三厂、五厂开展小套管抽油井环空液面测试45井次，通过测试获得了抽油井生产时的动态资料，为正确确定泵的沉没度和油井供液能力提供了重要技术参数。胡5-侧3井是中原油田的一口4in套管抽油井，生产层位为沙河街组三段2、4、6层，井段1977.0～2253.5m，生产厚度16.3m/4层。2015年6月25日测试时在冲程为5.0m、冲次为3.8次/min、泵径为∅44mm、泵深为1699m的情况下，日产液5t，日产油0.4t，含水率92%。测试的动液面曲线见图6，可以看出，测试井口波、小套管悬挂器变径波和动液面波清晰可辨，现场测试成功。结合胡5-侧3井生产动态数据，计算动液面为1688.49m，泵的沉没度为11m，分析可知该井地层供液能力较差，建议加深泵挂小冲次生产。