彭永剛（大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院）

在采油工藝中，動(dòng)液面是指采油井正常生產(chǎn)過程中測(cè)得的油套管環(huán)形空間液面深度，是一個(gè)十分重要參數(shù)，是衡量采油井供采平衡的一把尺子，同時(shí)也是分析采油井供液能力的重要依據(jù)[1-4]。當(dāng)油井產(chǎn)液能力大于舉升設(shè)備排出能力時(shí)，液面會(huì)逐漸上升，井底流壓升高，生產(chǎn)壓差變小，油井產(chǎn)量降低；當(dāng)油井產(chǎn)液能力小于舉升設(shè)備的排出能力時(shí)，液面會(huì)逐漸下降，以至于空抽，使得設(shè)備的磨損增大，造成能源浪費(fèi)[5-6]。因此，采油井在合理動(dòng)液面下生產(chǎn)，是使舉升設(shè)備在高系統(tǒng)效率、低能耗下運(yùn)行的關(guān)鍵因素，是保證采油井穩(wěn)產(chǎn)、延長(zhǎng)免修期、達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益的前提[7-9]。

目前，我國(guó)油田在采油井測(cè)試中，常用聲波回波測(cè)量法獲取動(dòng)液面深度，這種方法缺點(diǎn)在于經(jīng)常會(huì)受井口情況制約產(chǎn)生誤差，需要人工定期到井口現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)并分析動(dòng)液面深度，操作工作量大，數(shù)據(jù)不連續(xù)，調(diào)整舉升設(shè)備參數(shù)不及時(shí)、不能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)等，導(dǎo)致舉升設(shè)備不能在合理動(dòng)液面深度下生產(chǎn)[10-12]。針對(duì)常用的聲波測(cè)試采油井動(dòng)液面獲取方法存在的問題，研制了毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)，并在潛油直驅(qū)螺桿泵井上進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了良好的效果。

1 毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)

1.1 技術(shù)組成

毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)主要由井下傳壓筒、毛細(xì)管、壓力變送器、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、井口連接設(shè)備等組成，其應(yīng)用在潛油直驅(qū)螺桿泵井中的管柱結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)應(yīng)用在潛油螺桿泵井中的管柱結(jié)構(gòu)

1）井下傳壓筒是該項(xiàng)技術(shù)的核心部件，是在一段油管外面制做一個(gè)長(zhǎng)的圓筒，材質(zhì)為316 L 不銹鋼，可以容納一定體積的氮?dú)狻ｉL(zhǎng)的圓筒上面設(shè)計(jì)了毛細(xì)管的引壓孔，下面設(shè)計(jì)了多余的氣體泄壓孔。當(dāng)采油井動(dòng)液面上升時(shí)，氣體會(huì)在增大的井下壓力下被壓縮，傳壓筒內(nèi)部分氣體進(jìn)入毛細(xì)管；當(dāng)采油井動(dòng)液面下降時(shí)，氣體會(huì)在減小的井下壓力下由毛細(xì)管進(jìn)入傳壓筒，進(jìn)入傳壓筒氣體的體積大于傳壓筒的容積時(shí)，會(huì)通過泄壓孔將多余的氣體排出。

2）毛細(xì)管的內(nèi)部裝有氮?dú)?，其作用是來連接井下傳壓筒及地面壓力傳感器，并將傳壓筒內(nèi)的壓力傳遞到地面。

3）壓力變送器的作用是將毛細(xì)管傳遞上來的壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)進(jìn)行控制。

4）數(shù)據(jù)采集器的作用是利用井下壓力傳感器所采集的壓力，并結(jié)合下井深度，從而計(jì)算出井下動(dòng)液面深度，可以進(jìn)行數(shù)值顯示，繪制動(dòng)液面變化曲線，變頻器的PID 調(diào)節(jié)，以及自動(dòng)起動(dòng)、停機(jī)控制，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳控制功能。

5）井口連接部分是將來自井下的毛細(xì)管、增壓泵、傳感器連接起來，并在和增壓泵、傳感器的連接處都配有閥門，閥門的作用既能控制井下充氮?dú)猓帜茉诔涞獨(dú)鈺r(shí)保護(hù)傳感器。

1.2 工作原理

毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)原理見圖2，根據(jù)傳壓筒油氣界面氮?dú)鈮毫εc傳壓筒油氣界面原油壓力相等，則有下列公式成立：

圖2 毛細(xì)管測(cè)壓原理

式中：Pn為傳壓筒油氣界面氮?dú)鈮毫?，MPa；Po為傳壓筒油氣界面原油壓力，MPa；PAB為A、B 兩點(diǎn)壓差，MPa；Pc為套管壓力，MPa；Pm為壓力傳感器監(jiān)測(cè)到的壓力，MPa；P′n為毛細(xì)管中氮?dú)獾闹亓υ趥鲏和仓挟a(chǎn)生的壓力，MPa。

毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)是采用充滿氮?dú)獾拿?xì)管，將地下的液體壓力，通過氣體傳導(dǎo)至地面，在地面通過壓力傳感器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量來獲取井下動(dòng)液面深度。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)可方便測(cè)試井下動(dòng)液面深度，下井后不需要人工操作，完全自動(dòng)全閉環(huán)控制；使用不受井型、井溫、井況的限制；電子元件均位于地面，方便維護(hù)；毛細(xì)管清洗后可重復(fù)使用，相比其它測(cè)試工藝，成本較低；應(yīng)用在無桿舉升采油井時(shí)，毛細(xì)管與潛油電纜外用鎧皮包裹在一起，避免了施工過程中的刮碰。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)安裝

首先在地面將毛細(xì)管與傳壓筒連接，進(jìn)行充氮?dú)猓梅试硭畽z查連接部位是否存在漏點(diǎn)，同時(shí)檢查傳壓筒是否存在堵塞。毛細(xì)管下井過程中需放置外力拉升，避免損壞毛細(xì)管。

隨時(shí)觀察井口壓力值，若壓力值是0，需充氮?dú)?～3 min，如不是0，說明傳壓筒進(jìn)入液面以下，并按照每下入8～10 根油管補(bǔ)充一次氮?dú)饧纯?。下毛?xì)管到井口時(shí)將毛細(xì)管和測(cè)壓控制箱連接。

2 實(shí)驗(yàn)效果

為了研究毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)在測(cè)量井下動(dòng)液面時(shí)的準(zhǔn)確度，對(duì)其進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)井井深1 200 m，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水，舉升設(shè)備選取潛油直驅(qū)螺桿泵，下泵深度900 m。實(shí)驗(yàn)過程中，調(diào)整螺桿泵轉(zhuǎn)速待機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行后，利用聲波測(cè)試儀分別測(cè)取螺桿泵在50 r/min、100 r/min、150 r/min、200 r/min、250 r/min、300 r/min、350 r/min 轉(zhuǎn)速下動(dòng)液面深度，同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)控制面板顯示的壓力值并進(jìn)行換算，不同轉(zhuǎn)速下兩種測(cè)試方法符合率變化曲線見圖3?？梢妰煞N方法獲得的動(dòng)液面數(shù)值誤差符合率在4%以內(nèi)，當(dāng)井下螺桿泵轉(zhuǎn)速在100 r/min 時(shí)，兩種測(cè)試方法符合率最低為96.2%，當(dāng)井下螺桿泵轉(zhuǎn)速在150 r/min 時(shí)，兩種測(cè)試方法符合率最高為99.7%?？梢姡?xì)管測(cè)壓技術(shù)工作時(shí)獲取的動(dòng)液面深度可以替代聲波測(cè)試儀。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下兩種測(cè)試方法符合率變化曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)背景

在大慶油田某區(qū)塊，優(yōu)選出兩口潛油直驅(qū)螺桿泵井進(jìn)行改造，配備毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過調(diào)整潛油直驅(qū)螺桿泵控制程序，將毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)采集到的數(shù)據(jù)反饋到潛油直驅(qū)螺桿泵控制系統(tǒng)程序中，使預(yù)設(shè)壓力與井下螺桿泵轉(zhuǎn)速構(gòu)成閉環(huán)智能控制，控制邏輯見圖4。當(dāng)采油井液面折算后高于預(yù)設(shè)壓力，井下螺桿泵轉(zhuǎn)速升高；當(dāng)采油井液面折算后低于預(yù)設(shè)壓力，井下螺桿泵轉(zhuǎn)速降低，并且能夠用手機(jī)或電腦隨時(shí)隨地查看運(yùn)行參數(shù)，保證了潛油直驅(qū)螺桿泵在合理動(dòng)液面下的高效舉升。

圖4 閉環(huán)智能控制邏輯

3.2 實(shí)施過程

為了驗(yàn)證毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)潛油直驅(qū)螺桿泵舉升井下動(dòng)液面變化，與聲波液面測(cè)試儀進(jìn)行比對(duì)，測(cè)試值對(duì)比見表1。

表1 測(cè)試值對(duì)比

可見A、B 兩口井的毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)監(jiān)測(cè)動(dòng)液面結(jié)果與聲波液面測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果相差并不大，平均誤差率控制在了5%以內(nèi)，與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相比較誤差偏大一些，可能是受采油井套管氣的影響?？梢姡瑧?yīng)用毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)潛油直驅(qū)螺桿泵井動(dòng)液面變化。

潛油直驅(qū)螺桿泵井在應(yīng)用毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)監(jiān)測(cè)動(dòng)液面前，均是采用現(xiàn)場(chǎng)工人利用聲波液面測(cè)試儀定期測(cè)量動(dòng)液面，不僅增加了測(cè)試費(fèi)用，還增大了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，而且每次測(cè)完都需要用電腦分析動(dòng)液面深度，導(dǎo)致得到動(dòng)液面數(shù)值都會(huì)晚于測(cè)試兩天，不能及時(shí)調(diào)整舉升設(shè)備處在合理動(dòng)液面下工作。

當(dāng)采用聲波液面測(cè)試儀獲取兩口試驗(yàn)井動(dòng)液面時(shí)，按照每15 天錄取一次動(dòng)液面參數(shù)，單井年需要測(cè)試次數(shù)為4 次；人工測(cè)試費(fèi)用約0.05 萬元/次，則兩口井年測(cè)試費(fèi)用為2.4 萬元。按照舉升設(shè)備下泵深度1 000 m 計(jì)算，單井配備毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)需要0.8 萬元，則兩口井安裝毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)費(fèi)用為1.6 萬元。通過計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以看出，毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)監(jiān)測(cè)動(dòng)液面投入費(fèi)用更低。

3.3 數(shù)據(jù)對(duì)比

為進(jìn)一步分析應(yīng)用毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)前后對(duì)潛油直驅(qū)螺桿泵舉升節(jié)能效果影響，對(duì)兩口試驗(yàn)井系統(tǒng)效率及噸液百米耗電進(jìn)行了對(duì)比，應(yīng)用前后試驗(yàn)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比見表2。

表2 應(yīng)用前后試驗(yàn)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比

采用聲波液面測(cè)試獲取動(dòng)液面時(shí)，兩口試驗(yàn)井平均日產(chǎn)液量68.5 m3，平均動(dòng)液面為475 m，平均系統(tǒng)效率 23.25% ， 平均噸液百米耗電1.175 kWh ；采用毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)獲取動(dòng)液面時(shí)，兩口試驗(yàn)井平均日產(chǎn)液量72 m3，平均動(dòng)液面為689.5 m，平均系統(tǒng)效率26.55%，平均噸液百米耗電1.025 kWh。利用毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)，兩口試驗(yàn)井平均日產(chǎn)液量提高3.5 m3，平均系統(tǒng)效率提高3.3%，平均噸液百米耗電降低0.15 kWh，日節(jié)電25.2 kWh。分析原因一是采用聲波測(cè)試獲取動(dòng)液面時(shí)測(cè)試周期長(zhǎng)，導(dǎo)致舉升設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)要保證較高的沉沒度，深抽容易出現(xiàn)空抽現(xiàn)象，影響舉升設(shè)備壽命；二是利用毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)能夠與潛油直驅(qū)螺桿泵系統(tǒng)形成閉環(huán)控制，能夠及時(shí)調(diào)整舉升設(shè)備在合理沉沒度下進(jìn)行舉升，實(shí)現(xiàn)供排平衡。可見，與聲波測(cè)試獲取動(dòng)液面相比，潛油直驅(qū)螺桿泵舉升設(shè)備配套毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)獲取動(dòng)液面方法，系統(tǒng)效率高，節(jié)能效果好。

4 結(jié)論

1）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出，毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)與聲波回波測(cè)試獲取動(dòng)液面深度基本相吻合，符合率達(dá)到96.2%以上。

2）毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)通過在潛油直驅(qū)螺桿泵井上的試驗(yàn)，不僅能夠與潛油直驅(qū)螺桿泵控制系統(tǒng)構(gòu)建閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)舉升設(shè)備參數(shù)及時(shí)調(diào)整、動(dòng)液面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，與聲波測(cè)試獲取動(dòng)液面相比，還降低了測(cè)試成本、提升了舉升設(shè)備系統(tǒng)效率，節(jié)約了電能。

3）下一步在擴(kuò)大毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)在潛油直驅(qū)螺桿泵井上應(yīng)用的同時(shí)，開展在其它舉升設(shè)備井上的應(yīng)用，如抽油機(jī)井、電動(dòng)潛油隔膜泵井、潛油柱塞泵井等。