砾石填充含砂量及注液量自动测量技术研究.pdf

石油仪器
PETROLEUM INSTRUMENIS
2013年8月
方法研究?
砾石填充含砂量及注液量自动测量技术研究
马鹏飞1余雪见2
(1.中原石油勘探局地球物理劫探公司河南濮阳)(2.西安石油大学映西西安)
摘要:文章针对油井现场作业过程中,注砂量和注液量测量精度差、自动化程度低的情况,展开了基于超声波方法测
流量的技术研究。文中对砂粒的运动规律与管壁的碰撞效应、传感器技术、信号处理技术等关键技术进行了讨论,利用非
接触式超声波测量方法,研究了一套砾石填充过程中含砂量及注液量自动监测系统。通过现场试验,确定了测量方法的可
行性,系统操作筒单方便,测量精度达到了油国的要求
关犍词:流量测量;砾石填充;超声波探头
中图法分类号:TP273
文献标识码:B
文章编号:1004-9134(2013)04-0048-03
超声波传感器采用非接触式测量方式,对含砂量和总
引言
流量进行监测。超声波传感器包括含砂监测传感器和
我国很多油田的开采都进入了中后期,防砂、治
超声多普勒传感器,其中多普勒传感器用于监测注入
砂成为油气生产井面临的关键问题,但是防砂、治砂水与注入秒的总流量,含砂检测传感器测量含砂量
工艺效果及含砂量的实时监测是多年来国内外的技术整体研究方案如图1所示
难题。国外油井防砂技术研究比较早,最初采用限产
的办法来防止油井出砂,直至1932年砾石填充的方
监测技术研究
法的实施,目前国外油井防砂方面的技术主要是机械
砂检测传感器「多普勒传感器
防砂,约占防砂作业的90%。在国内机械防砂(砾石
填充防砂)也是目前常用的防砂技术之一。这种从机
携砂比、含砂量)(瞬时流速、流量
械防砂的原理和其工作过程可知,其工艺和测试结果
主要是依据经验进行比对分析,还没有一套直接的测
滤波放大技术
量技术来评价防砂效果。针对这一现状,本课题开展
检测电路设计
了基于超声波传感器的流量实时监测技术研究,包括
对注砂量及注液量的实时监测。研究过程中,本课题
数据采集分析处理
采用超声波非接触式流量的检测方法,这一方法可以
尽量少的改变安装管道,探头在管道外壁安装,维修
数采卡电路设计「软件设i
方使。论文中通过对砂粒的运动规律与管壁的碰撞效
计算机
应、超声波传感器技术、信号处理技术等关键技术进
行了分析,研究了一套砾石填充过程中含砂量及注液
图1整体研究方案
量自动监测系统,实现了砾石填充过程中含砂量及注
液量的实时监测。而且通过室内试验和现场试验,验
文中提到的测量部件全部采用非接触式测量方
证了此方法的可行性,达到了研究目的
式,即在管道外壁上安装含砂检测传感器和超声波多
普勒传感器.含砂传感器一般安装在弯管1/4管径处,
砾石填充含砂量及注液量的测量方法24流量测量传感器一般安装在其下方直管径处,如图2,
图3所示,两者都是顺着液体流向进行安装的。这样
整个系统的研究过程中涉及到了超声波传感器,安装的优点是:可以尽量少的改变安装管道,不直接
信号处理电路,滤波电路,采集軟件程序等内容。本接触流体,无压力损失,维修方便
文对于砾石填充含砂量监测技术的研究,主要是通过
第一作者简介:马鹏飞、男,1985年生,助理丁程师,2007年毕业于西安石油大学电子信息工程、现工作于中原石油勘探局地球物理劫探公司
主要从事地球物理探工作。
2013年第27卷第4期
马鹏飞等:砾石填充含砂量及注液量自动测量技术研究
S=Km, y2
(2)
式(2)中y=QA,m=M△t=m-2,K=Ck2.Q
是流体的质量流量,A为流体的横截面积,M是在△
时间内通过探测器的总的砂粒质量。如果,Q=wA
m=m/Q公式(2)可写成如下形式
S=KAM
(3)
从而可以算出携砂量
图2含砂监测传感器的安装
=
v2 KO
(4)
根据上式,可以对其进行时间积分,计算出一段
时间内的累积携砂量:
M
K,2
dt
2
「sa
式(5)中M是在(1-12)>△内的出砂质量,Q
是流体速率常数(当是常数或接近常数)。
图3流量监测传感器的安装
3多普勒流量测量方法
2注砂量实时监测理论模型
超声波多普勒流量计是利用声波在流体中传播的
多普勒效应研制成的流量测试装置。该装置安装于被
含砂信号检測传感器的基本功能是能感受液体中测管道的外侧,不接触被测流体,不干扰流体的流
砂粒碰撞管壁引起的振动信号,并将其转换成电荷与动,无压力损失,维修方便,特别适用于有毒、有
电压信号。砂粒撞击输油管壁而产生的信号是一种连害、有腐蚀性和带有磨料的液体。该装置分辨率高,
续的随机尖峰脉冲式振动信号,该信号的频率范围在对流体的压力、粘度、温度、密度及导电率等因素不
几十千赫兹到几百千赫兹,为超声波频带范围,且信敏感,没有零点漂移问题。因此,该类仪表在流量测
号的大小与流体的流速,砂粒浓度和砂粒的尺寸有量、企业管理及流量监测与控制中具有广阔的应用前
关。当流体的流速、砂粒浓度、砂粒尺寸都比较大景,也非常适用于油气田开采中管道流量的测量。
时,产生的含砂信号幅值很强;当流体流速、砂粒浓
超声波多普勒流量测量的一个必要的条件是:被
度、砂粒尺寸都比较小时,产生的含砂信号很弱。但测流体介质应是含有一定数量能反射声波的固体粒子
是在流速非常小的情况下,即使砂粒很大,含砂信号或气泡等介质。在本课题中,实验的介质刚好是两相
都很弱甚至没有信号产生,这是由于在流速很低时,流,液体和固体(水和砂粒),非常适合用超声波多
砂粒会出现砂沉积的现象,所以砂粒撞击管壁的几率普勒进行测量。
就很少,以至于测得的信号很微弱或者无信号
在实际管道中,接收换能器所接收的信号是所有
通过上面对传感器安装及信号产生的原理分析,反射粒子的多普勒频移的平均值△f。管道任意截面
将通过检测传感器计算含砂量的理论模型做了如下分上流体的流速分布是不均匀的,都具有速度梯度,从
析。设m是第i个固体颗粒的质量,它小于流体的质而造成多普勒频移Δ/不能正确反映平均流速所代表
量。传感器输出的平均峰峰值电压(信号强度)与砂的流量值,将带来流量测量误差。因此,流量公式中
粒撞击管壁产生的振动动能的有效时间变化率有关,引人流速修正系数K,以补偿上述原因所带来的测量
其关系如下:
误差。多普勒超声波流量计的实用流量公式为
taマVて
Q
△f
2kc0s0 /
式(1)中S是平均信号强度(平均峰峰值电压);
由上述流量方程可知,知道超声波在声楔中的传
m是第个固体颗粒的有效质量;是第个固体颗粒的播速度、管道横截面积s、超声波東与流体流向之间
速度;n是在Δ时间内撞击探测器管壁的砂粒数量;△r夹角、超声波发射频率及流速修正系数K,测量出
是观测时间周期;c是比例常数。
平均多普勒频移Δf,就可以计算得到流体体积流量Q
由于砂粒撞击输油管壁产生动能的大小与管道中4信号处理技术及滤波
流体的流量、流速以及流体的横截面积有关,因此可
对公式(1)进行简化
信号处理与分析软件技术是由目前应用最广泛、<