童 征，沈澤俊，鄭立臣，師俊峰，高向前

（中國石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083）①

在氣田開發(fā)的中后期，許多氣井進入低壓及單井低產的階段，氣井流速過低，不能達到氣井的臨界攜液流量，攜液能力差，井底積液增多，井筒壓力升高，最終導致井被壓死，無法生產。因此，必須采取有效的清除積液措施以保證氣井的正常生產。

柱塞氣舉是一種利用儲層本身能量來攜液的間歇式舉升方法。該技術的工作原理是：先關井提高井底壓力，壓力上升到能滿足舉升要求時再開井，井底的柱塞依靠氣井的壓力在油管內上升，直至井口防噴管；同時，井口的到達傳感器向電子控制器發(fā)送信號，控制器打開地面開關閥，液體從管線排出，產出天然氣；隨著天然氣不斷采出，井筒壓力下降，地面開關閥重新關井，柱塞下落至井底，開始新的壓力恢復過程。氣井開井和關井形成1個工作周期，重復這一周期性動作就可以把井底積液和天然氣不斷采出［1－2］。柱塞使氣體與液體之間形成一個力學界面，能有效防止液體的回落。與其他工藝相比，柱塞氣舉無需外界能量，系統(tǒng)整體結構簡單，成本較低，很適合在高氣液比井應用。

掌握大量準確、及時的井筒數(shù)據(jù)是對柱塞氣舉井進行有效生產管理的基礎?，F(xiàn)有的柱塞氣舉生產管理的依據(jù)是理論模型，通過模型來預測柱塞到達井底的時間、開始進入動液面的時間等參數(shù)，并輸入控制程序中，由于模型本身的缺陷會導致預測值與實際值有很大誤差。另外，測井方法還是傳統(tǒng)的電纜下入工藝，即必須先讓氣井停產，使用電纜從井口將測量儀器下入井筒中［3］。由于柱塞氣舉本身就是間歇式生產，氣井在柱塞下落階段不產氣，如果需要提高產量必須采取加快柱塞下降速度、減少關井次數(shù)與時間等措施。因此，測井時要停產與盡量避免關井構成了矛盾。

國外公司在多年以前就提出過“智能柱塞舉升”（smart plunger lift）的概念，并已成功進行了多口井的現(xiàn)場試驗［4］。該技術將傳感器與柱塞集成為整體，但是下載數(shù)據(jù)時需要關井取出柱塞，影響了正常生產。針對現(xiàn)有技術的問題，中國石油勘探開發(fā)研究院采油采氣裝備研究所提出一種具有在線監(jiān)測與通信功能的方案，為柱塞氣舉井提供了有效的井筒生產動態(tài)監(jiān)測手段。

1 技術分析

1.1 技術要求

1）無需電纜測井作業(yè) 可準確獲取井下壓力、溫度等參數(shù)，工作期間系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，井噴等事故發(fā)生的概率低，安全性好。

2）測井、通信和生產互不影響 作業(yè)效率高，傳輸數(shù)據(jù)量大，對柱塞井下運行狀態(tài)可實施有效監(jiān)測，滿足動態(tài)分析的要求。

3）適應性好 可根據(jù)需求配有不同的測量和采樣儀器。

4）非接觸式通信方式 系統(tǒng)結構緊湊，數(shù)據(jù)存儲量大，讀寫速度快，系統(tǒng)功耗低，可靠性高，可在有油污、灰塵、沉砂的惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作，能承受一定程度的沖擊。

5）系統(tǒng)維護簡便 儀器、電源等組件更換方便。

1.2 系統(tǒng)應用條件

適應油管尺寸73.025～101.600mm（2■8～4英寸）

最大工作井深 2 500m

最大井斜角 30°

氣液比 ＞250m3／m3

產液量 ＜300m3／d

工作溫度 －25～90℃

2 系統(tǒng)方案設計

2.1 機械結構

該系統(tǒng)由井下柱塞和地面配套設備構成。其中，井下柱塞由打撈頭、儀器工作筒、柱塞本體和旁通閥組成（如圖1所示）。柱塞本體外表面的環(huán)形凹槽用來清除井筒內的砂、蠟、垢等物質，上下分別有螺旋形的流道結構，其作用是在柱塞上升并舉升液體時，借助螺旋形結構產生局部的湍流，可以提高攜液能力，避免液體滑脫。柱塞本體內部有過流通道，旁通閥位于柱塞本體的最下方，在柱塞下行時可加快下落速度。儀器工作筒為井下儀器的載體，由工作筒本體、柱塞監(jiān)測子系統(tǒng)、聲波信號發(fā)射器、工作筒天線、彈簧、壓帽和密封圈組成。工作筒本體外表面有進液孔，為壓力傳感器提供測量樣本。工作筒本體外表面有環(huán)形工作筒通信天線，可以與地面防噴管內的筒形天線進行數(shù)據(jù)交換。彈簧和壓帽的組合對儀器進行限位和緩沖減震，避免柱塞撞擊損壞內部儀器。

圖1 柱塞工具和儀器工作筒結構

工作時，安裝儀器工作筒的柱塞工具被投入井中；柱塞下行時，旁通閥處于打開狀態(tài)，柱塞至井底后，旁通閥被關閉；同時，儀器工作筒內的傳感器啟動并進行數(shù)據(jù)采集和記錄；測量作業(yè)完成后，打開氣井，柱塞攜帶記錄數(shù)據(jù)的儀器工作筒上行返回地面。

地面配套設備主要在防噴管內，在防噴管帽的下方有過渡接頭。井口通信天線為圓環(huán)形，焊接在過渡接頭的內壁中，天線與RFID讀寫器模塊相連。防噴管內還配有用于監(jiān)測柱塞運行狀態(tài)和井筒動液面的聲波發(fā)射器和接收器。

2.2 控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)由地面和井下柱塞2個監(jiān)測子系統(tǒng)組成，采用RFID作為柱塞與地面之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸方式，而采用聲波測量技術對柱塞在油管內的運行狀態(tài)進行跟蹤。RFID是一種使用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別和通信的技術，其工作原理是利用射頻信號通過空間耦合（電磁感應或電磁傳播）對目標對象進行識別跟蹤或與目標對象進行信息交換。它具有存儲容量大、抗干擾能力強、數(shù)據(jù)可加密等優(yōu)點［5－6］。

2.2.1 柱塞監(jiān)測子系統(tǒng)

柱塞監(jiān)測子系統(tǒng)包括各類傳感器、柱塞控制器（MCU）、RFID電子標簽芯片、RFID工作筒天線、聲波信號發(fā)射器、電源、系統(tǒng)時鐘和編碼模塊等（如圖2所示）。在井口，電子標簽芯片將井筒生產數(shù)據(jù)傳給地面監(jiān)測子系統(tǒng)，并接收地面監(jiān)測子系統(tǒng)的指令，將其傳至柱塞控制器。柱塞控制器選用Atmel公司的ATmega8L，該控制器基于RISC架構，工作電壓范圍2.7～5.5V，時鐘頻率范圍0～8MHz，在4MHz運行時電流僅3.6mA，而且具有靈活的高級語言開發(fā)環(huán)境，便于程序開發(fā)和維護。RFID電子標簽選用Microchip公司的IDS系列產品，采用有源類型芯片，在數(shù)據(jù)傳輸模式下工作電流最高為200μA，具有很低的功耗，適合在電池供電的井下儀器中使用。電子標簽芯片與柱塞控制器、外設（壓力、溫度傳感器等設備）的電氣連接如圖3所示。在需要時，也可將柱塞工具從井內取出，使用地面上位機通過數(shù)據(jù)線下載信息或向其輸入控制指令。

圖2 柱塞監(jiān)測子系統(tǒng)原理

需要發(fā)射聲波脈沖時，柱塞控制器通過D／A模塊將所需的波形數(shù)據(jù)轉成模擬信號，經過功率放大和匹配后由聲波發(fā)射器向地面發(fā)射聲波脈沖。聲波發(fā)射器采用PZT壓電陶瓷作為電－聲換能器的核心部件［7］。其他參數(shù)如下：柱塞用鋰離子電源額定電壓3.6V，壓力傳感器最高測量值20.7MPa（3 000 psi），存儲器容量512K，最小采樣間隔5s，最大采樣間隔25min。RFID電子標簽采用主動式工作方式，最大傳輸距離5m，信道帶寬200kHz，最大發(fā)射功率4W。傳輸聲波頻率最高為1kHz。

圖3 柱塞控制器與電子標簽連接框圖

2.2.2 地面監(jiān)測子系統(tǒng)

地面監(jiān)測子系統(tǒng)主要由地面控制器（MCU）、I／O接口、數(shù)字信號處理模塊（DSP）、RFID讀寫模塊、存儲模塊、系統(tǒng)時鐘、地面系統(tǒng)電源、RFID環(huán)形天線、地面上位機、地面?zhèn)鞲衅?、地面聲波信號發(fā)射器和接收器等組成，如圖4所示。地面監(jiān)測子系統(tǒng)的主要控制設備為地面開關閥和放氣閥。地面聲波發(fā)生器使用氣槍，采用壓力12MPa的氮氣瓶，也可使用其他壓力源，例如套管氣。

圖4 地面監(jiān)測子系統(tǒng)原理

地面監(jiān)測子系統(tǒng)中的數(shù)字信號處理模塊（如圖5所示）對接收到的聲波脈沖信號進行前置放大、檢波濾波、模數(shù)轉換、采樣頻率變換等處理，再傳至地面控制器，求出柱塞及井筒的各項運行參數(shù)，包括柱塞在油管內的深度、上下行速度、上下行加速度、落至井底的時間、進入動液面的時間、動液面的位置、液柱的高度等。DSP芯片采用TI公司的TMS320LF系列，供電電壓3.3V，速度40MIPS，10bit A／D轉換器（轉換時間500ns）。系統(tǒng)與上位機通信采用USB協(xié)議。相對于RS232，USB技術具有傳輸速度高、內置電源、即插即用等優(yōu)點。為了實現(xiàn)USB和并行I／O之間的協(xié)議轉換，采用FTDI公司的FT系列芯片。EEPROM用來存儲柱塞運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，防止系統(tǒng)掉電時丟失。

圖5 數(shù)字信號處理模塊原理

2.3 系統(tǒng)工作原理

當柱塞被防噴管捕捉后，內部的RFID電子標簽芯片開始工作。地面子系統(tǒng)中的讀寫器模塊通過井口環(huán)形天線產生電磁場。RFID電子標簽芯片檢測到讀寫器的讀寫請求后，通過工作筒天線主動發(fā)送某一頻率的信號，讀寫器接收到該信號后，將其解碼并發(fā)送至相關模塊進行處理，這樣柱塞前一工作周期內測量并記錄的生產動態(tài)數(shù)據(jù)被發(fā)送至地面監(jiān)測子系統(tǒng)，同時讀寫器將控制指令傳給柱塞。傳輸完畢后，柱塞子系統(tǒng)自動轉為休眠狀態(tài)，以降低能耗。

系統(tǒng)采用“油管接箍脈沖監(jiān)測法”對柱塞運行參數(shù)和動液面實施監(jiān)測，主要靠地面監(jiān)測子系統(tǒng)的聲波接收器被動地“聽”井下信號的變化（如圖6所示）。柱塞在井口防噴管內，首先地面監(jiān)測子系統(tǒng)通過RFID讀寫模塊對柱塞監(jiān)測子系統(tǒng)進行初始化操作，RFID電子標簽芯片將指令傳至柱塞控制器，柱塞控制器啟動相應模塊。地面監(jiān)測子系統(tǒng)開始對柱塞的初始運行狀態(tài)（包括當前位置、速度等）進行校準并記錄。初始化操作完成后，地面開關閥打開，柱塞工具開始下行。當柱塞經過油管的接箍位置時，聲波信號發(fā)生瞬時的波動，該波動通過油管管體向上傳輸被地面監(jiān)測子系統(tǒng)捕獲，經系統(tǒng)處理后在地面上位機可顯示出1組跳變的波形。油管接箍之間的距離是已知的，通過記錄跳變的數(shù)量就可以計算出柱塞的深度。柱塞在進入液柱前后的脈沖信號會有顯著不同，通過識別信號的差異可判斷液面的位置。柱塞在上行階段的工作原理與下行階段相同。

通過該系統(tǒng)可有效掌握柱塞的運行狀態(tài)，并向系統(tǒng)發(fā)出相應的控制指令，例如調整開井或關井時間、調節(jié)柱塞在井筒內的運行速度等，以優(yōu)化系統(tǒng)的生產參數(shù)，提高運行效率。如果柱塞上行速度過快，可通過短暫關閉地面開關閥使得柱塞上行速度下降。如果柱塞上行速度過慢，通過短暫打開放氣閥使得柱塞上部的壓力下降，從而增大柱塞兩端的壓差，柱塞的上行速度可加快。

除了油管接箍脈沖監(jiān)測法以外，系統(tǒng)也可使用連續(xù)監(jiān)測法：其中一種方式是，開啟柱塞監(jiān)測子系統(tǒng)內的聲波發(fā)射器向地面主動發(fā)射聲波脈沖，地面根據(jù)波速和傳播時間來確定柱塞運行狀態(tài)；另一種方式類似抽油機井測動液面的方法，開啟地面聲波發(fā)射器進行連續(xù)監(jiān)測［8］。如果井筒內有泡沫段，該方法會帶來很大誤差，因此需要與油管接箍脈沖監(jiān)測法結合應用。

圖6 油管接箍脈沖監(jiān)測法流程

3 結論

1）針對傳統(tǒng)技術的問題，開發(fā)出用于柱塞氣舉井的在線監(jiān)測系統(tǒng)，集成有傳感器的柱塞在油管內運行時自動完成測量作業(yè)，停留在井口時與地面進行數(shù)據(jù)交換。

2）系統(tǒng)提供了更直接的參數(shù)采集與測量手段，集成了聲波監(jiān)測系統(tǒng)，可對柱塞的運行狀態(tài)和動液面變化進行有效的跟蹤，為氣井生產動態(tài)的優(yōu)化和自動化生產管理提供了重要的手段。

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