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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）12-084-03中圖分類號：TP274

★宋子平，劉淼，陳冰，韓宏志，趙書娥（中國石油昆侖數(shù)智科技有限責任公司，北京102206）

關(guān)鍵詞：井下動液面；自動監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；智慧油田

隨著中國石油數(shù)字化與智慧化油田建設(shè)步伐的逐步加速，油井動液面參數(shù)自動化采集與實時動態(tài)監(jiān)測成為油田生產(chǎn)智能化提升與完善的重要內(nèi)容之一。當前油田生產(chǎn)單位普遍采用回聲儀人工現(xiàn)場檢測的方法進行油井動液面抽檢，不僅采集、處理數(shù)據(jù)周期較長，且由于油井數(shù)量眾多、地理位置分散，導(dǎo)致檢測工人勞動強度大、采集成本居高不下^[1-3]。通過有效的手段獲取準確的動液面數(shù)據(jù)，可以有效解決數(shù)據(jù)檢測不及時、結(jié)果誤差大等問題，從根本上實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的降本增效^[4-5]。因此，如何實現(xiàn)動液面數(shù)據(jù)的實時自動采集和分析計算是油田生產(chǎn)單位目前急需解決的痛點問題。

隨著開發(fā)時間不斷延長，國內(nèi)大多數(shù)油田進入了開發(fā)中后期，例如具有典型“低壓、低滲、低豐度”特點的長慶油田，對低能耗、高效生產(chǎn)的需求日益增長。連續(xù)跟蹤油井動液面數(shù)據(jù)有助于了解油井生產(chǎn)狀態(tài)、掌握地層供液情況，并能準確地得到地層參數(shù)變化，為及時調(diào)整油井生產(chǎn)參數(shù)提供了決策依據(jù)，從而有效避免空抽現(xiàn)象發(fā)生，提升了機采效率。因此，急需開展基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高準確度、高可靠性動液面自動監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用，以滿足日益加快的油田智能化建設(shè)需求。

1　傳統(tǒng)動液面監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀

當前國內(nèi)外監(jiān)測油井動液面的方法分為三大類：物理測量法、軟測量法以及回聲法。物理測量法對井下設(shè)備的精度要求極高；軟測量法依據(jù)機理或數(shù)據(jù)等建模方式構(gòu)建液面動態(tài)變化模型，并計算得出動液面深度，其準確度較高，但由于井況差異較大，需對各個油井單獨建模，不具備大面積推廣條件；回聲法通過聲波信號計算動液面位置，其成本較低且實用性強，成為石油行業(yè)近年來主要采用的技術(shù)手段^[6-7]。

國外基于回聲法的動液面監(jiān)測技術(shù)較為成熟，例如代表性的D-6B2和D型動液面監(jiān)測儀，它們測量精準度較高，但產(chǎn)品售價偏高，且存在技術(shù)保護壁壘，在國內(nèi)維護及維修均較為困難。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，現(xiàn)有產(chǎn)品型號繁多，但質(zhì)量參差不齊。多數(shù)產(chǎn)品測量精度不高，功能單一，如市場占有率較高的ZJY型和CJ型動液面監(jiān)測儀，由于聲波能量有限且在井下衰減嚴重，因此在低套壓、深井等井況條件下均表現(xiàn)不佳。

綜上所述，國內(nèi)利用回聲測量動液面深度的研究仍處于初級階段，無法實時在線測量，且后期需人工對回波信號進行解釋分析，其智能化、自動化程度較低，還需開展進一步研究。

2  動液面自動監(jiān)測系統(tǒng)

針對現(xiàn)有動液面監(jiān)測系統(tǒng)存在的局限性，本項目研發(fā)了一款高精度測量、適應(yīng)多種井況、結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的動液面自動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)連續(xù)動態(tài)液面監(jiān)測，測量范圍可達到20m～3000m，突破了一般監(jiān)測儀可測量最小液面值為60m的限制，且液面測量誤差≤3‰。

該系統(tǒng)基于自動聲源方式的回聲法原理，通過連續(xù)向套管內(nèi)放氣產(chǎn)生次聲波向井底傳播，當次聲波遇到液面、障礙物、套管接箍后反射回微音器，并轉(zhuǎn)換形成電信號，再經(jīng)過放大、濾波處理，將實時動態(tài)數(shù)據(jù)編碼壓縮。RTU可智能地完成聲波發(fā)聲、液面數(shù)據(jù)采集、井口套壓采集、數(shù)據(jù)存儲、通訊連接等全部流程管理。數(shù)據(jù)采集完成后，上傳至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心進一步分析計算得到液面數(shù)值，如圖1所示。

圖1 回聲法動液面監(jiān)測原理

此外，其上位機軟件可實現(xiàn)液面數(shù)據(jù)的實時分析、自動計算、歷史數(shù)據(jù)查詢、液面濾波設(shè)置等功能，運行過程全程實現(xiàn)無人值守；且系統(tǒng)軟件界面清晰明了、功能完善、操作簡便，可根據(jù)現(xiàn)場實際需求靈活設(shè)定不同采集周期，是智慧化油田建設(shè)的一項重要組成部分。

3  關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

3.1　采用自動聲源方式

傳統(tǒng)回聲法動液面監(jiān)測系統(tǒng)通常采用氮氣瓶聲彈或無彈頭的火藥子彈發(fā)聲方式，這種方法不僅成本高，而且子彈在發(fā)聲時易燃爆，存在一定的安全隱患，且具有局限性：其屬于走紙式回聲儀，不能直接顯示液位值；附件多，安裝復(fù)雜，氮氣瓶需不斷充裝，后期維護費用高。

本系統(tǒng)采用自動聲源，克服了傳統(tǒng)發(fā)聲介質(zhì)工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、精確度低和使用壽命短的問題，不僅實現(xiàn)了無人值守，使其安全性得到了保障，而且實現(xiàn)了液面數(shù)據(jù)的連續(xù)監(jiān)測、自動計算和遠程傳輸，較好地滿足了油井數(shù)字化需求。

3.2　大功率單向流電磁閥

本系統(tǒng)用于發(fā)聲的電磁閥采用大功率設(shè)計，當在發(fā)聲過程中遇到漏油情況，可在發(fā)聲結(jié)束后迅速自切斷。在電磁閥的后級裝有單流閥，當套管內(nèi)有液體時，由于流動方向相反處于截止狀態(tài)，可避免在監(jiān)測過程中發(fā)生井口溢流等井控風險。此外，本系統(tǒng)的電磁閥通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免了由于溫度過低導(dǎo)致電磁閥結(jié)冰而出現(xiàn)打不開的情況，可在我國冬季氣溫極低的北方油田使用。

3.3　動液面自動監(jiān)測系統(tǒng)裝置硬件優(yōu)化組合

為滿足不同條件油井的動液面監(jiān)測需求，本研究針對不同工況對系統(tǒng)裝置進行了優(yōu)化重組、配置。根據(jù)油井（套壓）通用壓力取值范圍、井口供電方式的不同，油井工況可分為有套壓型、無套壓型和無供電型三種，其具體優(yōu)化組合方式如下：

（1）對于套管壓力大于0.3Mpa的油井，其硬件配置主要包括電磁閥、微音器、數(shù)據(jù)采集終端RTU、數(shù)據(jù)傳輸終端DTU和供電電源。套管內(nèi)的氣體通過電磁閥釋放，形成次聲波發(fā)射到井內(nèi)沿套管向井底傳播，在抵達井底液面后通過反射作用傳回管口。套管口的微音器將其轉(zhuǎn)換形成電信號，并經(jīng)由放大、濾波等處理壓縮形成數(shù)據(jù)編碼發(fā)送至遠程監(jiān)控中心，分析計算得到油井動液面值。

（2）對于套管壓力小于0.3Mpa的油井，配備可簡便安裝的微型氣泵，以空氣作為氣源，完成次聲波的發(fā)聲。本系統(tǒng)采用的氣泵增壓能力強，可達到1.2Mpa，較強的發(fā)聲能量能夠有效解決干擾較大情況下液面回波難以識別的問題。該氣泵增壓次數(shù)可達30000次，使用壽命長，無需頻繁更換，并且故障率低，能夠在提高現(xiàn)場作業(yè)效率的同時降低設(shè)備維護成本。此外，該氣泵連續(xù)使用的時間間隔短，最小為10分鐘，可滿足動態(tài)監(jiān)測需要，且其能夠結(jié)合數(shù)據(jù)采集終端RTU、DTU進行數(shù)據(jù)傳輸及遠程控制指令接收，為實現(xiàn)油田信息化建設(shè)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

（3）對于無供電型油井，可采用太陽能供電，即加裝太陽能電池板、太陽能蓄電池和太陽能控制器，可以滿足裝置在無光照下不間斷運行7天，無碳排放壓力，進一步降低了系統(tǒng)運行成本。

4　現(xiàn)場應(yīng)用

4.1　應(yīng)用場景

本系統(tǒng)在國內(nèi)某“三低”油田開展了現(xiàn)場試驗，對油井進行了連續(xù)動液面數(shù)據(jù)監(jiān)測。此類低滲透、超低滲透油藏普遍存在地層供液不足的情況，易引起抽油機空抽，造成設(shè)備磨損和電能損耗。動液面自動監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用可為制定科學合理的間抽生產(chǎn)制度提供依據(jù)，對穩(wěn)定優(yōu)化油井產(chǎn)量和節(jié)能減耗、降本增效起到了重要作用。

為充分試驗不同井況下動液面自動監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度，本項目選取有套壓、無套壓、無供電且無套壓的三口不同井況油井作為研究對象，并分別對它們安裝非氣泵型設(shè)備、氣泵型設(shè)備和太陽能供電的氣泵型設(shè)備。

4.2　設(shè)備安裝

三臺設(shè)備箱體采用防爆、防漏油、防風砂設(shè)計，有效地保證了設(shè)備的安全性，達到并超過國家標準。動液面自動監(jiān)測儀通過國家防爆機構(gòu)認證，防爆等級為Ex d IIB T4 Gb，防護等級為IP66。

設(shè)備采用活接方式安裝在井口，安裝簡便，且采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，數(shù)據(jù)采集、存儲、發(fā)聲、通訊、計算均在設(shè)備內(nèi)完成，對應(yīng)模塊硬件集中在箱體內(nèi)，有助于實現(xiàn)故障快速排查及風險應(yīng)對處理，保障了生產(chǎn)運行。

4.3　應(yīng)用效果

液面測試數(shù)據(jù)通過光纖方式傳回作業(yè)區(qū)數(shù)字化系統(tǒng)，如圖2所示。通過液面測試曲線可知，三臺動液面自動監(jiān)測系統(tǒng)采集的液面數(shù)據(jù)均無干擾，回波曲線清晰。液面數(shù)據(jù)完全自動生成且計算準確，精度較高。由于選取的測試井為高氣油比油井，油井套壓存在一定波動，在液面測量的過程中相鄰的數(shù)據(jù)受到井口游離氣影響會存在一定的波動，屬正常液面變化。

圖2 油井液面測試曲線

經(jīng)過近3個月的液面連續(xù)監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集、分析、計算運行穩(wěn)定，聲速計算準確，液面深度探測精準，與油田數(shù)字化系統(tǒng)對接通訊正常，充分證明了動液面自動監(jiān)測設(shè)備能夠適應(yīng)不同井況，實現(xiàn)了油井液面數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，具有較好的應(yīng)用和推廣價值。

5　結(jié)論

（1）動液面自動監(jiān)測系統(tǒng)，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)準確采集、穩(wěn)定傳輸、精準解釋，實現(xiàn)了連續(xù)監(jiān)測環(huán)空液面變化情況，為油井制定合理的生產(chǎn)制度提供了依據(jù)，對提高處于開發(fā)中后期的低壓油藏開發(fā)效果，以及實現(xiàn)低滲透油藏的經(jīng)濟有效開發(fā)具有很重要的意義。

（2）動液面自動監(jiān)測系統(tǒng)在測試油田中實現(xiàn)了較好的應(yīng)用效果，能夠準確、可靠地自動采集數(shù)據(jù)、上傳至數(shù)字化平臺、實時監(jiān)測液面值，并且針對不同井況，可靈活配置裝置硬件，滿足了現(xiàn)實生產(chǎn)需求。

（3）動液面自動監(jiān)測系統(tǒng)的自動化與智能化，降低了傳統(tǒng)測量對人工的依賴性，并且有助于實現(xiàn)“三低”油田的深度開發(fā)，具備良好的推廣價值。

作者簡介：

宋子平（1998-），女，河北人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國石油昆侖數(shù)智科技有限責任公司，主要從事油氣物聯(lián)網(wǎng)咨詢顧問工作。

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摘自《自動化博覽》2023年12月刊