基于振动的非植入稠油井出砂监测系统试验研究

刘 刚，刘澎涛，韩金良，陈 超

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛266580）＊

稠油开采已经成为我国石油行业的重要组成部分，而将出砂冷采技术应用到稠油开采中，会大幅提高油井的产量，但却面临许多问题［1］。过量出砂会严重损坏油井生产设备，为地面后期的除砂带来困难，过度防砂则会影响蚯蚓洞形成，降低油井产量［2］，因此提出了适度出砂的生产方法［3］。适度出砂生产技术是应用于海上疏松砂岩油田生产的一种开采技术，能够有效地提高海上油田的开发效率。采用适度出砂技术需要一种有效的出砂信号监测系统来实时监测流体的出砂状况［4］。

出砂监测方法主要包括出砂声测法［5］和电阻技术法［6］，出砂声测法存在监测延迟现象，更适用于气井和稀油油井出砂监测；而电阻法主要是寿命短等问题。按照出砂监测设备安装方式划分，主要有植入式和非植入式2种，前者是将监测设备植入生产管道内，监测精度高，但安装复杂；后者不植入生产管道，监测精度较低，但安装方便。

因此，在不改变生产管道的情况下，为完成稠油油田适度出砂生产，设计了一套基于振动信号分析的非植入式稠油出砂监测系统，为出砂监测提供了新的思路。

1 振动信号采集与分析

1.1 振动信号采集系统

系统主要由硬件和软件组成：硬件包括高频振动传感器、高速采集设备和计算机；软件包括信号采集软件模块和信号处理模块，信号采集原理如图1所示。高频振动信号由传感器采集经过滤波放大，然后经过高速采集卡将模拟信号转换为数字信号传送到计算机，由信号处理程序对这一信号进行处理，从而实现振动信号的监测［7］。

图1 出砂信号采集系统原理框图

1.2 高频振动信号的时频分析

信号的时频表示是指利用时间和频率的综合函数对信号进行表示，是非平稳信号处理的一个分支，是利用时间与频率的联合函数来表示非平稳信号，并对其进行处理和分析的方法［8］。

信号时域分析是对振动信号时间波形的分析，其描述的是振动大小随时间的变化情况，是通过信号的时程波形来计算平均值μx、方差、均方值等特征值的，即

信号频域分析是进行时频变换，得到的是以频率为变量的谱函数。常用的信号变化有快速傅立叶变化、温格纳－维利变换、小波变化等。以快速傅立叶变换为例，通过频域分析得到信号的幅值谱或功率谱为

式中：X（f）为信号的幅频谱函数；x（t）为采样得到的时域信号；Sx（ω）为信号的功率密度函数；Rx（τ）为信号的自相关函数。

1.3 高频振动信号采集软件

根据对高频振动信号的分析，开发了信号采集分析软件，包括信号采集、时域分析、频域分析等模块。信号变换采用快速傅立叶变换；时域分析主要有均值计算、均方值计算、方差计算等；频域分析主要有幅值谱分析、功率谱分析等。滤波器采用IIR滤波器，设有带通、带阻、高通、低通。软件主要界面如图2所示。

图2 出砂信号分析软件界面

2 砂粒撞击试验

为证明振动监测的可行性，设计了自然状态下的砂粒撞击试验。主要试验过程为：将石英砂粒以自由落体方式从一定高度洒落，撞击贴有高频振动传感器的金属管道外壁，传感器接收砂粒撞击产生的振动信号并转换为电信号，并传递给采集仪；经过采集仪的滤波、放大、模数转化等操作将其转化为数字信号，之后传递给计算机；经过计算机上安装的分析软件进行时域分析和频域分析，得到砂粒质量与监测信号之间的关系［9］。

试验装置如图3所示，根据大量的试验数据，得到了自然状态下监测信号与砂粒粒径、砂粒质量、撞击速度等砂粒撞击参数之间的关系，验证了振动监测的可行性。

图3 砂粒撞击试验装置

3 出砂监测试验

3.1 非植入式稠油出砂监测系统

出砂模拟试验装置如图4所示，主要由出砂监测控制柜、油砂混合罐、变量柱塞泵、靶式流量计、加热装置以及信号采集系统等组成。振动信号采集系统主要包括采集仪、振动信号传感器和计算机采集软件等。

图4 出砂监测试验系统

在油砂混合罐中加入一定体积的稠油，实验室内采用壳牌高品质耐磨齿轮油来代替稠油，然后分别加入不同粒径及不同含砂量的砂粒，来模拟油井生产时不同含砂量的出砂状况。试验时通过流量计监测携砂流速，通过加热装置控制流体黏度，通过高频振动传感器监测出砂信号。

非植入式出砂监测设备传感器直接贴在管壁上，与植入式相比监测信号弱，因此需要模拟流体在管道中的流动，得到传感器最佳安装位置。通过FLUENT模拟，得到流体在弯头处的流动情况如图5所示。可以看出：在弯头后2～3倍管径长度下游处，流体的流动速度达到最大，砂粒撞击管壁的速度也最大。传感器安装在此位置，理论上可以感应到最大的振动信号［10］。

图5 弯头处流体速度云图

3.2 不同含砂量下出砂监测试验

试验流体选用壳牌的高黏度齿轮油作为携砂流体，选用120目石英砂作为试验砂样，温度维持为32℃，调节泵排量为0.16L／s，管道中流速为0.45 m／s，含砂量设定为无砂、0.3‰、0.5‰、0.7‰、1‰、2‰、3‰、4‰、5‰。

3.2.1 不同含砂量下出砂监测时域分析

根据出砂振动信号的分析处理方法，分别对不同含砂量条件下采集的出砂监测信号进行时域分析，得到各含砂量情况下的信号时域如图6所示［11］。时域处理得到的各含砂量情况下出砂信号特征值如表1所示。

图6 各含砂量下监测信号时域

表1 不同含砂量下的信号时域特征值统计

由表1中数据可得到砂监测信号的最大时域幅值、均方根值与含砂量的关系曲线，如图7所示。由图7可以看出：随着含砂量的增加，出砂监测信号的时域幅值及均方根值等信号特征值逐渐增大，并且规律明显，基本呈线性关系。

图7 信号时域特征值与含砂量的关系曲线

3.2.2 不同含砂量下出砂监测频域分析

分别对不同含砂量条件下采集的出砂监测信号进行自功率谱密度分析，得到各含砂量下信号自功率谱密度图，如图8所示［12］。处理得到各含砂量试验条件下出砂监测信号的自功率谱能量统计如表2所示。

图8 各含砂量下监测信号自功率谱图

由表2中数据，可得出砂监测信号的自功率谱幅值与含砂量的关系曲线，如图9所示。由图9可看出：随着含砂量的增加，出砂监测信号的自功率谱能量逐渐增大，并且规律明显，且基本呈线性。

图9 信号频域特征值与含砂量的关系曲线

表2 不同含砂量下的信号频域特征值统计

3.3 其他条件下出砂监测试验

1） 不同流速下出砂监测试验。选用120目石英砂作为试验砂样，温度维持为32℃，含砂量为1‰，调节泵排量。通过试验得到：出砂监测信号的时域幅值、方差值、均方根值等时域特征信号和自功率谱能量均随含砂量的增大而增大，而且规律明显。

2） 不同砂粒粒径下出砂监测试验。温度维持为32℃，调节泵排量为0.16L／s，含砂量为1‰，依次选择砂粒目数。通过试验得到：出砂监测信号的时域幅值、方差值、均方根值等时域特征信号和自功率谱能量均随砂样目数的增大而减小，而且规律明显。

3） 不同油样黏度下出砂监测试验。调节泵排量为0.16L／s，含砂量为1‰，砂粒目数确定为150目，依次调整温度。通过试验得到出砂监测信号的时域幅值、方差值、均方根值等时域特征信号和自功率谱能量均随油样温度的增大而增大，而且规律明显。

4 结论

1） 提出了一种基于振动信号分析的非植入式稠油井出砂监测方法，建立了一套室内稠油出砂监测试验装置以及基于高频振动的信号采集系统。

2） 通过设计在不同含砂量、不同流速、不同砂粒粒径、不同油样黏度下的稠油出砂试验，得到了监测信号与信号时频特征值之间的关系，验证了在室内试验条件下稠油出砂信号监测的有效性，为现场出砂评价提供了一种新的思路和理论依据。

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