海上油氣井出砂監測系統現場安裝淺析

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摘要：經過前期大量室內研究及試驗，項目研制出的油氣井出砂監測系統能實現對井口出砂情況的實時監測，且能實現出砂監測結果的實時反饋。和室內試驗室條件相比，生產現場監測環境復雜，需要開發一套適用于現場復雜條件下的出砂監測系統安裝及測試方法，以便將監測系統進行大范圍應用和推廣。本項目將室內出砂監測系統應用于渤海某油田，經過現場勘查、改造、安裝和測試，總結出一套適用于生產作業現場的油氣井出砂監測系統安裝和測試方法，通過一定時間的監測，證明該套系統可以滿足復雜條件下的生產現場出砂監測，監測效果良好。

關鍵詞：有效性驗證；現場安裝；出砂監測；現場測試

0引言

油氣井生產過程中經常會出現出砂的情況，控制不當會影響油氣井的產量，嚴重時會損壞作業現場生產設備設施、甚至導致安全事故。在海洋石油資源高消費的生產情況下[1]，采用適度出砂的生產方法[2]，可提高油氣井開發效率。而采用適度出砂技術需要一種有效的出砂信號監測系統來實時監測出砂狀況[3]。本套監測系統可通過對油氣井實時出砂監測，結合現場生產作業情況，調整相關生產參數，將出砂量控制在合理范圍內，達到延長油氣井生產壽命、實現產量最大化的目標。在監測系統正式開機監測前，需采用正確的安裝方法安裝監測系統，安裝完成后對監測系統進行有效性驗證，排除現場干擾信號，使監測系統的監測結果準確可靠。

1出砂監測系統

油氣井出砂監測系統包括傳感器、低噪聲電纜、多通道數據采集儀、工作電腦、信號采集分析軟件。在監測現場用傳感器采集砂礫撞擊管壁產生的高頻振動信號，通過低噪聲電纜將信號傳輸至多通道數據采集儀，采集儀及監測軟件將監測到的信號進行濾波、信號放大、時頻分析等處理后，將處理結果實時反饋，從而達到實時監測井口出砂情況的目的。

2傳感器現場安裝

2.1安裝位置

出砂高頻振動信號是由于砂粒擁有一定的慣性在原油流動的彎頭處撞擊管壁產生的，砂粒撞擊管壁的位置一般在管道彎頭下游的兩倍管徑外側。將傳感器安裝于砂粒撞擊管壁的位置，以獲取最大的出砂信號，保證出砂監測系統的靈敏度。

2.2安裝管道預處理

安裝管道與傳感器接觸部位需保證一定的平整度，安裝前清理監測現場管道表面油污、油漆等，同時用砂紙打磨平整，保證傳感器能充分與管道接觸，同時在傳感器與管道接觸部位涂上一定量的耦合介質。

2.3安裝方式

監測傳感器用鋼制扎帶固定的方式安裝于被監測管道，目的在于使傳感器更好的接收到砂粒撞擊管壁產生的高頻振動信號。采用鋼制扎帶的優勢在于鋼制扎帶本身的重量小，降低了對傳感器接收信號的影響，同時保證傳感器以接近于剛性連接的方式與管道連接。

3低噪聲電纜安裝

低噪聲電纜一端與傳感器連接，另一端與采集儀連接。由于監測現場環境復雜，存在海水、油污、濕度大等問題，為避免各種環境因素影響接頭的信號傳輸性能，對電纜與傳感器的接頭處做密封處理，確保信號的有效傳輸。現場用703膠對接頭進行密封，同時用熱縮管對接頭進行再次密封。

4采集儀及電腦安裝

采集儀連接上低噪聲電纜后，用數據線將電腦與采集儀連接，采集儀和電腦均需電源供電。監測系統安裝完成。

5監測系統的濾波設置及有效性測試

傳感器采集到的信號經過濾波處理，除去現場的干擾信號。干擾信號包括生產作業現場的機械噪音、結構性噪音、液氣混合物噪音等。濾波設計主要分為低通、高通、帶通和帶阻4種[4]。經過現場調整設計，濾波器可除去現場干擾信號。監測系統的信號分析方法主要包括時域分析、頻域分析。時域分析研究振動大小隨時間變化的波形，頻域分析是建立在傅里葉變換基礎上的時頻變換處理[5]。在監測系統中主要體現為頻譜圖模塊、功率譜圖模塊、色譜圖模塊等，在現場正式監測前應分別對監測系統的各個模塊進行有效性驗證，確保監測結果的準確性、精確度。

5.1濾波設置

監測現場不同井口的監測環境不同，系統安裝完成后，在正式開機監測前需進行系統的濾波器設置，以防止現場其他振動信號對出砂信號的干擾。可分別采用高通、低通、帶通、帶阻4種采集模式，觀察出砂信號的頻率段分布特征，調整通帶設置，使監測系統的圖譜達到最有利于觀察出砂特征信號的狀態。

5.2頻譜圖模塊驗證

監測系統的頻譜圖模塊主要分析監測到的振動信號在不同振動頻率段的分布情況，若被監測井口有出砂情況出現，在頻譜圖中的出砂特征頻率段內會出現明顯的信號峰值。為驗證監測系統頻譜圖模塊的有效性，現場分別選取兩口出砂井和不出砂井進行監測，并與現場原油化驗結果對比。對比結果詳見表1。BZ-A1、BZ-A2現場化驗結果不含砂，對應的頻譜圖均無信號峰值，BZ-A3、BZ-A4現場化驗結果含砂，含砂量均為0.03％，含砂井口對應的頻譜圖有信號峰值，說明頻譜圖模塊能有效的對井口出砂情況進行實時監測。監測系統的頻譜圖模塊驗證完成。

5.3功率譜圖模塊驗證

功率譜圖可將采集到的信號拆分為不同頻率段的信號，并分別觀察不同頻率段信號的功率值的大小。為驗證監測系統功率譜圖模塊的有效性，現場分別選取兩口出砂井和不出砂井進行監測，并與現場原油化驗結果對比。對功率譜圖模塊進行現場驗證，驗證結果詳見表2。BZ-B1、BZ-B2現場化驗結果不含砂，對應的特征頻段功率值較小，BZ-B3、BZ-B4兩口井現場化驗結果均為含砂0.03％，對應的特征頻段功率值較大，說明監測系統的功率譜圖模塊功能正常，監測系統的功率譜圖模塊驗證完成。根據現場監測結果，不同井口的出砂特征頻率段可能不同，需根據現場實際情況確定各個井口對應的出砂特征功率段范圍。

5.4色譜圖模塊驗證

監測系統的色譜圖模塊，若井口出現出砂情況，在對應的圖譜中會有不同于背景的顏色出現。現場分別選取兩口出砂井和不出砂井進行對比驗證，驗證結果詳見表3。BZ-C1、BZ-C2化驗含砂量為0，均為不出砂井，其對應的色譜圖都沒有明顯變化，BZ-C3、BZ-C4化驗結果均為含砂量0.02％，均為出砂井，對應的色譜圖出現了不同于背景顏色的特征信號，說明色譜圖模塊能有效進行監測。色譜圖模塊驗證完成。

6結論

油氣井生產現場環境復雜，監測系統安裝過程煩瑣，影響監測結果的因素較多。為保證監測系統能有效監測到井口的出砂信號，需排除其他因素干擾。經過監測現場實際應用，總結了一套油氣井出砂監測系統現場安裝、測試方法，促進了監測技術產業化發展，為監測系統現場安裝應用提供一套完整的解決方案。（1）現場監測時可采用觀察調整法，對濾波器進行設置，使監測系統達到最有利于觀察出砂特征信號的狀態。（2）監測系統應按照傳感器、低噪聲電纜、采集儀、電腦的安裝順序安裝，需確保傳感器接觸面、各個硬件的接頭接觸良好，同時保證接頭的密封性。（3）監測軟件的各個模塊可采用對出砂井和不出砂井同時監測對比的方法來確定其有效性。（4）若監測系統監測的準確性達不到要求時，需對現場可能會影響監測結果的各個因素進行逐一排查，直至監測系統滿足現場的監測要求。

作者:張昕 方傳新 劉洋志 呂征 單位:中海油安全技術服務有限公司