液面監(jiān)測技術調研.doc

液面監(jiān)測儀的調研井漏是鉆井工程中常見的復雜事故，對鉆井工作危害極大。井漏發(fā)生后需要盡快準確地確定漏失層的位置，以便及時采取有效的堵漏措施，保證鉆井生產繼續(xù)正常進行。因此，漏失層位置測定方法與儀器的研究，對復雜地質條件下的鉆井生產有十分重要的意義。通過對國內外用于漏層位置測量的儀器的調研，根據傳輸方式分成以下三種類型測漏儀。一、 電纜式1 工作原理與性能參數1.1工作原理測量時流量計以分流方式工作，全井流量的大部分由旁通短節(jié)上的旁通孔(見圖1)進入流量計外部與保護筒內壁之間的環(huán)形空間，在這里流體作切割磁力線運動，經下端承托接箍流出保護外筒。一小部分由保護筒外阻流環(huán)與井壁間的間隙流過，采用電磁流量傳感器來測定沿井筒各點鉆井液漏失流量的大小，傳感器測得的流速與全井平均流速成對應關系。儀器將數據量化、放大處理后，送給電纜遙傳系統(tǒng)的井下部分(稱為遙傳短節(jié))。遙傳短節(jié)對數據進行編碼、調制、放大等處理，通過電纜送到地面。電纜遙傳系統(tǒng)的地面部分(位于地面數據采集系統(tǒng)中)接收到信號后,進行放大、濾波、解調、解碼等處理,通過相應的配套軟件實時地繪制出流量隨井深變化的曲線，通過分析曲線而精確地獲取漏失的層位(見圖2)。井下測漏儀儀器電路分為4個部分：電源管理模塊、電磁流量計激勵電路及信號調理模塊、壓力溫度信號檢測模塊、信號采集模塊。電源管理模塊提供井下電路各部分所需電源，并控制各電路的節(jié)電工作模式切換。電磁流量計激勵電路及信號調理模塊主要負責激勵信號的產生與驅動，并檢測出傳感器電極上的電壓，經放大、整形后處理成標準方波信號，提供給信號采集模塊。壓力溫度信號檢測模塊測量壓力、溫度2種參數，經信號檢測、放大、處理，轉換成方波信號輸出到信號采集模塊。圖1測漏儀裝置結構1旁通短節(jié)；2旁通孔；3懸掛器；4阻流環(huán)；5上扶正器；6測量段；7電池筒；8下扶正器；9保護外筒；10下端承托接箍圖2井下測漏儀總體系統(tǒng)組成1.2 性能參數測漏儀的工作溫度不大于125，最大耐壓60MPa，啟動排量1m3/d，最大排量1200 m3/d，連續(xù)測量時間11h，采樣周期為10s，儀器接口標準為RS232。2 遙傳系統(tǒng)設計思路高速遙傳系統(tǒng)應完成的功能有：地面及井下的數據通信(主要是數據的整理、編碼、調制解調、解碼等)；對井下儀器總線(井下儀器工作在1553總線上)的控制，通過地面儀(采用VME總線通信)的控制組織下井儀器工作、遙傳系統(tǒng)的自檢等。因此,高速遙傳系統(tǒng)分為地面和井下2個部分，通過電纜連起來。遙傳系統(tǒng)的地面部分稱為遙傳模塊，包括VME總線接口、地面調制解調器部分、電纜驅動等。高速遙傳系統(tǒng)的井下部分稱為遙傳短節(jié)，包括井下電纜接口、井下調制解調器部分、電纜驅動等。調制解調器負責通過電纜的數據傳輸，是遙傳系統(tǒng)數據通信的關鍵所在：遙傳短節(jié)中的井下儀器總線控制器通過井下儀器接口控制各下井儀器的工作，為了滿足測井儀器的實時工作要求以及系統(tǒng)的向下兼容性，遙傳系統(tǒng)采用半雙工工作方式。遙傳模塊與成像地面儀之間通過VME總線進行數據交換。VME總線是目前世界上實時數據采集系統(tǒng)應用最廣泛的系統(tǒng)總線，其最大特點是數據傳輸速率高、支持能力強、抗震、抗腐蝕性等能力明顯優(yōu)于其他總線。3接口電路設計要求在單片機控制步進電機工作時,接口部分必須有下列功能。(1)電壓隔離。因為單片機是在5 V的低壓下工作，而步進電機是在幾十甚至一百多伏的高壓下工作，一旦步進電機的電壓竄到單片機部分，則會引起單片機的損壞；或者步進電機部分的有關信號干擾單片機，也會引起系統(tǒng)工作故障，因此，接口部分應能把單片機和步進電機回路隔離開來。(2)信息傳遞。接口部件應能把單片機的控制信息傳遞給步進電機回路。(3)產生工作所需的控制信息。對應于不同的工作方式，接口部件應能產生相應的工作控制電壓波形。(4)產生工作所需的不同頻率。為了使步進電機以不同的速度工作，以適應不同的目的，接口部件應能產生不同的工作頻率。4 小結測漏儀主要針對高溫高壓條件下深井、超深井鉆井作業(yè)的需要研制，同時還可應用于油田分層注水流量的測定等。其檢測部分為一整體部件，不會出現卡、堵等問題，特別適合測量固、液兩相介質，且量程范圍大，測量精度高，測量數據由配套軟件進行處理,自動生成圖形。二、 聲納式1 聲納環(huán)空液面監(jiān)測儀工作原理及優(yōu)勢原理：聲納環(huán)空液面監(jiān)測儀是測試井內液面動態(tài)的儀器，它采用便攜式非爆炸(氣壓槍)作為動力源，用預先準備的氮氣瓶里的氮氣做動力，采用計算機定時(每隔1-2min)控制井下液面監(jiān)測儀發(fā)出聲納脈沖波，脈沖波通過環(huán)空傳至井下液面。在此過程中，聲納每遇一個鉆桿接箍便向地面返回一個脈沖波，測出反映管串接頭數目的曲線B；直到遇液體后返回，得到反映液面位置的曲線A，快速計算液面井深(聲納法)，計算機接收從鉆桿上返回脈沖，利用脈沖波在鉆桿接頭上傳播時振幅發(fā)生變化，通過對各種井下噪聲信號進行過濾，計算接頭數就得到了液面深度(平均法)，并在計算機上記錄深度變化曲線。故所得數據是在線的、實時的。優(yōu)勢：鉆遇漏層后、應盡快對剛裸露的原始狀態(tài)的地層進行測試，避免因漏液對漏失通道的污染和堵塞而影響測試準確度。液面實時監(jiān)測儀可在不起鉆的情況下測試，也可在關井及井內有壓力的情況下測試，亦可追蹤液面連續(xù)變化探測。操作簡便迅速，兩三分鐘便可測試一次，其主要功效有：探測靜液面井深，計算漏層壓力，提供堵漏劑選擇，得到制定堵漏工藝的依據。進行漏層水力特性研究，可對地層進行動液壓測試。一種是將井筒灌滿停泵，用液面實時監(jiān)測儀測試液面下降位置與時間的關系，再測出靜液面，計算漏層壓力；另一種是先用小排量泵送洗井液，使液面升高一個位置至穩(wěn)定，用回聲儀測出液面位置并記下排量，再逐次加大排量，照樣測出各次液面位置并記下排量,此法仍可測出靜液面位置，計算地層壓力。利用土述資料可以計算并繪制出P-Q漏層指示曲線；計算漏層吸收能力系數，計算漏失嚴重度；初步估量漏失通道的尺寸等。2 現場試驗情況及分析聲納環(huán)空液面監(jiān)測儀在塔里木塔中井進行了2口井3井次試驗，在不同的工況(靜止、起下鉆、轉動)經測量了多個井下液面深度數據，經分析表明測試效果較為優(yōu)秀。表1 鉆具不轉動試驗數據 圖3 鉆具不轉動分析圖顯然在這種工況下，由所測得的4個點誤差分析表明其測試結果具有很高的精度(誤差值遠遠小于1% )；二種計算方法的誤差差別不大，顯示儀器工作狀態(tài)正常。表2 鉆具轉動試驗數據圖4 鉆具轉動分析圖表3 鉆具轉動30rpm試驗數據圖5 鉆具轉動30rpm分析圖誤差分析表明：整體誤差較小(最大不到3% )，儀器在此工況下仍然具有高精度；聲納速度法的誤差比平均長度法略小，超聲波法具有更高的精度；在鉆柱運動過程中對超聲波的監(jiān)點(確定液面所在接箍位置)判斷需輔助工程人員經驗能提高測試精度；兩種方法計算的差別誤差不大，顯示儀器在這樣的工況下仍然運作良好。表4鉆具轉動60rpm試驗數據圖6 鉆具轉動60rpm分析圖在轉動過程中噪音對測試結果有較為明顯影響，使其第一點的測試誤差值達到4% (氣槍壓力為500psi)為了更好的監(jiān)測、過濾波形提采用高了氣槍壓力(1000psi)、重新設定現場溫度等參數值，其測試結果精度得到提高；分析表明儀器仍然具有良好的工作性能。在提高轉速的工況下噪音的影響加強測試結果誤差升高(近5% )為克服噪音的影響將壓力提高到(1200psi)得到很好的精度(2%左右)；超聲波法(儀器使用的方法)具有更高精度。小結：(1)聲納環(huán)空液面監(jiān)測儀、實現無線監(jiān)測，測試深度得到大大提高(最深達到4000m)。(2)聲納環(huán)空液面監(jiān)測儀的應用為壓力敏感性強、安全密度窗口窄、鉆井過程中溢、漏頻繁發(fā)生的施工增加了一雙“井下觀察的眼睛”，在井下液面監(jiān)測過程中，通過調整灌入泥漿量和灌入泥漿的密度，可使井下壓井泥漿處于動平衡狀態(tài)中確保井下安全。(3)聲納環(huán)空液面監(jiān)測儀的應用為井下漏失狀態(tài)下的各種特殊作業(yè)提供了可能性。其能保證了電測的安全性，對于井漏嚴重或敏感性地層，可以進行放射性、成像、常規(guī)全套電測，避免了因考慮井下安全而放棄電測。不僅大幅度降低了成本，更重要的是最大程度地滿足了測井的需要。(4)聲納環(huán)空液面監(jiān)測儀還可擴展應用到鉆進時的溢流、井漏實時監(jiān)測和報警，確保在第一時間對溢流、井漏情況作出準確的預報，為堵漏作業(yè)以提高堵漏成功率提供強力保證。聲納環(huán)空液面監(jiān)測儀是一種高科技的井下液面實時監(jiān)測儀器，克服有線監(jiān)測的不足，能夠實時反映井下液面的高度和變化情況，為井漏層位的確定提供精確的數據保障；為井控安全保提供障技術，既可保證井控安全，又能節(jié)約泥漿，減少復雜事故處理時間，是一項生產現場急需、應用效果好、值得推廣的可廣泛應用于鉆井、完井和試修作業(yè)的實用新技術。三、集成式1 工作原理液面測試采用回聲測深原理：井口裝置上的電磁閥擊發(fā)機構按照設定的程序受控定時發(fā)聲，由微音器將井下接箍及液面反射波轉換為電信號，經濾波放大后，由A/D轉換器進入單片機識別處理,獲得液面深度數據，完成液面測試功能。圖7為集成式液面自動監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖發(fā)聲裝置發(fā)出一個聲脈沖，聲脈沖沿著油井油套環(huán)空向井下傳播，當遇到油管接箍、音標和液面等障礙物時，產生回波，反射波由微音器接收，經電路放大、濾波、A/D轉換后，上傳到PC機，并繪制成液面曲線。聲速直接影響液面測試的精度，其大小主要取決于氣體的成分，其次是壓力和溫度。在油井油套環(huán)空中，套管口與液面的壓差就是套管環(huán)形空間內氣柱的壓差，其值與套管口的套壓相比，一般很小，況且當氣體成分一定、溫度變化一定時，隨壓力的增加，聲速增加量很小。因此，套管內上下部由于壓力變化而引起的聲速變化一般可以忽略。套管內氣體的成分不同，聲速也不相同。油井氣體中甲烷所占的比例較大，聲波由井口傳播到井下又反射到井口，對于間隔為9.6m的接箍，聲波來回的傳播距離就是19.2m，假如接箍波時間間隔為0.048s，可算得聲速為400m/s，再利用聲速和液面波就可以算得液面深度。液面深度計算方法為：在測試曲線上確定聲波的起始點，選擇B通道曲線上較清晰的接箍波(只要接箍反射波能辨別，長度盡可能選得長一些)，再確定測試曲線上液面波的起始點。圖8 液面深度計算示意圖圖8為液面深度計算示意圖，其中：H液深為計算的液面深度(m)；M管長為選取的接箍1到接箍2的油管實際長度(m)；h液記為從測試曲線上量得的井口波到液面波的長度(mm)；m管記為從測試曲線上量得的由選取的接箍1到接箍2的長度(mm)。設n為在測試曲線上(B通道曲線)選取的油管接箍個數，d管平為選取的由接箍1到接箍2之間相鄰兩接箍油管平均長度m(可從油井檔案資料庫中得知)，t為接箍1到接箍2的測試時間，T為井口到液面的測試時間，C為聲速，則M管長=nd管平 C=M管長/t液面深度為H液深=C T在測試井深時，只需在B通道曲線上選取m管記，并輸入單個接箍長度，就可計算出t、C；再在測試曲線上選取h液記，就可計算出液面深度。由液面深度計算公式可知：液面深度計算的精度主要與t和M管長有關，或者說與t、n和d管平有關。因而，m管記及對應油管接箍個數n的選取是否準確，直接影響液面深度計算的準確性。2 測試系統(tǒng)的組成集成式液面監(jiān)測系統(tǒng)具有對液面深度和套壓自動監(jiān)測功能，測試數據可保存在集成式監(jiān)測系統(tǒng)存儲器中，也可通過PC機及時讀取監(jiān)測數據，在PC機上顯示數據和繪制曲線，并通過打印機打印出所需報表。集成式液面自動監(jiān)測系統(tǒng)組成示于圖9。圖9 集成式液面自動監(jiān)測系統(tǒng)組成 2.1集成式控制儀集成式控制儀是集成式液面監(jiān)測系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)要求集成式控制儀能對井口裝置進行控制，按時間表定時擊發(fā)提供聲波和對液面與套壓信號進行放大采集保存，并能隨時根據PC機所傳指令更新參數設置，便于使用者操作和隨時查看監(jiān)測數據，正確判定油井的工況。2.2井口裝置井口裝置采用W-型微音器，其輸出信號通過100m長的信號電纜進入控制儀上的濾波板，經平臺試驗能夠滿足液面測試要求。氣槍式發(fā)聲裝置用電磁閥驅動擊發(fā)桿動作產生聲脈沖，電磁閥的額定電壓為8010V，以提高擊發(fā)閥的開啟速度，增大聲脈沖的強度，改善井口波、接箍波的波形，以便控制儀進行波形識別。2.3電流互感器電流互感器是電流敏感組件，使用時安裝在控制間電泵井三相供電電源任一相上，將電泵井的強電流信號所產生磁信號變換為弱電壓信號，經放大后供集成式控制儀采集。2.4 PC機和打印機PC機是集成式液面監(jiān)測系統(tǒng)的外設備，集成式液面監(jiān)測系統(tǒng)是一種現場監(jiān)測儀器，所有監(jiān)測數據是采用循環(huán)覆蓋方式保存，PC機須定期讀取所有油井的監(jiān)測數據，而打印機是及時輸出報表上交和對PC機內所有油井監(jiān)測數據打印備份，防止PC機出現意外故障時無法調取監(jiān)測數據。3 測試要求測試工藝操作步驟：安裝井口連接器，用通訊電纜連接井口連接器和測試儀器；打開套管閥門，啟動計算機接收系統(tǒng)接收數據。測試工藝要求：井口閥門關閉嚴密，無漏氣現象；測試時保持井口原有狀況，不要改變油套連通狀況。4 現場測試結果分析在CB-B平臺對集成式液面自動監(jiān)測系統(tǒng)進行了檢驗試驗。試驗采用多井集成的方法，以檢驗該系統(tǒng)對現場集成的適應情況。選取的試驗井有CB-B4井、CB-B9井和CB-B14井。安裝集成式液面自動監(jiān)測系統(tǒng)并連接井口裝置后，控制儀先選取放氣方式測試，后選取充氣方式測試。圖10和圖11分別為CB-B9井放氣方式液面測試的開始曲線和測點曲線(套管內氣壓為0.975MPa)。表5為CB-B9井放氣方式液面測試結果。圖9 CB-B9井放氣方式液面測試開始曲線圖10 CB-B9井放氣方式液面測試測點曲線表5 CB-B9井放氣方式液面測試結果注：聲速