SLB产液(气)剖面测量技术

动态监测技术李峰一、概述油田生产开发阶段的动态监测工作主要是指利用测井和试井的方法直接或间接地测量出油水井有关的地质参数、生产参数、井下技术状况以及各种参数的动态变化情况等，根据测量到的有关数据和图表，综合判断油水井生产动态，为油田开发提供第一手资料。

油藏动态监测资料是进行生产开发不可或缺的依据之一。

1964年Clavier,C提出了生产测井的概念，1973年Schlumberger公司出版了《生产测井资料解释》一书，从此有了生产测井这个名字。

按照现今有关学者的分类，生产测井只是开发测井的一部分，而开发测井不仅包括套管井的监测，而且还包括水淹层的识别、剩余油饱和度的确定以及孔隙度的确定。

目前油田进入二、三次采油阶段，判断产层水淹情况，寻找漏掉的产层，确定井的生产、注入剖面，了解井下工程技术状况等亟待解决，开发测井可为开发方案以及井的维修提供相关的资料。

试井技术是进行油、气、水等流体矿藏描述、评价及其生产动态监测的重要手段。

试井技术已从简单的地层压力推算发展到能够比较全面的认识油、气藏内部岩石与流体的特性、储层产能和井筒状况。

目前与岩芯分析和测井解释结果相比，试井得到的有关地层参数代表更大范围内的平均值，它实施简单，成本低廉。

通过近几年的发展，尤其在油田领导的大力支持下，油田动态监测技术取得了长足的发展，其服务领域基本涵盖了试井和开发测井。

二、开发测井测技术所谓测井是指将测试仪器下入井孔中，测量有关地层和井眼的物理和化学信息，根据测井信息，评价储（产）层岩性、物性、含油性、生产能力、注入能力、生产动态、注入动态及固井质量、射孔质量、套管质量、井下作业效果等等。

按方法分，测井主要有电法测井、声波测井、核（放射性）测井、磁测井、热测井、化学测井等；按完井方式分有裸眼井测井和套管井测井；按开采阶段分可将测井分为勘探测井和开发测井。

1、生产动态测井为提高采收率，采用向油层注入水、化学聚合物、热蒸汽等排驱采油技术。

目录一、生产测井概述二、吸水剖面测井三、吸水剖面测井资料处理与解释四、产出剖面测井介绍五、井内流体的流动特性六、自喷井〔气举井〕产出剖面测井七、抽油井环空测井八、产出剖面测井资料的应用一、生产测井概述1、测井概念地球物理测井〔简称测井〕是应用地球物理学的一个分支，它是应用物理学方法原理，采用电子仪器测量井筒内信息的技术学科。

它所应用到知识包括：物理学、电子学、信息学、地质工程、石油工程等。

它的最大特点是知识含量高、技术运用新。

测井解释的目的就是把各种测井信息转化为地质或工程信息。

如果把测井的数据采集看成是一个正演过程，测井解释就是一个反演过程。

因此，测井解释存在着多解性〔允许解释出现不同的结果，允许出现解释失误！〕，也就存在着解释符合率的问题。

2、测井分类按照油气勘探开发过程，油田测井可分为两大类：油气勘探阶段的勘探测井〔又称为裸眼井测井〕和油气开发阶段的开发测井〔又称为套管井测井〕。

裸眼测井主要是为了发现和评价油气层的储集性质及生产能力。

套管井测井主要是为了监视和分析油气层的开发动态及生产状况。

勘探测井吸水剖面测井测井生产动态测井开发测井油层监视测井产出剖面测井钻采工程测井3、生产测井油田开发测井技术是由生产动态测井、油层监视测井和钻采工程测井三局部组成。

我们主要讨论开发测井中的生产测井，也就是两个剖面测井。

在油层投入生产以后，其管理对采收率影响很大。

如是分层开采，还是合层开采？是分层注水，还是笼统注水？油井投产后，各生产层段产量是多少，是否到达了预期的产量？要否需要进行措施改造？这些问题对采收率都有着极其重要的影响。

充分利用好生产测井资料能为提高采收率提供很大的帮助。

它能够解决以下问题：(1)生产井的产出剖面，确定各小层产液性质和产量。

(2)注水井的吸水剖面，确定各小层的相对吸水和绝对吸水量。

(3)掌握生产井的水浸和漏失情况。

(4)了解各层压力的消耗情况。

(5)及时掌握强吸水层〔主力吸水层、“贼层〞〕的吸水状况，防止出现单层突进的现象。

采油井动态液面测量技术浅析发布时间：2021-06-23T17:31:48.197Z 来源：《基层建设》2021年第8期作者：马怡丽沈立君魏婧[导读] 摘要：油井停产之后，会出现一系列的续流状况。

长庆油田分公司第五采油厂冯地坑采油作业区陕西西安 710201摘要：油井停产之后，会出现一系列的续流状况。

在单位时间内，地层将继续出液，维持液面。

流体性质、地层性质、生产层压力等直接影响到液面的恢复速度、液面恢复状况等。

通过对采油井液面恢复资料的判断，可以得到液面恢复的相应指数。

这有利于进行采油井液面深度的测量。

关键词：液面深度；测量精度；密度计算1 油井动态液面测量的发展状况随着社会经济的发展，油井动态液面测量技术体系不断完善。

但在当下油藏动态分析环节中，依旧缺乏油井产液状况及液面发展状况的评价方法，采取各种方法提高液面评价油井的运作效率，就其运作参数展开调整，满足液面深度测量工作要求。

在这个过程中，比较常见的设备为液面自动监测仪。

随着油田开发难度的不断提高，因此，需要应用相应的操作技术。

油井动态液面测量技术的不断应用，声波测量法体系不断完善，这种方法利用声波在空气内遇到障碍物反射的原理，脉冲信号遇到油面等障碍物时，反射脉冲产生，根据信号及时间可以得到液面的深度。

目前，油井液位的测试技术体系不断完善，但在实际应用中，依旧存在干扰信号方面的问题，不利于提高测量的精确度，需要不断优化科学性的方法，不断提高油井液面深度的精确度。

2 油井动态液面测量的各类技术及设备声波测距方法日益完善，可以在非常恶劣的抽油井环境中，利用声信号在套管与油管间传播，从而进行深度测量。

其测距的精确度受到油管状况、抽油节等等的影响。

由于抽油节箍的存在，传播煤质的横截面发生变化，也会影响到声波的反射。

为了使声波顺利到达抽油井管内的液面，需要保持充足的能量让声波反射到接收器上。

在测量井过程中，需要应用各类测试方法，升级声波发射器及接收器，不仅仅要增大声波发射率，也要分析这类低频声波的传播形式。

0引言土库曼斯坦阿姆河右岸巴格德雷合同区块气田是中国石油集团公司在海外投资运行的大型天然气项目，是中国中亚天然气管线项目的气源地。

地理位置上，气田位于土库曼斯坦东部与乌兹别克斯坦边界附近，位于阿姆河与乌兹别克边境之间，面积约1.8万km 2。

地表为沙漠以及半沙漠，部分位于阿姆河绿洲。

构造背景依托阿姆河盆地。

工区面积较大，已经发现的许多大中型气田。

土库曼斯坦阿姆河A 区萨曼杰佩气田气田已经开发多年，生产时间已久，各种开发问题逐渐显现，单井之间生产的相互矛盾，地层之间的压力矛盾，井底积液对产层的制约等；而B 区作为新开发区块，自从2014年投产以来，很多井表现开发初期生产稳定，但是地层压力下降速度较快，出水量逐年提高，找水、治水迫在眉睫。

PLT 产气剖面测井技术作为油气田开发监测和分析的重要手段，在土库曼阿姆河右岸气田A、B 区实际生产开发中发挥了重要的作用，为后期的很多工程提供了宝贵的参考数据。

1测井仪器目前，在阿姆河气田进行的产气剖面测井主要为Sondex 测井设备，除了包含地面设备，还有井下仪器。

PLT 一次下井可以获得7个参数[1]：流量、流体密度、持水率、温度、压力、自然伽马和磁定位，产气剖面测井组合仪结构示意图见图1。

流量计能够精确测量管柱中心的流体方向和速度。

流量计的工作原理是把经过管子截面的流体线性运动变成涡轮的旋转运动。

当流体的流量超过某一数值后，涡轮的转速同流速成线性关系，记录涡轮的转速,便可推算流体的流量。

温度测井可以提供井底流体温度，并计算井下流体属性。

电阻温度计采用桥式电路，利用不同金属材料电阻元件的温度系数差异，间接求出温度的变化。

石英压力计用来精确计算井底压力，以及不同深度和不同流速状态下的流体压力。

流体密度计记录管柱中心流体的密度，测量结果对于识别井内流体的类型以及流动状态都有重要应用。

密度测井采用压差密度计，利用两个一定距离的压敏波纹管，测量井筒内流体两点间的压力差值，测出的压力梯度正比于流体密度。

随钻测井(LWD)技术及应用 WZ11-1 N宋菊 随钻测量技术 Apr-16-20091 Initials 4/18/2009主要内容随钻测井简介 VISION Scope 作业要点环境随钻测井影响2 Initials 4/18/2009随钻测井仪器振共磁核电缆测井仪器CMRproVISION sonicVISION StethoScope TeleScope随钻测井可以实现 的测井项目侧向电阻率 电磁波传播电阻率DSIPeriScope seismicVISIONgeoVISION Xceed/Vortex3 Initials 4/18/2009谱获俘、马格西、规常EcoScope试测力压层地 像成率阻电 率阻电向侧波声MDT岩性密度 光电指数 中子孔隙度PEx元素俘获，自然伽马 声波 地层压力 俘获截面 核磁 地层界面 图像AIT ECSHRLS随钻测井能够完成几乎全部测井项目FMI97%以上的随钻测井不再需要重复电缆测井 以上的随钻测井不再需要重复电缆测井传达独立的地层评价电缆测井 随钻测井97%以上的随钻测井不需要重复 相同项目的电缆测井4 Initials 4/18/2009随钻测井的价值决策决策/ 决策/ 产量储层增产地质导向增 值 方 向地层产能和渗透性储层产能 储层评价R Φ R Φ R Φ MR,孔隙度, 饱和度, 岩性, 孔隙度 饱和度 岩性 流体西格马实 时 数 据 构造随钻测井服务 Φ地 元 地层元素 地 元 地 元Rt Rxo孔 密度 隙 光电 度 指数ΦISO向 导 质 质 质 质 地 地 地 地流度 流 流 流e e e PermV地层信息Sc op e实时测井 EcoScopeGVR (RAB) ARC ADN马 伽马 伽马 伽马能谱pe co riS Pe e op Sc tho SteN ISIO ProVSonic VISIONTe le测量工具实时可视化感应 电阻 率侧向 电阻 率试 试 试 测试 力 力 力 压力 层 层 层 地层振 振 振 共振 核 核磁测 测 测 测 探 探 探 探 界 界 界 界 边 层 地 地 地 地西格马中子密度波 声波 声波 声波成像遥 测实时解释LWD测量的项目 测量的项目测量项目5 Initials 4/18/2009随钻测井的优势随钻的测井服务， 随钻的测井服务，并独立进行地层评价 更及时、 更及时、更真实地反映原状地层信息 提供增值服务：优化钻井、 提供增值服务：优化钻井、无源测井和地质导向 省去常规电缆测井， 省去常规电缆测井，提高钻井项目时效198819891990199219931994199619971998199920002001200220052007 2009补偿系列6 Initials 4/18/2009VISION系列SCOPE系列随钻测井的优势测点紧跟钻头，空井时间最短在地层改变之前 在井眼破坏前 在钻井液入侵前 时间决定解释方位性随钻测井方位性测量 井眼成像7 Initials 4/18/2009VISION 系列随钻测井技术arcVISION 感应电阻率– Multiple Depth Resistivity/GRgeoVISION 侧向电阻率– Laterolog & at-bit resistivity/GR/imagingadnVISION 方位中子密度– Density/Neutron/Caliper/ImagingproVISION 随钻核磁共振– Magnetic ResonancesonicVISION 随钻声波– Compressional dtseismicVISION 随钻地震– Seismic While Drilling8 Initials 4/18/2009SCOPE 系列随钻测井技术TeleScope 超高速实时传输– MORE data, delivered FASTER, while drilling – 8-1/2” to 36” hole sizeEcoScope 多功能随钻测井– Multi-function Logging While Drilling – 8-1/2” hole sizesStethoScope 随钻测压– Accurate pressure measurements while drilling – 8-1/2” to 12 1/4” hole sizePeriScope 15 随钻方位性地层边界测量– Directional Deep Measurements – 8-1/2” hole size，6”hole size9 Initials 4/18/2009Ga s O ilW a te r10 Initials 4/18/2009Azimuthal Density Neutron (ADN)Azimuthal Density NeutronADNPowerPulseARC or GVRPowerPak or PowerDrive12 InitialsadnVISIONStabilized or Slick Options13 Initials 4/18/2009平均密度 Vs. 方位性密度扶正器的作用 平均密度可用，但不是最佳 针对standoff(探测器与井壁 间距）的密度校正密度测量 一大进步 在井眼严重扩径或者井壁过 于粗糙情况下，密度校正精 度会降低 ☺引进方位性密度测量， 很好的保证了密度测量的准确性！ 引进方位性密度测量， 很好的保证了密度测量的准确性！14 Initials 4/18/2009密度测量使用方向性测量的优势解决地层各向异性问题 (带扶正器工具) 增加测量的准确性(带或者不带扶正器)井眼扩径问题 侵入的问题能够获得密度成像资料两个磁力计保证成像以及方向性密度能够很好在方位上定位15 Initials 4/18/2009ADN8 随钻测井作业要点无扶正器的ADN8在12 ¼”井眼数据质量问题在低井斜(< 20 deg井斜),滑动与粘卡时, 无扶正器的 ADN8不能提供准确的地层密度测量使用有扶正器的SADN8 重测滑动井段或使用旋转导向(气层有侵入,重测显示油 层) 提供IDD处理 盲区-调整方位, 3-5度16 Initials 4/18/2009ADN8 粘卡-钻速不稳,岩屑沉积- 遇阻17 Initials 4/18/2009ADN and Wireline Log ComparisonADN accuracy agrees with wireline if hole condition is goodADN is better if hole enlarges after drilling18 Initials电阻率工具介绍和应用电阻率工具的类型感应电阻率工具 arcVISION - Array Resistivity CompensatedIMPulse – MWD with GR & 2 MHz Resistivity ARC 3/6/8/9 – GR & 2 MHz and 400 kHz侧向电阻率工具 geoVISION – Resistivity At the BitGVR 6 & 8 – Bit Resistivity, Azimuthal GR, Buttons Resistivity20 Initials21 Initials 4/18/2009ARRAY RESISTIVITY TOOL ARCarcVISION 感应电阻率工具Plateau GR sensor Phase Shift and Attenuation measurements Simultaneous acquisition 2-MHz and 400-kHz frequencies Borehole compensation Multiple depths of investigation22 Initials 4/18/2009ARC 2 MHz Resistivity Transforms23 Initials 4/18/2009电阻率ARCWizard处理方法 处理方法 电阻率Dielectric Invasion Anisotropy EccentricityWizard ProcessingBorehole Shoulder Tool Failure处理是基于仪器的测井响应特征加上一定的测井解释可能性约束来进行的 通过一维反演做出全井段的环境影响识别和校正 给出反演后的地层电阻率 从而给出可靠的地层解释24 Initials 4/18/2009LWD的特殊曲线响应：极化角效应25 Initials 4/18/2009Interpretation Summary26 Initials 4/18/2009Interpretation Summary27 Initials 4/18/2009ARC Phase Shift Resistivity28 Initials 4/18/2009ARC Phase & Attenuation Resistivity resistive invasion29 Initials 4/18/2009随钻测井LWD在直井或者小斜度井中 在直井或者小斜度井中 随钻测井快速解释时不需要考虑极化角效应； 快速解释一般不需要考虑边界效应； 井眼影响，泥浆侵入，各向异性等都可以通过反演来 分析； 需要特别注意井眼状况对中子密度仪器的影响；30 Initials 4/18/2009电阻率曲线为什么会分开?Invasion泥浆侵入 Anisotropy各向异性 Polarization horns边界极化效应 Geometry effects倾角的影响31 Initials 4/18/2009Curve Separation电阻率曲线的分离32 Initials 4/18/2009Polarization Horns 极化角33 Initials 4/18/200934 Initials 4/18/2009Multidepth Resistivity三种深度的纽扣电阻率35 Initials 4/18/2009geoVISION 侧向电阻率适用于高导电性泥浆环境 提供包括钻头，环形电极以及3 个方位聚焦纽扣电极的电阻率 高分辨率侧向测井减小了邻层的影响 钻头电阻率提供实时下套管和取心点的选择 三个方位纽扣电极提供三种深度的微电阻率随钻成像，可解决复 杂的解释问题 实时图像被传输到地面可识别构造倾角和裂缝，以更好地进行地 质导向 实时方向性伽马测量36 Initials 4/18/2009GVR钻头电阻率测量确定完钻、取芯等 钻头电阻率测量确定完钻、 钻头电阻率测量确定完钻测量原理：头接 端上选可仪器末端几英寸和钻头一起作 为发射电极，测量点为该电极 的中点，实现理论上的钻头电 阻率测量 应用： 油基泥浆也可用 实时准确选择下套管深度， 更好地避免钻井风险 确定取芯等实时地质决策STOP钻头电极37 Initials 4/18/2009点 量测率 阻电头钻 膛阀浮 器 感传方下 器正 扶的换 更可场现 马 伽性向方 极电环 焦聚括包 器 感传间中器 感传方上池电GVR Images Improve Drilling DecisionsShallow38 Initials 4/18/2009MediumDeep侧向电阻率成像工具GVR识别裂缝 识别裂缝 侧向电阻率成像工具电缆测井和随钻测井成像对比 FMI GVR纵向分辨率：电缆FMI优于GVR 井眼覆盖率：GVR优于电缆FMI适用于水基泥浆环境 三个方位纽扣电极提供三种深度的微电阻率随钻成像 ，可解决复杂的解释问题 实时图像被传输到地面可识别构造倾角和裂缝，以更 好地进行地质导向和其它地质决策39 Initials 4/18/2009GeoVision Resistivity 侧向电阻率Azimunthal resistivity electrode Ring resistivity electrode Azimunthal gamma ray Bit resistivity electrode5 individual resistivity measurements & Gamma Ray Bit resistivity - the bit used as a measure electrode Ring resistivity - a cylindrical electrode provides a focused lateral resistivity Button resistivity - azimuthally focused electrodes provide 3 depths of investigation Azimuthal gamma ray for steering40 Initials 4/18/2009Bit Resistivity钻头电阻率41 Initials 4/18/2009Resistivity At Bit Application钻头电阻率的应用42 Initials 4/18/2009Ring Measurement 环形电阻率43 Initials 4/18/2009SCOPE 系列随钻测井技术TeleScope 超高速实时传输– MORE data, delivered FASTER, while drilling – 8-1/2” to 36” hole sizeEcoScope 多功能随钻测井– Multi-function Logging While Drilling – 8-1/2” hole sizesStethoScope 随钻测压– Accurate pressure measurements while drilling – 8-1/2” to 12 1/4” hole sizePeriScope 15 随钻方位性地层边界测量– Directional Deep Measurements – 8-1/2” hole size，6”hole size45 Initials 4/18/2009TeleScope – 超高速实时传输当今石油工业中最快 速和稳定的工具 (> 100 bps) 多样的实时测量传输 ，更快的机械钻速proVISION sonicVISION StethoScope TeleScope为苛刻和复杂的钻井 环境设计– – –EcoScope seismicVISION geoVISION Xceed– –46 Initials 4/18/2009高温高压 灵活的钻具组合 自然伽马和连续的 井斜方位 三轴震动测量 井底钻压和粘滑指 数用于钻井优化Advanced Interpretation Using EcoScope MeasurementsEcoScope提供先进的测井解释 提供先进的测井解释 提供先进的测井Removal of Chemical Nuclear Sources• AmBe + Cs sources • Both must be run adnVISION48 Initials 4/18/2009• Cs source • Optional EcoScope• SourcelessEcoScopeEcoScope – 多功能随钻测井多功能随钻测井仪：安全的结合钻井和地层评价传 感器于一体。

第20卷 第5期2007年5月传感技术学报CHINESE JO URNAL OF S ENSO RS AND ACTU ATORSVol.20 No.5May.2007Research on Measurement of Dynamic Level in the O i-l WellZH A N G Zhao -hui *,GON G Zhi -qian,CH I J ian -nan,ZH AN G H ong -y u(S chool of I nf ormation Eng ine ering ,Unive rsity of S cience and T echnolog y Beij ing ,Be ij ing 100083,China)Abstract:A m ethod to measure the dy nam ic level in the oil w ell w ith screw pump is provided.Shar p soundw av es produced at the w ell mouth transmit along the w ell hole and are reflected as reaching the oi-l g as in -terface.T he paper fo cuses its main wo rk on so und signal pr ocessing and reco gnition of echoes.The co rre -spo nding filter s are designed according to the features of the no ises in the system.T he sound speed in com -pressed natural gas is obtained by analyzing the echoes from the jo int hoo ps,the echo from the oi-l g as in -terface is automatically recog nized in the so ftw are,and the depth of the w ell can be o btained.Finally,the measurem ent erro r is also analyzed.For the reference depth of 993.77m ,the maxim um er ror is 23.33m.Key words:dynamic m easurement;level o f oil w ell;echo w ave;sig nal pr ocess;w ave recog nition;oil w ellw ith screw pump EEACC :7210;7220采油井动态液面测量技术研究张朝晖1*,弓志谦,迟健男,张红宇(北京科技大学信息工程学院,北京100083)收稿日期:2006-06-29 修改日期:2006-08-04摘 要:针对螺杆泵采油井,提出了一种动态液面的测量方法.在自动触发的短间隔声脉冲回波测量系统中,重点研究了声波信号处理和波形自动识别.分析了测量系统中的噪声规律,设计出相应的滤波器,利用统计方法分析接箍回波时差,得出声波在套管环隙内的传播速度,并自动识别出液面回波,计算出液面深度.最后理论分析了该方法所能达到的测量精度.在参考液面993.77米下,最大误差23.33米.关键词:动态测量;油井液面;声回波;信号处理;波形识别;螺杆泵油井中图分类号:TE938.5文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2007)05-1180-04在油田开采中,油井动态液面是反映地质储量、优化生产规划、保证采油设备安全运行的重要参数.特别是近几年来,螺杆泵因其能耗低、泵效高、占地面积小、适应高含砂井和稠油开采等技术优势,越来越受到我国主力油田的青睐.然而,螺杆泵极容易在抽空、干摩擦下损坏,因此需要在液面实时监控下运行.推广螺杆泵,就必须解决油井的动态液面测量问题.当前油田使用的井深测量仪器均由人工操作、人工信号判读,不能自动重复进行,所以无法测量动态液面.动态液面的自动测量问题涉及声源、检波、信号判读三个环节的自动化.在我们已经成功地解决前两个问题的基础上,本文重点介绍信号的自动判读问题.很多人研究了油井液面测量过程中的信号处理和自动判读问题[1-6],但大都针对梁式抽油机或抽油机停运的情况.相对而言,螺杆泵运行过程会产生更大功率、复杂频谱的噪声.本文针对螺杆泵运行下的自动测量问题,深入研究了信号处理、波形判读和液面计算的全过程.1 液面测量原理1.1 回波式液面测量原理油田井深一般在1km 到5km 之间.传统的液面测量技术采用了脉冲声波回波法:以声弹作为声源,靠火药的爆炸产生声波脉冲,通过油管与套管之间环隙中的压缩天然气向井下传播.整根油管由上百个管段和接箍拼接而成,接箍之间的距离,即管段的长度,是确定和已知的.声波在传播过程中,每遇到一个接箍就会产生一个小的回波;最后到达液面会反射一个强的回波.安装在井口的检波器接收到大量的回波,经过转换放大、滤波处理之后显示波形,由人工识别各个波形的种类.根据声脉冲到达油井液面之前被接箍反射的数目以及油管接箍的平均间距,计算出油井液面的深度.1.2 动态液面测量原理为了测量动态液面,本文针对螺杆泵油井采用了如下结构,见图1所示.测量系统主要由声波自动发生装置、检波器和波形处理装置等三部分构成.在恰当的声波自动发生前提下,动态液面测量主要取决于回波信号的准确、自动识别.采用微处理器控制发射声波,同时由检波器提取声波信号并转化为电信号,经调理、放大、A/D 采样转换后进入微处理器.在微处理器内,通过软件实现滤波、图形识别和数据计算,转换为一系列相关参数,最终将结果显示在LCD 上.系统结构框图如图2.图1 螺杆泵油井测量示意图 图2 系统测量原理框图系统核心处理部分采用S3C44B0X 微处理器,外扩A/D 转换芯片.其强大的32位数据处理能力为繁杂的运算处理提供有力的保证.操作系统采用源码开放的L CLinux ,便于系统的软件升级和设备的功能扩展.1.3 螺杆泵噪声分析如图3所示,单螺杆泵是一种内啮合偏心回转的容积泵.泵的主要构件包括一根单头螺旋的转子和一个用弹性材料制成的具有双关螺旋的定子.当转子在定子型腔内绕定子的轴线作行星回转时,转、定子之间形成的密闭腔就沿转子螺线方向上产生位移;如此将原油连续、匀速而且容积恒定地从吸入口压到出口.螺杆泵的主要特点是流量均匀,压力稳定,体积小,结构简单,维修方便,尤其适合高粘度和含颗粒介质.图3 螺杆泵结构示意图1-泵壳;2-衬套;3-螺杆;4-偏心连轴节;5-中间传动轴;6-密封装置;7-井向止推轴承;8-普通连轴节在采用螺杆泵的油井套管环隙内,噪声源主要包括三类.一类是随定子橡胶性质、定/转子过盈量和泵的转速等因素而产生的准周期性机械传动噪声.它本身在套管环隙内上下传播.另一类是牵引螺杆泵工作的电机产生的电磁噪声、机械噪声和轴承噪声,会沿着轴承和抽油杆进入套管环隙.这两类噪声见图4的/无信号段0所示.由于这部分噪声都与电机的转动有关,所以在频谱上所占的范围较窄,且电磁噪声呈毛刺状周期性地叠加在其中.第三类是天然气在套管环隙内高速流动而产生的摩擦噪声,可以认为是白噪声,所具有的能量较小.图4 液面回波信号波形2 液面信号分析2.1 声速的确定固定油管和套管的接箍间距9.8~10米,所以完全可以在回波曲线上找出一段比较均匀的接箍回波,根据接箍回波的频率,求出声波在油井中的传播速度[7].由图4可以看出尽管有很强的干扰噪声,仍然有两次非常明显的液面回波信号出现,其中叠加了各个接箍的反射回波信号和噪声,使波形显得异常复杂,为此首先采用了一个低通椭圆滤波器.从多次试验看,噪声频带均高于30H z,故设计其性能指标为:采样频率:F s =500H z通带:0F f F 27H z,A p =1dB 阻带:30H z<f ,A s =40dB1181第5期张朝晖,弓志谦等:采油井动态液面测量技术研究通带截止频率:8c =2P f c =2P @27=54P r ad/s 阻带截止频率:8s =2P f s =2P @30=60P rad/s 此时,可以计算得到[8]滤波器阶次N > 5.85,取滤波器阶数N =6.参照M atlab 中ellipap(N,A p ,A s )函数设计低通椭圆滤波器,对图4信号进行滤波,结果如图5所示.观察波形可以发现,信号中的高频成分被滤掉,波形大大简化,液面回波突现出来.图5 滤波后液面回波信号波形但是,图5中的接箍回波并不明显.考虑到声波信号在传播中逐渐减弱,因此选择从发射到出现第一次液面回波之间的声波信号作为研究对象.从机理上看,两个接箍间距l 0=9.8~10米,声速范围大约是300~500米/秒,由此估计接箍回波的频率大约在15-26H z 之间.实际上,从它的FFT 频谱图(图6)可以看出,回波信号频谱在20H z 附近确实存在一个突出的尖峰,所以可以认定这个范围之内的声波就是接箍回波信号.采用一个6阶巴特沃兹带通滤波器,滤波后的波形如图7所示,可见接箍回波更为明显.图6 回波信号的傅里叶变换针对图7中这段信号中的接箍回波进行研究,编程分析该段的2400个采样点,识别出接箍回波峰值点94个.对这94个相邻峰值点的间距进行统计,统计直方图见图8.由图中可以看出,相邻两个峰值点间距最小是18,最大是33,而出现频率较多的点在25~27之间.之所以出现这个分布是因为油井中的声波速度跟天然气压力、温度等因素有关.在深达几千米的套图7二次滤波后接箍回波信号波形图8 峰值点间距点数统计直方图管内,天然气压力、温度分布并不均匀,故声波的传播速度不是恒值.统计这组数据,均值x =1n E nixi=25.8370标准差为s =1n -1E ni=1(x i -x )2=1.6460(1)已知采样率F s =500H z ,接箍间距l 0=9.8m ,可得平均声速v =l 0@2x @1/F s=379.3m/s(2)2.2 回波时差及液面深度上面得到了当前工况下环隙间天然气中的平均声速v.从图4可以看出,在发射声波和第一次回波处都有一个明显的尖峰脉冲.根据这两个位置斜率的变化规律,首先利用大步长对发射波和液面回波粗略定位;然后在这两个位置附近分别用小步长进行细致的分析,以确定发射声波和液面回波的确切位置,进而得到声波返回的准确时差.这种粗略分析与细致分析相结合的方法,能够避免液面回波与接箍回波的混淆.若测试方案不同,液面回波可能是正波形也可能是负波形.如果为负波形,需要将其变为等幅度的正波形.见图5,程序统计出发射波与第一次液面回波的间距M =2620个采样点,因此回波时差t =M /F s =5.24s(3)根据前面得到的平均声速,可知油井液面深度H =v @t/2=993.77m(4)1182传 感 技 术 学 报2007年2.3液面测量精度分析结合式(2)和式(3)可得出液面深度的计算公式H=l0#Mx(5)其中M)发射波至液面回波之间的采样点数x)相邻接箍回波之间的采样点数l0)接箍间距,典型值为9.8m从式(5)看,液面测量过程受到液面回波采样点数、接箍回波采样点数和接箍间距等因素影响.误差传递关系为e=9H9l0#$l0+9H9M#$M+9H9x#$x=Mx#$l0+l0x#$M+l0#Mx2#$x(6)式中$l0表示接箍间距误差,典型情况下$l0=?0.1;采样点数M的算法识别误差$M=1.采样点数x的误差$x比较复杂,从图8看x的分布符合正态规律.在有限次测量中用s代替R,则(x-E(x))/s服从t分布,在置信度为95%下的误差$x=t a2#f#sn.本试验中取A=0.05,统计n的次数为93,故自由度f=93-1=92.查t分布表得t0.025,92=1.9861,由前面知s=1.6460,所以$x=1.9861@1.646093=0.3390(7)因此,深度测量的误差e=262026@0.1+9.826@1+9.8#2620262@0.3390=23.33m(8)本误差能够达到实用要求.鉴于目前的技术和测试装备尚难以获得油井液面的真实值,对本测量方法的评价只能依靠重复性和与参考值的对照.在对某井的5次试验中,最大重复性误差为8.5m;与传统的人工测量结果相比较,最大差值为20.5m.该结果完全满足采油工艺的需求.3结论本文针对当前我国油田推广高效螺杆泵后遇到的油井动态液面测量问题,在大量现场试验并吸取传统测量方法优点的基础上,研究了液面自动测量算法,并设计出采用32位处理器的动态液面测量仪器.该仪器已在不同地质区块的螺杆泵井上进行了测试,已经完全能够取代人工静态液面测量,我们将进一步用于螺杆采油泵的自动控制、自动保护运行.参考文献:[1]何顺昌,王茂.基于小波变换的油井油液面深检测[J].仪器仪表学报,2005,26(4):378.[2]孟开元,庄贵林,曹庆年.提取抽油井回音信号中液位值的方法[J].测井技术,2001,25(1):28.[3]吴新杰,张建成,王鲁川等.基于分形模糊控制滤波处理油井液面深度信号的方法[J].传感技术学报,2000,3(1):29.[4]徐爱钧,邬春学,李华贵.一种基于PC机的抽油井液面自动监测仪[J].测井技术,1994,18(4):270.[5]de Sa Neto,Abelardo;Grader,Abraham S(NUPET RO).Ech o-M eter Buildu p T ests:Th e Effects of Fluid H ydraulics an d T hermodynam ics[C]//Proceedings of SPE566171999: 267-278.[6]Jiao,Wenhua;Qu,Yancheng;Zhang,Naitong.Ap plicationof Wavelet in M easurin g th e Depth of Oil W ell[C]//Proceed-ings of ICSP'98on S ignal Processin g,1998,2:1585-1588. [7]Boija,S.;Nilss on. B..Reflection of Soun d at Area Ex pan-sions in a Flow Du ct[J].Journal of S ound and Vibration, 2003,260:477-98.[8]薛年喜.M atLab在数字信号处理中的应用[M].北京:清华大学出版社,2004,25(12):18.张朝晖(1965-),男,北京科技大学信息工程学院,教授,博导,研究方向为冶金、石化领域中基于信号处理的新型检测方法;太赫兹波检测技术;嵌入式测量仪器,zhangzhaohui@.1183第5期张朝晖,弓志谦等:采油井动态液面测量技术研究。