液面监测技术调研.docx

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液面监测技术调研

液面监测仪的调研

井漏是钻井工程中常见的复杂事故，对钻井工作危害极大。

井漏发生后需要尽快准确地确定漏失层的位置，以便及时采取有效的堵漏措施，保证钻井生产继续正常进行。

因此，漏失层位置测定方法与仪器的研究，对复杂地质条件下的钻井生产有十分重要的意义。

通过对国内外用于漏层位置测量的仪器的调研，根据传输方式分成以下三种类型测漏仪。

一、电缆式

1工作原理与性能参数

1.1工作原理

测量时流量计以分流方式工作，全井流量的大部分由旁通短节上的旁通孔（见图1）进入流量计外部与保护筒内壁之间的环形空间，在这里流体作切割磁力线运动，经下端承托接箍流出保护外筒。

一小部分由保护筒外阻流环与井壁间的间隙流过，采用电磁流量传感器来测定沿井筒各点钻井液漏失流量的大小，传感器测得的流速与全井平均流速成对应关系。

仪器将数据量化、放大处理后，送给电缆遥传系统的井下部分（称为遥传短节）。

遥传短节对数据进行编码、调制、放大等处理，通过电缆送到地面。

电缆遥传系统的地面部分（位于地面数据采集系统中）接收到信号后,进行放大、滤波、解调、解码等处理,通过相应的配套软件实时地绘制出流量随井深变化的曲线，通过分析曲线而精确地获取漏失的层位（见图2）。

井下测漏仪仪器电路分为4个部分：

电源管理模块、电磁流量计激励电路及信号调理模块、压力温度信号检测模块、信号采集模块。

电源管理模块提供井下电路各部分所需电源，并控制各电路的节电工作模式切换。

电磁流量计激励电路及信号调理模块主要负责激励信号的产生与驱动，并检测出传感器电极上的电压，经放大、整形后处理成标准方波信号，提供给信号采集模块。

压力温度信号检测模块测量压力、温度2种参数，经信号检测、放大、处理，转换成方波信号输出到信号采集模块。

图1　测漏仪装置结构

1—旁通短节；2—旁通孔；3—悬挂器；4—阻流环；5—上扶正器；6—测量段；7—电池筒；8—下扶正器；9—保护外筒；10—下端承托接箍

图2　井下测漏仪总体系统组成

1.2性能参数

测漏仪的工作温度不大于125℃，最大耐压60MPa，启动排量1m3/d，最大排量1200m3/d，连续测量时间11h，采样周期为10s，仪器接口标准为RS232。

2遥传系统设计思路

高速遥传系统应完成的功能有：

地面及井下的数据通信（主要是数据的整理、编码、调制解调、解码等）；对井下仪器总线（井下仪器工作在1553总线上）的控制，通过地面仪（采用VME总线通信）的控制组织下井仪器工作、遥传系统的自检等。

因此,高速遥传系统分为地面和井下2个部分，通过电缆连起来。

遥传系统的地面部分称为遥传模块，包括VME总线接口、地面调制解调器部分、电缆驱动等。

高速遥传系统的井下部分称为遥传短节，包括井下电缆接口、井下调制解调器部分、电缆驱动等。

调制解调器负责通过电缆的数据传输，是遥传系统数据通信的关键所在：

遥传短节中的井下仪器总线控制器通过井下仪器接口控制各下井仪器的工作，为了满足测井仪器的实时工作要求以及系统的向下兼容性，遥传系统采用半双工工作方式。

遥传模块与成像地面仪之间通过VME总线进行数据交换。

VME总线是目前世界上实时数据采集系统应用最广泛的系统总线，其最大特点是数据传输速率高、支持能力强、抗震、抗腐蚀性等能力明显优于其他总线。

3　接口电路设计要求

在单片机控制步进电机工作时,接口部分必须有下列功能。

（1）电压隔离。

因为单片机是在5V的低压下工作，而步进电机是在几十甚至一百多伏的高压下工作，一旦步进电机的电压窜到单片机部分，则会引起单片机的损坏；或者步进电机部分的有关信号干扰单片机，也会引起系统工作故障，因此，接口部分应能把单片机和步进电机回路隔离开来。

（2）信息传递。

接口部件应能把单片机的控制信息传递给步进电机回路。

（3）产生工作所需的控制信息。

对应于不同的工作方式，接口部件应能产生相应的工作控制电压波形。

（4）产生工作所需的不同频率。

为了使步进电机以不同的速度工作，以适应不同的目的，接口部件应能产生不同的工作频率。

4小结

测漏仪主要针对高温高压条件下深井、超深井钻井作业的需要研制，同时还可应用于油田分层注水流量的测定等。

其检测部分为一整体部件，不会出现卡、堵等问题，特别适合测量固、液两相介质，且量程范围大，测量精度高，测量数据由配套软件进行处理,自动生成图形。

二、声纳式

1声纳环空液面监测仪工作原理及优势

原理：

声纳环空液面监测仪是测试井内液面动态的仪器，它采用便携式非爆炸（气压枪）作为动力源，用预先准备的氮气瓶里的氮气做动力，采用计算机定时（每隔1-2min）控制井下液面监测仪发出声纳脉冲波，脉冲波通过环空传至井下液面。

在此过程中，声纳每遇一个钻杆接箍便向地面返回一个脉冲波，测出反映管串接头数目的曲线B；直到遇液体后返回，得到反映液面位置的曲线A，快速计算液面井深（声纳法），计算机接收从钻杆上返回脉冲，利用脉冲波在钻杆接头上传播时振幅发生变化，通过对各种井下噪声信号进行过滤，计算接头数就得到了液面深度（平均法），并在计算机上记录深度变化曲线。

故所得数据是在线的、实时的。

优势：

钻遇漏层后、应尽快对刚裸露的原始状态的地层进行测试，避免因漏液对漏失通道的污染和堵塞而影响测试准确度。

液面实时监测仪可在不起钻的情况下测试，也可在关井及井内有压力的情况下测试，亦可追踪液面连续变化探测。

操作简便迅速，两三分钟便可测试一次，其主要功效有：

①探测静液面井深，计算漏层压力，提供堵漏剂选择，得到制定堵漏工艺的依据。

②进行漏层水力特性研究，可对地层进行动液压测试。

一种是将井筒灌满停泵，用液面实时监测仪测试液面下降位置与时间的关系，再测出静液面，计算漏层压力；另一种是先用小排量泵送洗井液，使液面升高一个位置至稳定，用回声仪测出液面位置并记下排量，再逐次加大排量，照样测出各次液面位置并记下排量,此法仍可测出静液面位置，计算地层压力。

利用土述资料可以计算并绘制出△P-Q漏层指示曲线；计算漏层吸收能力系数，计算漏失严重度；初步估量漏失通道的尺寸等。

2现场试验情况及分析

声纳环空液面监测仪在塔里木塔中井进行了2口井3井次试验，在不同的工况（静止、起下钻、转动）经测量了多个井下液面深度数据，经分析表明测试效果较为优秀。

表1钻具不转动试验数据

图3钻具不转动分析图

显然在这种工况下，由所测得的4个点误差分析表明其测试结果具有很高的精度（误差值远远小于1%）；二种计算方法的误差差别不大，显示仪器工作状态正常。

表2钻具转动试验数据

图4钻具转动分析图

表3钻具转动30rpm试验数据

图5钻具转动30rpm分析图

误差分析表明：

整体误差较小（最大不到3%），仪器在此工况下仍然具有高精度；声纳速度法的误差比平均长度法略小，超声波法具有更高的精度；在钻柱运动过程中对超声波的监点（确定液面所在接箍位置）判断需辅助工程人员经验能提高测试精度；两种方法计算的差别误差不大，显示仪器在这样的工况下仍然运作良好。

表4钻具转动60rpm试验数据

图6钻具转动60rpm分析图

在转动过程中噪音对测试结果有较为明显影响，使其第一点的测试误差值达到4%（气枪压力为500psi）为了更好的监测、过滤波形提采用高了气枪压力（1000psi）、重新设定现场温度等参数值，其测试结果精度得到提高；分析表明仪器仍然具有良好的工作性能。

在提高转速的工况下噪音的影响加强测试结果误差升高（近5%）为克服噪音的影响将压力提高到（1200psi）得到很好的精度（2%左右）；超声波法（仪器使用的方法）具有更高精度。

小结：

（1）声纳环空液面监测仪、实现无线监测，测试深度得到大大提高（最深达到4000m）。

（2）声纳环空液面监测仪的应用为压力敏感性强、安全密度窗口窄、钻井过程中溢、漏频繁发生的施工增加了一双“井下观察的眼睛”，在井下液面监测过程中，通过调整灌入泥浆量和灌入泥浆的密度，可使井下压井泥浆处于动平衡状态中确保井下安全。

（3）声纳环空液面监测仪的应用为井下漏失状态下的各种特殊作业提供了可能性。

其能保证了电测的安全性，对于井漏严重或敏感性地层，可以进行放射性、成像、常规全套电测，避免了因考虑井下安全而放弃电测。

不仅大幅度降低了成本，更重要的是最大程度地满足了测井的需要。

（4）声纳环空液面监测仪还可扩展应用到钻进时的溢流、井漏实时监测和报警，确保在第一时间对溢流、井漏情况作出准确的预报，为堵漏作业以提高堵漏成功率提供强力保证。

声纳环空液面监测仪是一种高科技的井下液面实时监测仪器，克服有线监测的不足，能够实时反映井下液面的高度和变化情况，为井漏层位的确定提供精确的数据保障；为井控安全保提供障技术，既可保证井控安全，又能节约泥浆，减少复杂事故处理时间，是一项生产现场急需、应用效果好、值得推广的可广泛应用于钻井、完井和试修作业的实用新技术。

三、集成式

1工作原理

液面测试采用回声测深原理：

井口装置上的电磁阀击发机构按照设定的程序受控定时发声，由微音器将井下接箍及液面反射波转换为电信号，经滤波放大后，由A/D转换器进入单片机识别处理,获得液面深度数据，完成液面测试功能。

图7为集成式液面自动监测系统结构示意图

发声装置发出一个声脉冲，声脉冲沿着油井油套环空向井下传播，当遇到油管接箍、音标和液面等障碍物时，产生回波，反射波由微音器接收，经电路放大、滤波、A/D转换后，上传到PC机，并绘制成液面曲线。

声速直接影响液面测试的精度，其大小主要取决于气体的成分，其次是压力和温度。

在油井油套环空中，套管口与液面的压差就是套管环形空间内气柱的压差，其值与套管口的套压相比，一般很小，况且当气体成分一定、温度变化一定时，随压力的增加，声速增加量很小。

因此，套管内上下部由于压力变化而引起的声速变化一般可以忽略。

套管内气体的成分不同，声速也不相同。

油井气体中甲烷所占的比例较大，声波由井口传播到井下又反射到井口，对于间隔为9.6m的接箍，声波来回的传播距离就是19.2m，假如接箍波时间间隔为0.048s，可算得声速为400m/s，再利用声速和液面波就可以算得液面深度。

液面深度计算方法为：

在测试曲线上确定声波的起始点，选择B通道曲线上较清晰的接箍波（只要接箍反射波能辨别，长度尽可能选得长一些），再确定测试曲线上液面波的起始点。

图8液面深度计算示意图

图8为液面深度计算示意图，其中：

H液深为计算的液面深度（m）；M管长为选取的接箍1到接箍2的油管实际长度（m）；h液记为从测试曲线上量得的井口波到液面波的长度（mm）；m管记为从测试曲线上量得的由选取的接箍1到接箍2的长度（mm）。

设n为在测试曲线上（B通道曲线）选取的油管接箍个数，d管平为选取的由接箍1到接箍2之间相邻两接箍油管平均长度m（可从油井档案资料库中得知），t为接箍1到接箍2的测试时间，T为井口到液面的测试时间，C为声速，则

M管长=nd管平C=M管长/t

液面深度为

H液深=CT

在测试井深时，只需在B通道曲线上选取m管记，并输入单个接箍长度，就可计算出t、C；再在测试曲线上选取h液记，就可计算出液面深度。

由液面深度计算公式可知：

液面深度计算的精度主要与t和M管长有关，或者说与t、n和d管平有关。

因而，m管记及对应油管接箍个数n的选取是否准确，直接影响液面深度计算的准确性。

2测试系统的组成

集成式液面监测系统具有对液面深度和套压自动监测功能，测试数据可保存在集成式监测系统存储器中，也可通过PC机及时读取监测数据，在PC机上显示数据和绘制曲线，并通过打印机打印出所需报表。

集成式液面自动监测系统组成示于图9。

图9集成式液面自动监测系统组成

2.1集成式控制仪

集成式控制仪是集成式液面监测系统的核心。

系统要求集成式控制仪能对井口装置进行控制，按时间表定时击发提供声波和对液面与套压信号进行放大采集保存，并能随时根据PC机所传指令更新参数设置，便于使用者操作和随时查看监测数据，正确判定油井的工况。

2.2井口装置

井口装置采用W-Ⅱ型微音器，其输出信号通过100m长的信号电缆进入控制仪上的滤波板，经平台试验能够满足液面测试要求。

气枪式发声装置用电磁阀驱动击发杆动作产生声脉冲，电磁阀的额定电压为80±10V，以提高击发阀的开启速度，增大声脉冲的强度，改善井口波、接箍波的波形，以便控制仪进行波形识别。

2.3电流互感器

电流互感器是电流敏感组件，使用时安装在控制间电泵井三相供电电源任一相上，将电泵井的强电流信号所产生磁信号变换为弱电压信号，经放大后供集成式控制仪采集。

2.4PC机和打印机

PC机是集成式液面监测系统的外设备，集成式液面监测系统是一种现场监测仪器，所有监测数据是采用循环覆盖方式保存，PC机须定期读取所有油井的监测数据，而打印机是及时输出报表上交和对PC机内所有油井监测数据打印备份，防止PC机出现意外故障时无法调取监测数据。

3测试要求

测试工艺操作步骤：

①安装井口连接器，用通讯电缆连接井口连接器和测试仪器；②打开套管阀门，启动计算机接收系统接收数据。

测试工艺要求：

①井口阀门关闭严密，无漏气现象；②测试时保持井口原有状况，不要改变油套连通状况。

4现场测试结果分析

在CB-B平台对集成式液面自动监测系统进行了检验试验。

试验采用多井集成的方法，以检验该系统对现场集成的适应情况。

选取的试验井有CB-B4井、CB-B9井和CB-B14井。

安装集成式液面自动监测系统并连接井口装置后，控制仪先选取放气方式测试，后选取充气方式测试。

图10和图11分别为CB-B9井放气方式液面测试的开始曲线和测点曲线（套管内气压为0.975MPa）。

表5为CB-B9井放气方式液面测试结果。

图9CB-B9井放气方式液面测试开始曲线

图10CB-B9井放气方式液面测试测点曲线

表5CB-B9井放气方式液面测试结果

注：

声速为480.00m/s

图11和图12分别为CB-B9井充气方式液面测试的开始曲线和测点曲线（套管内气压为0.975MPa，氮气瓶压力8MPa）。

表6为CB-B9井充气方式液面测试结果。

图11CB-B9井充气方式液面测试的开始曲线

图12CB-B9井充气方式液面测试的测点曲线

表6CB-B9井充气方式液面测试结果

注：

声速为470.58m/s

平台上油井用电泵抽油，油井振动和噪声都很大，对测试的液面曲线波形有一定的影响。

通过用5m和100m信号电缆测试对比，测得液面波形形状差别不大，对于控制仪自动识别液面无影响。

在测试时间段套压变化小于0.064MPa时，在井口装置上安装气瓶，通过调节减压阀使气室内气压比套管内气压高出0.5MPa以上（低压深井需将气室内气压调高1.5MPa），使集成式控制仪能通过滤波采集测出液面深度。

现场试验表明，集成式液面自动监测系统能满足现场测试的要求，可对平台各种套压的井进行不间断的液面自动测试。

5小结

集成式液面自动监测仪结构合理，并且实现了集成化和模块化，即实现了一台液面自动监测仪主机控制多套井口装置共同工作。

现场试验表明，集成式液面自动监测系统达到了安全生产实际要求，能够满足现场自动测液面的需要。

通过对液面监测技术的调研，建议公司引进声纳式液面监测仪，这样能有效提高公司现有的精细控压钻井技术解决井漏、喷漏同存工程复杂的效率。

液面监测仪及时发现和测定漏速功能为精细控压钻井技术提供了更加精确的控压依据。