何保生，謝雁 （中海油研究總院，北京100027）

在油氣井的開采過程中，出砂是一種常見的現(xiàn)象，油氣井出砂的原因可歸結(jié)為地質(zhì)和開采2種因素。油井出砂會給油田的正常生產(chǎn)帶來很大的危害，如：油管砂堵，設(shè)備損壞，縮短油井壽命，降低油井產(chǎn)能等，這將給油田帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和維修費用。油井出砂的監(jiān)測可以使油田實時的了解油井的出砂情況，并根據(jù)實時獲取的出砂信息制定合理的防砂策略，達(dá)到更好的控制油井出砂的目的。特別是稠油開采難度較大，故可開發(fā)空間也很大，因此，研制一套能夠持續(xù)實時監(jiān)測稠油油井出砂系統(tǒng)，對于提高油井產(chǎn)量有著非常重要的意義。

目前國外研究了多種管道含砂量的檢測方法，包括：聲波檢測法、ER檢測法、X射線檢測法、光纖聲波檢測法和聲納檢測法，其中較成功且多數(shù)油田使用的出砂監(jiān)測技術(shù)主要以聲波檢測法為主［1］。聲測法對應(yīng)的檢測傳感器分為內(nèi)置式和外置式2種，外置式出砂聲檢測傳感器易于安裝，且不用考慮流動液體對其的腐蝕作用，因此被廣泛使用。

1 試驗系統(tǒng)研制

為了模擬實時出砂率情況，研制了圖1所示的出砂實時監(jiān)測模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點是：為了適應(yīng)高黏度油的出砂監(jiān)測試驗，設(shè)置了稠油稀釋裝置；為了模擬各種不同的流速，設(shè)置了變頻調(diào)速系統(tǒng)；為了盡可能模擬油氣井管道中的砂粒分布情況，設(shè)置了攪拌系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)：①模擬油氣輸送和自循環(huán)過程；②測量管道內(nèi)輸送介質(zhì)的流速或流量；③測試出砂信號傳感器的性能、靈敏度；④驗證管道內(nèi)含砂量的計算模型的正確性；⑤對出砂監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行刻度和標(biāo)定。

圖1 稠油出砂實時監(jiān)測模擬系統(tǒng)

為了檢測出砂信號，研制了專用的出砂檢測傳感器，其基本功能是能感受稠油中砂粒撞擊管壁引起的振動信號，并將其轉(zhuǎn)換成易于測量和傳輸?shù)碾姾苫螂妷盒盘枴＿@種振動信號的頻率較高［2］，同時，由于砂粒很小，撞擊信號很微弱，且頻率高達(dá)80～700kHz，國外技術(shù)較成熟的ClampOn傳感器測得的頻率是在100～500kHz［3］。該系統(tǒng)中研制的傳器是壓電傳感器，敏感元件使用的是壓電陶瓷材料PSnN－51，該材料靈敏度高，能夠響應(yīng)0．1mm的砂粒信號，且具有較高的介電常數(shù)和機械品質(zhì)因數(shù)，因此能量消耗小 （圖2）。

為了便于進(jìn)行實時觀測，開發(fā)了軟件系統(tǒng)。從傳感器測得的信號，經(jīng)過硬件濾波、放大等處理后，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，考慮到易于現(xiàn)場工人操作，因此采用的是LabVIEW，整個軟件系統(tǒng)的測試界面如圖3所示，該軟件主要由信號的測試、計算、顯示，以及數(shù)據(jù)的存儲、回放顯示組成。

圖2 封裝的傳感器結(jié)構(gòu)

圖3 測試界面

試驗時采用石項砂代替地層砂。國外對稠油井出砂的砂粒直徑進(jìn)行了較為詳盡的統(tǒng)計和分析，認(rèn)為砂粒直徑的分布范圍為0．001～0．5mm之間，其中直徑為0．1mm左右的砂粒所占的比例最高，0．1mm以上的砂粒約占總出砂率的50%。我國油田砂粒直徑的分布也多在0．1mm［4］，對于一些防砂較好的井，砂粒直徑較小。因此試驗準(zhǔn)備了0．1～2．4mm的砂粒。經(jīng)過不同比例的稀釋劑、水和稠油，50%水＋50%油＋0．5%降粘劑的降粘效果最好，黏度下降近100倍，在35℃時，原油原始黏度為14000mPa·s，稀釋后為150mPa·s。

2 理論模型

傳感器的輸出信號S1與碰撞管壁的砂粒質(zhì)量和速度有關(guān)。設(shè)mi是第i個固體顆粒的質(zhì)量，kg；vi是第i個砂粒的速度，m／s；在觀測時間Δt（s）內(nèi)共有n個砂粒碰撞管壁。則有：

式中：c是與傳感器的靈敏度有關(guān)的系數(shù)，1。假定n個砂粒的平均速度為v，m／s；質(zhì)量和為m，kg；砂粒在管道路中均勻分布；碰撞管壁的砂粒質(zhì)量m與管道中總的砂粒質(zhì)量M 的關(guān)系為m＝K1M，則式（1）成為：

式中：K1為碰撞管壁的砂粒質(zhì)量占總砂粒質(zhì)量的比例。

由式（1）及式（2）可知，傳輸器的輸出信號S1是單位時間內(nèi)的能量，即功率，W。由于所研制的傳感器以電壓U（V）表示出砂信號的，根據(jù)帕色伐爾定理，其功率可表示為：

式（3）與式（1）、（2）都是傳感器的出信號，且都是功率，因而二者之間的關(guān)系為：

式中：K2是由前置放大電路的增益確定的常數(shù)，1。由式（2）并考慮式（3）、（4）可得：

式中：K是由實驗室確定的常數(shù)，1；Q是管道內(nèi)流體的瞬時流量，m3／s；A為流體的橫截面積，m2。臨界值取決于數(shù)據(jù)采集與處理電路。該系統(tǒng)中采用了16位的A／D轉(zhuǎn)換芯片，最低有效位為305μV，當(dāng)放大后的傳感器輸出電壓小于該值時，就無法進(jìn)行測量了。由式（1）、（2）可知，該臨界電壓是由砂粒運動速度和質(zhì)量確定的。

3 試驗

整個試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。試驗主要對水介質(zhì)和油介質(zhì)進(jìn)行了測試，通過調(diào)節(jié)單螺桿泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流速［5］，根據(jù)不同大小的砂粒在不同流速下的出砂信號及出砂量的對應(yīng)關(guān)系，由式 （5）所示的理論模型測量出砂情況。

試驗內(nèi)容分為室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，其中室內(nèi)試驗水介質(zhì)中的出砂試驗、工業(yè)潤滑油介質(zhì)的出砂、稀釋后稠油介質(zhì)的出砂試驗，現(xiàn)場試驗是在井口管道上進(jìn)行的測試試驗。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖統(tǒng)

3．1 室內(nèi)試驗

1）基于水介質(zhì)的出砂試驗 將水和稱好重的砂粒 （3kg粒徑為0．1mm的砂粒）放入水中，采用攪拌器攪勻，然后通過泵將混合均勻的介質(zhì)送入測量管道中，在管道的彎管處安裝傳器，測量出砂情況，測量結(jié)果如表1所示。

2）基于工業(yè)潤滑油介質(zhì)的出砂測試 試驗中注入罐體的工業(yè)潤滑油的體積為0．595m3，砂?？傎|(zhì)量為3kg，攪拌均勻后進(jìn)行測量，利用注入罐體和回收罐體對被測流體重復(fù)測試，并在表2第1列所示的時間內(nèi)完成一次測量，測量結(jié)果見表2。

由表2可知，隨著測量次數(shù)的增加及攪拌的作用，潤滑油發(fā)生了乳化，減弱了傳感器的輸出信號，誤差增大；從表2中也可看出，乳化也與流速有關(guān)。

3）稀釋后稠油介質(zhì)中的出砂試驗

對黏度為2000mPa·s的稠油經(jīng)稀釋后進(jìn)行出砂測量，典型的測量結(jié)果如表3所示。由表3可知，流速越小，誤差越大；砂粒直徑越大，誤差越小。

表1 水介質(zhì)下出砂測試結(jié)果

表2 基于工業(yè)潤滑油的出砂測試

表3 稀釋后的稠油介質(zhì)下出砂測試

表4 現(xiàn)場取樣測試數(shù)據(jù)表

3．2 現(xiàn)場試驗

在勝利油田進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，試驗井的原油黏度為220mPa·s，在不加稀釋劑的情況下進(jìn)行了測試，結(jié)果如表4所示，取樣測試軟件界面如圖5所示。圖中左上、右上、左下、右下方的曲線分別是包括管道振動等噪聲的傳感器輸出信號、濾除噪聲后的出砂信號、出砂功率譜信號和瞬時出砂信號。

圖5 集輸站取樣測試結(jié)果

4 試驗結(jié)果及結(jié)語

根據(jù)室內(nèi)和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，可以確定該系統(tǒng)測量具有一定的準(zhǔn)確性，并且可以得出在20℃左右，即220mPa·s的稠油介質(zhì)下不同砂粒在不同速度下的臨界參數(shù)。在砂粒粒徑為100μm下：流速為6．493m／s時，監(jiān)測系統(tǒng)測量不到信號；當(dāng)流速大于6．5m／s時，可以測到少量的信號；在流速大于6．5m／s時，能對0．2mm砂粒定量功能。

出砂監(jiān)測系統(tǒng)在某些條件下誤差較大，但對區(qū)分災(zāi)難性的突發(fā)出砂和正常生產(chǎn)狀態(tài)下的持續(xù)穩(wěn)定出砂仍有較好的實用性，有關(guān)的監(jiān)測結(jié)果可作為災(zāi)害預(yù)測的依據(jù)。

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

［2］耿瑞芳，李相方，潘新偉 ．油氣井出砂信號的動態(tài)監(jiān)測與處理 ［J］．計算機測量與控制，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，李紅南，等 ．疏松砂巖油層防砂機理物理模擬 ［J］．油氣地質(zhì)與采收率，2008，15（6）：102～104．

［5］高國旺，李利品，宋汐謹(jǐn) ．稠油油井出砂實時監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究 ［J］．西安石油大學(xué)學(xué)報，2010，25（3）：56～78．