回声法监测油井动液面影响因素分析与对策

皇甫王欢,张乃禄,范琳龙,黄伟,李伟强,关静

1.西安石油大学电子工程学院（陕西西安710065）2.西安海联石化科技有限公司（陕西西安710065）

■质量

回声法监测油井动液面影响因素分析与对策

皇甫王欢1,张乃禄1,范琳龙2,黄伟2,李伟强1,关静1

1.西安石油大学电子工程学院（陕西西安710065）2.西安海联石化科技有限公司（陕西西安710065）

回声法实时动态监测油井动液面是数字化与智能化油田建设的一项新技术，已逐步在各大油田推广应用。回声法是利用次声波在油管与套管之间的环形空间传播，遇到液面时产生反射信号的原理进行连续测量动液面，由于油井生产与现场环境等复杂性，严重影响该方法监测结果的准确性和可靠性。结合回声法测量原理与现场实际应用，从监测原理、监测仪器、油井井况3个方面，分析影响回声法监测油井动液面的主要因素，并提出解决对策，以提高回声法监测动液面的准确性和可靠性。

回声法；动液面；实时监测；影响因素

随着数字化与智慧化油田建设的逐步推进，油井动液面实时动态监测是油田生产智能化提升与完善的重要内容。目前，动液面实时动态监测最常用和最有效的方法是回声法，已在各主力油田推广应用，特别在“三低油田”深度开发和油井高效低成本生产，逐步取得显著效果。但是，由于油井实际生产过程与现场环境的复杂性，给回声法实时动态监测油井动液面的准确性和稳定性带来很大影响，油套环空内次声波声速变化、液面反射回波时间以及监测仪器、油井井况等因素对回声法监测动液面有较大影响。结合回声法动液面监测仪的研制和现场实际应用，从监测原理、监测仪器、油井井况3个方面对影响回声法监测油井动液面的因素进行分析，并提出相应对策，提高回声法实时动态监测油井动液面的准确性和可靠性[1]，为油井生产开发智能化油田建设奠定基础。

1 回声法监测油井动液面原理

回声法监测油井动液面是利用次声波在油管与套管之间的环形空间传播，遇到液面时产生反射信号的原理进行连续测量动液面，其原理如图1所示。

图1 回声法监测油井动液面原理

当到达设定的监测采样时间或收到测量命令时，若套压值＜0.25MPa，监测仪气爆发生单元利用外接气泵加压，由电磁阀放气产生次声波；若套压值≥0.25MPa，监测仪气爆发生单元利用套管压力，由电磁阀放气产生次声波。次声波沿油管与套管之间的环形空间向下传播过程中，遇到油管接箍、液面时发生反射，反射波由微音器接收，经回波检测单元处理后压缩存储至主控制器[2]。压缩后的数据同套压、仪器自身参数等通过GPRS网络送至监控计算机进行数据解压，并进行模型算法计算，其核心是通过油管接箍回波计算油井的环空实际声速，提取液面回波并通过算法得到液面回波时间，从而计算出动液面深度值。动液面监测仪实际测量范围通常为200～3 000 m，测量误差在0.2%～0.5%之间，监测仪在实际应用中，受油井生产工况和环境状况影响较大。

2 油井动液面监测影响因素分析与对策

2.1 监测原理因素

2.1.1 监测原理因素影响分析

回声法通过识别较清晰的油管接箍回波得到次声波传播的平均声速-v=2N·h/t1，其中，N为油管接箍回波中选取的接箍波个数，h为油管长度，一般取9.6m，t1为次声波到达选取点所用时间。结合液面回波时间t，由L=-v·t/2可算出油井动液面深度L。通过分析可知，声速和液面回波时间是影响动液面监测结果是否准确的关键因素[3]。

1）声速提取的影响。在实际测量中，油套环形空间内各处声速大小并不相同，与套管内温度、压力、密度等因素密切相关，识别时若以初始声速作为平均声速，影响测量结果的准确性；此外，由于井况复杂，有些接箍回波不呈周期性变化，通过接箍回波选取接箍数时产生误差较大。实际测量中，某井动液面监测仪所测回波中可清楚看到动液面位置，但接箍回波放大后波形杂乱，不呈周期性变化，且接箍数不易识别，如图2所示，影响测量结果的准确性。

图2 某井接箍波放大后不易识别回波曲线

2）液面回波时间的影响。正常情况下，无噪声时信号较强，液面回波较明显，可清楚看到动液面的位置，从而确定液面回波时间[4]。但油井生产与现场环境异常复杂，产生的噪声远大于信号强度，常常出现液面回波不易辨识的情况，如图3所示，无法辨识到液面波位置，从而影响测量结果的准确性。

图3 某井液面位置不易识别回波曲线

2.1.2 监测原理因素解决对策

1）声速提取因素的对策。①根据接箍回波特点，首先对回波进行带通滤波，得到清晰的接箍回波，然后选取尽可能多的接箍回波计算平均声速，减少计算所产生的误差；②由于同一地区套管内声速变化规律基本一致，可先计算出同一地区每个井前10节油管相应区段内的平均声速，然后采用曲线拟合的方法，得到反映声速变化规律的拟合公式，由此公式计算可出套管内任意位置处的声速[5]，提高动液面计算的准确性；③采用基于短时自相关函数(ACF)的声速计算方法，即利用自相关函数的周期识别能力，对接箍波数据进行分帧处理，通过第1峰值点求取该帧接箍波的时间间隔，随后再根据采样周期和油管长度计算出该帧接箍波对应区段内的声速，通过增加帧长和采样频率可提高测量的准确性。

2）液面回波时间因素的对策。①对油套环空中噪声进行分析，根据小波变换的多分辨率特性，利用小波阈值去噪方法对测试数据进行去噪处理，从处理后的回波曲线中可清楚地辨识出动液面的位置；②通过分析信号频谱与噪声频谱的区别，选择合适窗长的窗函数进行滤波，并对信号做加强处理，可清楚看到动液面的位置，进而确定液面回波时间，提高动液面测量的准确性。

2.2 监测仪器因素

2.2.1 监测仪器因素影响分析

1）微音器作为采集声音信号的关键器件，在动液面测试过程中起着决定性作用。但井场环境复杂，油套环形空间内温度、压力的变化，腐蚀气体等都会影响微音器灵敏度，导致回波曲线无法识别出接箍波和液面波，影响动液面测量的可靠性；此外，由于每口井深度不同，微音器所采集的回波信号幅度各不相同，对于较深井，幅度较小时无法识别出接箍波和液面波，从而影响测量结果的准确性。

2）动液面监测仪通过控制电磁阀阀门打开，气体流动产生次声波，不同通径的电磁阀对套压大小范围要求不同。套压过大或外接气泵加压时间过长都会导致电磁阀阀门无法正常打开，影响动液面监测仪的可靠性。

2.2.2 监测仪器因素解决对策

1）微音器影响的对策。①选取测井专用微音器进行动液面测量，其灵敏度较高，可耐高、低温，耐高、低压，耐腐蚀性，能适应井场各种复杂环境；②对于较深井，当微音器所采集的回波信号幅度较小时，可通过手机远程设置放大倍数，增大回波曲线幅度，从而清晰识别出接箍波和液面波，提高动液面测量的准确度。

2）电磁阀影响的对策。①电磁阀的选取：无套压或套压＜1MPa油井时选取0～1MPa的常规阀；当1MPa≤套压＜2MPa时选取0～2MPa的高压阀；当2MPa≤套压＜3MPa时选取0～3MPa的高压阀；当套压≥3MPa时选取0～5MPa超高压阀。②通过手机远程设置参数，适当减小外接气泵加压时长，可使流过电磁阀的气体压力减小，从而保证电磁阀正常工作，提高动液面测量的可靠性。

2.3 油井井况因素

2.3.1 油井井况因素影响分析

1）油套环形空间内杂物的影响。对于油套环形壁上存在杂物的油井，在动液面测量过程中，次声波会在此发生反射，降低了声波传播能量，且液面曲线上产生假液面反射波，导致真实液面处反射波不明显，如图4所示。

图4 油套环空有杂物时出现假液面回波曲线

主要原因有：①油井结蜡或死油。原油从井底上升到井口流动过程中，由于其压力和温度逐渐降低，当温度和压力降低到蜡析出点时，蜡从原油中析出，黏附在油套环形壁上，导致动液面测量时出现假液面。②清蜡剂的影响。对于结蜡井采用化学清蜡剂，由于有黏稠性，从套管向井内注入清蜡剂时可能会在某处形成“环空液柱”，动液面在测量过程中遇到此处同样会出现假液面，导致测试失败。

2）井口套管压力变化的影响。动液面内爆监测仪利用套管压力与大气压差爆破产生次声波，对套管无压力或压力较低井，产生的次声波能量较低，且次声波在油套环形空间传播时衰减较快，微音器接收不到反射波或接收的反射波无法识别出液面波，如图5所示，造成测试失败。

图5 套管无压力或压力低时回波曲线

主要原因有：①球阀未关闭。在实际开采过程中，为提升低渗透油井的产液量，油田普遍采用打开球阀放压的方式来提升液面，且放压后未及时关闭球阀，造成井口套管无压力或压力低，导致内爆监测仪测试失败。②套管漏气。动液面监测仪要求井筒密封性保持良好，可减少能量在井口的损失。由于声波能量在传播过程中随井深增加逐渐衰减，若能量在井口损失过大，液面波很难反射回来，即使反射回来也会不明显，导致看不到清晰的液面波。③油井加药。为清除套管内杂物，油井会不定时进行加药，加药会导致套压逐渐降低，内爆监测仪无法利用套管压力爆破产生次声波，导致测试失败。④油井自身无压力。部分油井自身套管无压力或压力偏低。

3）抽油机机械震动和杆管偏磨的影响。抽油机运转时产生周期性的机械震动及杆管偏磨时的井口震动，所产生的激动波对动液面测量干扰较大，导致回波曲线零乱，如图6所示，无法识别出动液面的位置。影响杆管偏磨的因素有抽吸参数、生产参数（冲程、冲次、沉没度）、产出液（含水率、稠油或聚合物）、井斜、杆管弹性收缩、油井结蜡等。

图6 抽油机机械震动或杆管偏磨时回波曲线

2.3.2 油井井况因素解决对策

1）油套环形空间内杂物影响的对策。①对于油井结蜡或死油的井，一般采用热水洗井法，清洁管壁，排除脏物干扰；对于结蜡严重的井需定期加清蜡剂，再进行测量；②对清腊剂形成的“环形液柱”，一般用泵车向套管内注入适量液体冲开“环空液柱”即可。

2）井口套管压力变化影响的对策。①若球阀未关闭则及时关闭球阀，一般为保证内爆监测仪可以正常工作，且不影响油井采油效率，油田生产管理人员需积极配合动液面测试工作，保证套压在0.2～2.5MPa之间，每次放压后须及时关闭球阀，保证内爆监测仪可正常测量；②现场安装时若发现套管漏气现象须及时向油田管理人员反映，并及时进行维修，保证动液面监测仪的正常运行；③加药后须及时关闭球阀，一段时间后套压回升，内爆监测仪可以正常工作，并准确测出动液面波形；④对油井自身无压力井，选择外爆监测仪，利用外接气泵加压爆破产生次声波进行测量。

3）抽油机机械震动和杆管偏磨影响的对策。①进行短暂停抽测试，协调现场工作人员，对抽油机短暂停抽20min，排除干扰，取得合理的动液面资料；②对杆管偏磨的井，通过杆管防磨涂层、杆管旋转及各种扶正器、防偏抽油泵、加缓蚀剂等方法降低偏磨程度，减小杆管偏磨对动液面测量的影响[6]。

3 结论

1）回声法是动液面实时动态监测最常用和最有效的方法，但油井实际生产与现场环境比较复杂，影响回声法实时动态监测动液面准确性和可靠性的因素很多。

2）回声法监测油井动液面原理、监测仪器、油井井况等因素是影响回声法实时动态监测油井动液面准确性和可靠性的主要因素，可通过方法优化、定时校准、强化管理和维护等对策解决，为油井生产开发智能化与智慧化油田提供准确的动液面数据。

[1]张乃禄,赵岐,贺安武,等.示功图法计算油井产液量的影响因素[J].西安石油大学学报(自然科学版),2011,26(4)：53-55.

[2]Huaigang Zang,Baojun Zhao,Tao Ran.A new kind of intelligent ultrasonic liquid level apparatus with the long measure range and short blind zone[J].Chinese Journal of Science Instrument,2006,27(6)：638-642.

[3]Minjuan Zhang,Shiwei Li.A method of the untouched ultrasonic liquid level measurement with high precision[J].International Conference on Computer Application and System Modeling,2010,7(10)：144-147.

[4]林中雨,王东明,段文.液面测试仪的计量量传溯源技术与方法初探[J].石油工业技术监督,2016,32(5)：15-17.

[5]周家新,王长松,汪建新,等.抽油井套管内声速变化规律分析[J].声学技术,2007,26(4)：642-645.

[6]李健康,郭益军,谢文献.有杆泵井管杆偏磨原因分析及技术对策[J].石油机械,2000,28(6)：32-34.

The real-time dynamic monitoring of liquid level in oil well by echo method is a new technology for the construction of digital and intelligent oilfield,and it has been gradually popularized and applied in various oilfields.The principle of the echo method is for infrasonic wave to propagate in the annular space between tubing and casing,and to produce reflection signal when it encounters liquid level so as to realize continuous measurement of liquid level.But the complexity of oil well conditions and site environment seriously affects the accuracy and reliability of monitoring the dynamic liquid surface of oil wells by the method.The main factors of influencing the echo method to monitoring the dynamic liquid level of oil well are analyzed from the 3 aspects of monitoring principle,monitoring equipment and well conditions,and some countermeasures are put forward in order to improve the accuracy and reliability of the dynamic monitoring of liquid level by the echo method.

echo method;dynamic liquid level;real-time monitoring;influencing factor

左学敏

2017-05-08

陕西省重大科技创新项目“基于物联网的智慧油田应用系统”（编号：2014ZKC（一）03-02）。

皇甫王欢（1992-），女，硕士研究生，主要研究方向为油气井下测控技术及仪器。