艾 信，白文雄，田殿龍，王佳偉

（1.長(zhǎng)慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710018；3.長(zhǎng)慶油田分公司 機(jī)械制造總廠，西安710201）①

在油田開(kāi)發(fā)中，傳統(tǒng)動(dòng)液面測(cè)試方式工作量大，測(cè)試過(guò)程存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)測(cè)試成本較高，測(cè)試效率低下，動(dòng)液面數(shù)據(jù)采集頻次較低，常規(guī)井每月2次，無(wú)法及時(shí)掌握液面變化情況及生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，也無(wú)法為后期智能油田大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，從油井IPR曲線可以看出，隨著停井時(shí)間的延長(zhǎng)，油套環(huán)空中的液面不斷上升，井底流壓也逐漸上升，上升到一定程度，油井采收率反而下降；油井常開(kāi)，井底流壓逐漸變小，減小到一定程度，油井采收率也呈下降趨勢(shì)。對(duì)于低產(chǎn)低效井，油井間開(kāi)可有效提高生產(chǎn)效益，但間開(kāi)制度的優(yōu)化缺乏科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。油井測(cè)壓一般采用存儲(chǔ)式壓力計(jì)尾管測(cè)壓方法，需要起下油管柱組合兩次，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，測(cè)試成本較高，油井動(dòng)液面也可反應(yīng)井底壓力變化，可根據(jù)動(dòng)液面變化獲得油井地層壓力。因此，研究油井動(dòng)液面在線連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)油田生產(chǎn)具有重要意義。

1 油井動(dòng)液面在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 聲波

聲波（Sound Wave 或Acoustic Wave）是聲音的傳播形式。聲波是一種機(jī)械波，由物體（聲源）振動(dòng)產(chǎn)生，聲波傳播的空間就稱為聲場(chǎng)。在氣體和液體介質(zhì)中傳播時(shí)是一種縱波，但在固體介質(zhì)中傳播時(shí)可能混有橫波。聲音一般分為次聲波（0～20 Hz）、音頻聲波（20 Hz～20 k Hz）以及超聲波（20 k Hz以上）。其中音頻聲波與超聲波波長(zhǎng)較短，頻率較高，傳輸距離較短，次聲波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，頻率較低，容易發(fā)生衍射，不易被固體、液體等阻擋吸收，傳輸距離較遠(yuǎn)。因此，本文所設(shè)計(jì)的液面在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是依據(jù)次聲波原理。

1.2 回聲法測(cè)量液面原理［1-5］

1.2.1 音速法液面測(cè)量

當(dāng)回聲信號(hào)采集噪聲較大時(shí)，一般設(shè)定音速，然后通過(guò)采樣間隔時(shí)間與液面波對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)，計(jì)算出液面回波的時(shí)間，進(jìn)而求得動(dòng)液面的高度。

動(dòng)液面h=（n tjv）／2，其中tj為采樣間隔時(shí)間，n為液面波對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)，v 為所設(shè)定的音速，h為動(dòng)液面值。

1.2.2 音標(biāo)法液面測(cè)量

為了更準(zhǔn)確地計(jì)算聲音在套管里的傳播速度，一般將音標(biāo)安裝至井下一定距離，通過(guò)液面回聲信號(hào)序列，可求得音標(biāo)回波傳至井口的時(shí)間，以及液面波傳至井口的時(shí)間，進(jìn)而可求得動(dòng)液面的高度。

動(dòng)液面h=（h1t）／t1，其中h1為音標(biāo)安裝深度，t1為音標(biāo)回波對(duì)應(yīng)時(shí)間，t為液面回波對(duì)應(yīng)時(shí)間，h為動(dòng)液面值。

1.2.3 接箍法液面測(cè)量

將液面回聲序列做帶通濾波處理后，得出接箍波序列，由接箍波可求出聲音在套管里的傳播速度。然后在使用音速法可準(zhǔn)確求得動(dòng)液面數(shù)據(jù)。

1.3 回聲法動(dòng)液面在線監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 動(dòng)液面連續(xù)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)［6-7］

目前，油田所用動(dòng)液面手動(dòng)測(cè)量裝置一般分為2種，一種是火藥聲彈槍，主要由擊發(fā)裝置、彈膛組成，通過(guò)擊發(fā)子彈，利用爆炸產(chǎn)生的高壓氣體，實(shí)現(xiàn)聲波信號(hào)發(fā)射。但子彈爆炸具有一定危險(xiǎn)性，存在安全隱患；另一種是氣槍式裝置，將高壓氣體加入氣槍，瞬間釋放高壓氣體，產(chǎn)生次聲波，此方法自動(dòng)化程度低，難以滿足常年連續(xù)不斷的測(cè)量任務(wù)。

對(duì)此，本文提出如下解決方案，使用套管氣作為聲發(fā)射源，微型氣泵進(jìn)口連入套管，出口連接儲(chǔ)氣瓶，將儲(chǔ)氣瓶加壓至1.0 MPa，打開(kāi)電磁閥，瞬間釋放儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)氣體，形成次聲波源，其組成如圖1所示。

對(duì)于套壓大于0.3 MPa油井，直接打開(kāi)電磁閥，瞬間釋放套管氣，產(chǎn)生聲波，其組成如圖2所示。

1.3.2 回聲信號(hào)放大濾波技術(shù)［8-9］

微音器將井下采集的回聲信號(hào)序列轉(zhuǎn)換為毫伏電壓信號(hào)，因此需要做小信號(hào)放大電路，將毫伏級(jí)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為±5 V 的電壓信號(hào)，便于后續(xù)信號(hào)處理。同時(shí)，井況異常復(fù)雜，回聲信號(hào)容易引入各類噪聲干擾，因此需要制作濾波器，實(shí)現(xiàn)回聲信號(hào)降噪處理。

1.3.3 回聲信號(hào)算法處理

回聲信號(hào)序列一般包含接箍波序列與液面波序列，因此需設(shè)計(jì)12～100 Hz帶通濾波器，提取接箍波序列；設(shè)計(jì)0～12 Hz低通濾波器，提取液面波序列。對(duì)于接箍波序列，使用循環(huán)尋極值算法，求得聲音在套管里的傳播速度；對(duì)于液面波序列，使用尋極大值算法，找到液面波對(duì)應(yīng)時(shí)刻，最終可求得動(dòng)液面值。

圖1 低套壓動(dòng)液面連續(xù)測(cè)量裝置

圖2 高套壓動(dòng)液面連續(xù)測(cè)量裝置

2 基于LABVIEW 的動(dòng)液面在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LABVIEW 具有較多的信號(hào)處理、算法設(shè)計(jì)、報(bào)表以及第三方數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)工具包，可為用戶提供靈活的G 語(yǔ)言編程設(shè)計(jì)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)效率極高，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。本文利用LABVIEW 虛擬儀器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)動(dòng)液面連續(xù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)油井動(dòng)液面在線連續(xù)監(jiān)測(cè)。

該系統(tǒng)通過(guò)微音器讀取回聲信號(hào)序列，制作信號(hào)放大器和100 Hz低通濾波器，然后由數(shù)據(jù)采集卡采集濾波后的回聲信號(hào)，把數(shù)據(jù)傳入電腦虛擬儀器LABVIEW 系統(tǒng)，使用G 語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)低通濾波器與帶通濾波器，采用快速傅里葉變換算法，求得動(dòng)液面數(shù)據(jù)。其信號(hào)處理系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 動(dòng)液面在線監(jiān)測(cè)信號(hào)處理系統(tǒng)

2.1.1 動(dòng)液面在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1） 小信號(hào)放大電路。

發(fā)聲裝置發(fā)出聲波后，需要通過(guò)微音器接收回波信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)比較微弱（8 m V 以內(nèi)），故將信號(hào)通過(guò)放大電路進(jìn)行放大，以便于后續(xù)處理。選用一款低噪音、低失真的儀器儀表運(yùn)算放大器。該運(yùn)算放大器在較大范圍的增益內(nèi)能實(shí)現(xiàn)寬的帶寬和良好的動(dòng)態(tài)反應(yīng)。小信號(hào)濾波放大電路如圖4所示。

該放大電路放大倍數(shù)取決于可調(diào)電阻R203的阻值，放大倍數(shù)N=1+10 000／R203，選取R203=40Ω，小信號(hào)放大251倍，使其處于±2 V 范圍內(nèi)。

2） 回聲硬件濾波電路。

由于油井井況異常復(fù)雜，油套環(huán)空存在蠟狀油污，井下回聲波信號(hào)較為復(fù)雜，存在一定程度高頻雜波信號(hào)，為了較清晰地辨識(shí)回聲波，因此需要設(shè)計(jì)低通濾波器電路。選用8階橢圓濾波器芯片，這是一款低通濾波器，可依據(jù)數(shù)據(jù)采集卡輸出時(shí)鐘設(shè)置截止頻率，如圖5所示。

圖4 小信號(hào)濾波放大電路

圖5 回聲硬件濾波電路

考慮到有用回聲信號(hào)頻率集中在0～100 Hz，因此采用數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出5 k Hz時(shí)鐘信號(hào)，得到該濾波電路的截止頻率fc=5 000／50=100 Hz。

3） 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡，如圖6所示，主要具備采樣頻率、AD 轉(zhuǎn)換精度、輸入量程和數(shù)據(jù)分析等特性。依據(jù)奈奎斯特采樣定理［1］可知，采樣頻率大于等于2倍最大信號(hào)頻率。在實(shí)際信號(hào)處理系統(tǒng)中，采樣頻率一般選擇信號(hào)最大頻率的5倍，故該系統(tǒng)設(shè)定采樣頻率500 Hz。

2.1.2 動(dòng)液面在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1） 初始化子程序

上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送采集命令時(shí)，可以對(duì)數(shù)據(jù)采集卡采樣時(shí)鐘、采樣頻率、觸發(fā)方式、通道、量程變換等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2） 數(shù)據(jù)采集子程序

上位機(jī)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡采樣后，數(shù)據(jù)采集卡依據(jù)內(nèi)部硬件時(shí)鐘進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并不斷讀入LABVIEW 系統(tǒng)中。

圖6 數(shù)據(jù)采集卡

3） 濾波子程序

首先，使用MATLAB小波變換工具箱，將接收到的聲波信號(hào)采用小波變換實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波；其次對(duì)該信號(hào)序列實(shí)現(xiàn)基波查找，采用LABVIEW 設(shè)計(jì)帶通濾波器BPF（12～100 Hz），得到接箍波序列；最后設(shè)計(jì)低通濾波器LPF（0～12 Hz），得到液面回波序列。

4） 動(dòng)液面算法子程序

利用LABVIEW 調(diào)用MATLAB 腳本節(jié)點(diǎn)，對(duì)于液面回波信號(hào)序列，使用快速傅里葉變換等技術(shù)處理后，然后自動(dòng)選擇接箍算法、音標(biāo)算法、聲速算法，最終求得實(shí)際油井動(dòng)液面值。

5） 控制電磁閥和氣泵子程序

對(duì)于套管氣較大的油井，LABVIEW 驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡，打開(kāi)電磁閥，釋放套管氣；對(duì)于無(wú)套管氣油井，LABVIEW 驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡，首先控制微型氣泵工作，不斷往儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)充氣，接著打開(kāi)電磁閥，釋放儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)氣體，形成次聲波源?？刂坡暡òl(fā)生裝置組成如圖7所示。

圖7 控制聲波發(fā)生裝置組成

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì)［10-15］

基于以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成了油井動(dòng)液面連續(xù)監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，并生產(chǎn)樣機(jī)10套。分別安裝于長(zhǎng)慶油田分公司采油廠，進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。將測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)與井下存儲(chǔ)式壓力計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析，其測(cè)試結(jié)果比較準(zhǔn)確，動(dòng)液面值誤差在±5 m，能夠較好地應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中。

3.1 油井動(dòng)液面連續(xù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

對(duì)化114-29油井安裝油井動(dòng)液面連續(xù)監(jiān)測(cè)裝置3 h，每隔30 min測(cè)試1次動(dòng)液面數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)如表1。

表1 化114-29井試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)羅41-20油井安裝油井動(dòng)液面連續(xù)監(jiān)測(cè)裝置3 h，每隔30 min測(cè)試1次動(dòng)液面數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 羅41-20井試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 低產(chǎn)低效井智能間開(kāi)試驗(yàn)

選擇在采油廠已安裝有液面裝置的16口油井，開(kāi)展智能間開(kāi)控制測(cè)試，每口井自動(dòng)采集6 次／d。實(shí)施后平均單井日產(chǎn)液量由2.3 m3／d增加到2.56 m3／d，平均開(kāi)井時(shí)間由24 h／井下降到10.5 h／井，單井日平均耗電量由60.1 k W·h 減少到40.7 k W·h。測(cè)試數(shù)據(jù)如表3。

4 結(jié)論

1） 該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡取代了傳統(tǒng)的模擬濾波器和微控制器，克服了傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的缺點(diǎn)，開(kāi)采效率明顯提高。為油井的動(dòng)液面深度測(cè)試提供了可靠、準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高的測(cè)試手段。

2） 系統(tǒng)利用LABVIEW 平臺(tái)強(qiáng)大的信號(hào)處理能力，設(shè)計(jì)調(diào)用兩個(gè)濾波器，分別得到接箍波和液面波。進(jìn)一步分析采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，研究信號(hào)處理的方法，得到聲波在油管中的傳播速度。再對(duì)液面波進(jìn)行差值比較分析，確定液面回波的位置，最終計(jì)算出動(dòng)液面值。

3） 采用套管氣作為聲發(fā)射信號(hào)源，不用高壓氣瓶／空氣／火藥，安全且便于自動(dòng)化控制。

4） 設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面，控制系統(tǒng)編程方便，參數(shù)設(shè)置靈活，并且能進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

5） 利用所測(cè)得的動(dòng)液面值，可實(shí)現(xiàn)油井間開(kāi)。也可以通過(guò)與抽油機(jī)變頻器的連接控制，將抽油機(jī)工作沖次調(diào)整至油井動(dòng)液面所需的沖次，最大限度地發(fā)揮抽油機(jī)的工作效率，進(jìn)而提高油井系統(tǒng)效率。

6） 利用油井動(dòng)液面連續(xù)監(jiān)測(cè)裝置，代替?zhèn)鹘y(tǒng) 存儲(chǔ)式壓力計(jì)測(cè)壓方法，測(cè)試效率大幅提高。

表3 低產(chǎn)低效井智能間開(kāi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)