（油气田开发工程专业论文）声波法测油井动液面信号辨识技术研究.pdf

1 一 r e s e a r c ho ns i g n a li d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi nl i q u i d l e v e ld e t e c t i o no fo i lw e l l su s i n ga c o u s t i cm e t h o d at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l i nl i x i n g s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gh a i w e n c o l l e g eo f p e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) r b ll ，一 1 乏 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所 取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以 标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人 或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的 说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：尘圭圣塾 日期：2 。ij 年 月7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于 其印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国 家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文， 允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：生圭至蔓z 指导教师签名：建鱼 日期：o ，年 日期：知1 ，年 石月7 日 6 月 1 3 1 鼍掣 ，鬣 | 0 摘要 油井动液面对于确定油井合理的生产制度具有重要意义。油田一般使用基于声波反 射原理的回声仪来记录反射声波信号从而获得动液面。油套环空中的状态是复杂的，声 波在其中传播反射时受到各种噪声的干扰，使液面反射波和接箍反射波不容易辨识，很 多测得的反射声波信号无法解释得到动液面。针对声波法测动液面时的问题，本文以数 字信号处理为基础，对反射声波信号进行了滤波和辨识处理。对声波法测动液面的原理 进行研究，得到了声波在油套环空中的传播模型，分析了声波法测动液面过程中噪声产 生的原因；在数字信号处理基本方法的基础上，研究数字滤波器用于滤波的原理，并设 计数字滤波器对反射声波数据进行滤波处理；研究了谱相减算法的基本原理，并用于液 面反射波数字滤波；相对于传统的傅立叶变换对信号的处理，小波变换具有多分辨率分 析的特性，适合于信号噪声的去除和奇异点的检测，将小波分析用于反射声波信号的除 噪和液面反射波的检测；根据接箍反射波具有周期性的特点，采用快速傅立叶变换的方 法计算接箍反射波的周期，得到声波在油套环空中的声速；根据液面反射波的特点，将 短时幅值及过零率函数用于液面反射波的识别，得到声波到达液面处反射时的位置，结 合接箍反射波的处理，得到动液面深度值，实现动液面深度的自动辨识。采用论文研究 的方法，对油井动液面测试声波记录数据进行处理，使得原本不易识别的波形能够清楚 地显现，得到明确的动液面反射波，采用自动辨识方法，实现了动液面自动辨识和计算。 关键词：动液面；声波法；信号处理；数字滤波；信号辨识 毫 ，一 1 l t r e s e a r c ho us i g n a li d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi nl i q u i dl e v e ld e t e c t i o no f o i lw e l l su s i n ga c o u s t i cm e t h o d l i nl i x i n g ( o u & g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gh a i w e n a b s t r a c t l i q u i dl e v e li so fg r e a ti m p o r t a n c ei nd e t e r m i n i n gr e a s o n a b l ep r o d u c t i o ns y s t e mo fo i l w e l l s t h ec o m m o n l yu s e dm e t h o di no b t a i n i n gt h el i q u i dl e v e li no i l f i e l d si st h ea c o u s t i c m e t h o db a s e do nt h er e f l e c t i o no ft h ea c o u s t i cw a v e t h es t a t u so ft h ea n n u l u sb e t w e e nt u b i n g a n dc a s i n gi sc o m p l e xa n dt h el i q u i dl e v e lr e f l e c t e dw a v ei sd i f f i c u l tt ob ei d e n t i f i e dd u et ot h e i n t e r f e r e n c eo fd i f f e r e n tk i n d so fn o i s e so nt h er e f l e c t i o no ft h ea c o u s t i cw a v e a c c o r d i n gt o t h ep r o b l e m si nl i q u i dl e v e ld e t e c t i o nu s i n ga c o u s t i cm e t h o d ，t h ea c o u s t i cw a v es i g n a lh a s b e e np r o c e s s e dt h r o u g hf i l t e r i n ga n di d e n t i f i c a t i o ni nt h i sp a p e rb a s e do nt h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g t h ep r i n c i p l eo ft h el i q u i dl e v e ld e t e c t i o nu s i n ga c o u s t i cm e t h o di ss t u d i e d ，t h e p r o p a g a t i o nm o d e lo f a c o u s t i cw a v ei nt h ea n n u l u si se s t a b l i s h e da n dt h ec a u s e so ft h en o i s e s a r ea n a l y z e d ；t h ep r i n c i p l eo ft h ed i g i t a lf i l t e ri ss t u d i e da n dt h ed i g i t a lf i l t e ri sd e s i g n e df o r f i l t e r i n gt h el i q u i dl e v e lr e f l e c t e dw a v es i g n a lo nt h eb a s i so ft h eb a s i cm e t h o d so ft h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ；t h ew a v e l e tt r a n s f o r mi ss u i t a b l ef o rn o i s ef i l t e r i n ga n dd e t e c t i o no f s i n g d a f i t yp o i n td u et oi t s c h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i - r e s o l u t i o na n a l y s i sc o m p a r i n gt ot h e 仃a d i t i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r mm e t h o d ；f a s tf o u r i e rt r a n s f o r mm e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et h e p e r i o d i c i t yo f t h ec o l l a rr e f l e e t e dw a v eo nt h ef a c tt h a tt h ec o l l a rr e f l e c t e dw a v ei sp e r i o d i c a l ， t h e nt h ev e l o c i t yo ft h ea c o u s t i cw a v ei n t h ea n n u l u si so b t a i n e d ；t h es h o r t - t i m ea m p l i t u d ea n d z e r o - c r o s s i n gm e t h o di su s e di nt h ei d e n t i f i c a t i o no f t h el i q u i dl e v e lr e f l e c t e dw a v ea c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el i q u i dl e v e lr e f l e c t e dw a v e ，a n dt h u st h el i q u i dl e v e li so b t a i n e d a u t o m a t i c a l l yc o m b i n gt h ep r o c e s so ft h ec o l l a rr e f l e c t e dw a v e t h ea c o u s t i cw a v es i g n a l w h i c hi sd i f f i c u l tt ob ei d e n t i f i e dc a nb ei d e n t i f i e de a s i l ya r e rt h ep r o c e s so ft h em e t h o d s a b o v e ，a n dt h ea u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o nm e t h o dc a nh e l pt oi m p r o v et h ea b i l i t yf o r i d e n t i f i c a t i o ns i g n i f i c a n t l ya n dc a l lb eu s e dt or e a l i z et h ea u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o na n d c a l c u l a t i o no f t h el i q u i dl e v e l k e yw o r d s ：l i q u i dl e v e l ，a c o u s t i cm e t h o d ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，d i g i t a lf i l t e r , s i g n a l i d e n t i f i c a t i o n n j q 1 ， ，加 。 目录 第1 章前言1 1 1 问题的提出一l 1 2 研究意义2 1 3 国内外研究现状3 1 4 研究内容4 1 5 技术路线4 第2 章声波法测油井动液面技术研究5 2 1 动液面、沉没度与泵效、系统效率的关系。5 2 2 回声仪测动液面技术。8 2 2 1 回声仪的结构和工作原理一9 2 2 2 液面深度计算方法1 l 2 2 3 测动液面深度的数字化处理1 3 2 3 对声波法测动液面的技术改进1 3 第3 章声波在油套环空中的传播规律1 5 3 1 声波的传播与频谱15 3 1 1 用波动方程描述声波的传播1 5 3 1 2 声波的频谱1 5 3 2 声波的反射、吸收与衰减1 7 3 2 1 声波的反射、透射等性质1 7 3 2 2 声波的吸收与衰减1 8 3 3 声波在油套环空中的传播速度2 0 3 4 声波在油套环空中的传播模型2 1 3 5 声波法测油井动液面噪声原因分析2 4 第4 章数字信号处理及声波曲线滤波2 7 4 1 用傅立叶变换对声波进行描述和处理2 7 4 1 1 信号用傅立叶级数描述o 2 7 4 1 2 信号的傅立叶变换2 8 4 1 3 接箍反射波的频谱一2 9 4 1 4 傅立叶变换的有用性质3 0 4 2 对傅立叶变换的改进3 1 4 2 1 离散信号的傅立叶分析3 1 4 2 2 离散时间信号的傅立叶变换。3 2 4 2 3 离散信号傅立叶变换的快速算法3 3 4 3 声波信号的数字滤波3 4 4 3 1 数字滤波器原理3 4 4 3 2 数字滤波器用于滤波时的设计方法3 6 4 3 3 用数字滤波器对反射声波曲线滤波3 8 4 4 利用谱减法对声波曲线滤波4 l 4 4 1 谱减法原理4 1 4 4 2 利用谱减法对液面反射波曲线滤波4 2 第5 章利用小波分析对声波信号处理一4 6 5 1 小波变换在信号处理时的引入4 6 5 1 1 傅立叶变换处理信号时的局限性：4 6 5 1 2 改进傅立叶变换用于信号处理4 6 5 2 连续和离散小波变换4 7 5 2 1 连续小波变换的定义及对信号处理的意义4 7 5 2 2 连续小波变换有用的几个性质4 9 5 2 3 离散小波变换的形式5 0 5 3 多分辨率分析的思想和小波的分解重构5 0 5 3 1 多分辨率分析的思想5 0 5 3 2 小波的分解与重构5 1 5 4 小波分析在信号处理方面的应用5 2 5 4 1 小波分析用于信号噪声去除的原理5 2 5 4 2 小波变换在油井动液面测试声波分析的应用k 。5 5 5 5 利用小波变换对反射声波曲线处理5 9 5 5 1 小波变换对声波曲线进行除噪5 9 5 5 2 小波变换用于液面反射波检测6 l 第6 章动液面测试信号的自动辨识应用分析6 4 r 。孓 ，；0r- 、 6 1 对接箍反射波利用快速傅立叶变换计算声速6 4 6 1 1 理想接箍反射波模型6 4 6 1 2 利用接箍反射波计算声速6 6 6 1 3 实例井计算与分析6 6 6 2 液面反射波的自动辨识6 8 6 2 1 利用液面反射波计算动液面深度j 6 8 6 2 2 液面反射波的识别6 9 6 2 3 实例井计算与分析j 7 1 结 论一7 5 参考文献7 6 致 射7 9 ，； ，；心p 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章前言 。 1 1 问题的提出 油田在开发初期，油井主要依靠原始地层能量，利用原始地层压力进行自喷开采。 在开采过程中，地层能量逐渐减低，油井必须依靠人工举升的方式将原油从地层举升至 地面。在利用人工举升方式进行生产的过程中，需要了解油井各方面参数，来分析判断 油井的工作情况，其中动液面深度是一个非常重要的参数。 油井动液面一般采用根据声波反射原理的回声仪测量。以往使用的回声仪都是将微 音器得到的回声波信号经过放大、滤波之后打在纸带上，然后进行人工分析解释。这种 方法会由于指针的灵敏性和外界的干扰造成分辨率低、不易辨识等问题。随着电子技术， 特别是计算机技术的发展，可以设计一定的电路，将微音器得到的回声波信号经过放大、 滤波之后经过模傲转换成为数字化信号，记录和存储在计算机上来进行分析和解释。 对测量动液面反射声波的数字化有着很多的优点。第一，经过模数转换的数字化， 信号的分辨率得到了提高，不再受到纸带分辨率差的限制。第二，计算机可以利用回声 波数据进行自动、实时处理得到油井动液面深度。第三，计算机可以经过编程实现无人 值守操作，自动对油井动液面深度进行测量，提高了安全性和工作效率。 油井动液面深度从井口到数千米不等，油井的井身轨迹并不是严格地竖直，会出现 弯曲，从而使声波传播过程中受到影响。随生产的进行，油井压力和温度都会发生变化， 井中的各种流体、固体随着温度和压力的变化而有状态和性质的变化，因此油井的油套 环空中的状态是复杂的，复杂的情况容易使动液面的测量出现一些干扰。除去油井的井 身轨迹对动液面测试的影响，油套环空中影响动液面测量的因素可以分为两类，一类是 油套环空通道形状变化的影响，如：死油帽子、稠油、泡沫油、结蜡、油管柱变径和井 身轨迹等因素的影响。另一类是噪音的影响，如：井下潜油电机转动、抽油杆运动造成 机械振动产生的噪声的影响等。 环空中出现的死油对声波法动液面测试影响严重。由于重力分异，在泵吸入口以上 充满了密度小的原油，当环空中的动液面较高时，动液面距离产出油层位置较远，温度 降低，当温度降低到原油的凝固点以下时，原油会凝固，形成一个死油帽子，用声波法 测油井动液面时，这个死油帽子会反射声波，造成真实的动液面无法辨识。 稠油井用声波法测动液面不易测准。当油井产出原油较稠时，在油套环空中的较稠 的原油会附着在油管和套管的壁上，当液面下降时，这些稠油并不能随液面的下降而回 第1 章前言 落，而是粘着在油套管壁上，在用声波法测油井动液面时，声波传播到环空中的相应位 置时，这些稠油会对声波形成反射，造成一些反射的杂波，使反射声波不容易被辨识。 泡沫油会产生假液面。从泵吸入口到液面处这一段流体柱中，原油和溶解的气体混 合在一起，这段流体柱相对来说是静止的，在随着油井生产压力下降的过程中，气体从 原油中游离出，形成一段由气体组成的低密度的流体泡沫，这种情况在高气油比的井中 很显著，这一泡沫段一般会随着套压的升高而消失。用声波法测油井动液面时，声波传 播到这一泡沫段时，会发生反射和散射，影响着真实液面反射波的辨识。 结蜡影响着声波的反射，从而使声波法测动液面时出现对液面反射波的干扰。当油 井原油较稠时，原油中的轻质组分含量较少，结晶温度就相应地较高，再加上原油中胶 质、沥青质的影响，原油很容易析出结蜡。如果油井在生产的某个阶段，动液面维持在 一个较稳定的水平，那么环空中在泵吸入口以上段的原油结晶出来的蜡就很容易附着在 油管外和套管内壁上，形成一个环状的结蜡块。随着生产过程中地层压力的不断降低和 环空中从下到上温度和压力的不断下降，原油中溶解的气体不断逸出，原油对蜡的溶解 能力下降，蜡晶体就更容易析出并附着在油套管壁上。由于上述原因造成的结蜡会附着 在油套管壁上，用声波法测油井动液面时，声波传播到油套管壁上附着有蜡晶体的位置 时，这些蜡晶体会对声波形成反射，造成一些反射的杂波，这些杂波对声波信号造成了 干扰，影响了动液面反射波的辨识。 电潜泵井使用的潜油电机一般为异步感应电机，电机在工作的过程中会产生各种振 动和噪声，主要有机械噪声，电磁噪声和通风噪声。由于电机本身机械的不平衡和轴承 的缺油松动、电刷的摩擦在电机工作工程中都会产生机械噪声，由于电流的不平衡、定 子绕组不合要求、铁芯的松动都会产生电磁噪声。虽然螺杆泵井具有产生噪声小的特点， 可以降低对周围环境的噪声干扰，但这里说的噪声是指地面产生的噪声，而当用声波法 测动液面时，井下产生的噪声不容忽视。对于螺杆泵井，螺杆泵在运行过程中，定转子 之间有一定的过盈量，转子转动时与定子的摩擦会产生噪声，抽油杆的振动以及各种井 下工具等各种不确定参数因素都对声波信号产生了干扰，各种噪声的叠加使波形异常复 杂。 1 2 研究意义 为对油井生产状况进行分析了解，油田每月至少要对各井的动液面测试一次，很多 井由于测试得到的数据或曲线无法辨识需要不断重新测定，耗费了大量的人力和物力。 有些井在不能得到动液面时只能停井对液面深度进行测试，而在停井时测得的液面深度 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 不能实时反映油井液面的变化，且对于螺杆泵井停井时会出现反转造成抽油杆脱扣及严 重的安全问题。针对液面深度测试过程中人工操作，人工判读解释，可重复操作性等问 题，将声波信号数字化，并用计算机对信号进行分析存储可以更准确地得到油井液面深 度的值。对数字信号进行处理，减小或消除外界噪声信号的影响，使有用的声波信号显 现出来，易于识别或实现自动识别，能够更为方便、准确地得到液面深度值。 1 3 国内外研究现状 、 j n m c c o y 和d i e t e rb e c k e r 论述了液面深度测试仪器的发展，结构组成， 工作原理，信号的记录和解释。在现有仪器基础上，利用现代模拟数字技术获取记录 反射波，研究了一种新的声波测液面的仪器。该双通道仪器在低频率通道记录液面波的 波形，在第二通道用自动增益控制记录接箍波的波形【1 1 。反射声波信号的频率取决于初 始脉冲，传播距离，变化断面的类型和压力等。在井口部位的接箍反射波具有高频能量， 深部的接箍回波具有中等频率能量，在液面处反射波具有较低频率的能量。该双频道微 处理器控制记录仪提供了更精确的声学液面深度测量方法，微处理器控制的自动接箍和 液面放大增益使操作更加简单，双频道仪器使操作者可以同时分析接箍和液面反射波， 提高了深度测量的精度。 由于各种噪声波干扰，使得反射声波信号经常淹没在所测数据中，造成难以辨认或 根本无法辨认的情况。在声波信号的处理方法上，国内外很多学者注重了利用接箍反射 波获取声波速度的研究，提出了短时自相关函数【2 】( a c f ) 、短时平均幅度差函数 t 3 j ( a m d f ) 、人工神经网络等方法来研究接箍反射波的周期进而计算声波在油套环空中 的传播速度，得到了较好的效果。例如吴新杰利用了神经网络的可训练识别的特点对信 号进行处理【4 】，把在套管环空中传播的理想声波反射信号作为输入样本来训练神经网络， 训练完成后把用回声仪实际测试到的反射声波信号输入到已经训练好的神经网络中，对 接箍反射声波进行识别，可以从受到各种噪声影响的接箍反射波中识别出在接箍处反射 声波的位置。 对液面反射波的辨识和处理是获取动液面深度的另一个重要的内容，但在这方面的 研究较少，主要有张朝晖研究的对液面反射波采用的低通椭圆滤波器滤波的方法【5 1 ，吴 新杰等研究的分形模糊控制滤波的方法等。张朝晖将低通椭圆滤波器用于液面反射波滤 波，将液面反射波信号中的高频成分去除，使波形清楚，得到液面反射波的位置，随着 分形学的发展，有些学者根据分形理论，利用模糊控制滤波方法 6 1 ，在确定分形维数之 后，对分形模糊控制的参数进行调整，利用自回归过滤对信号进行滤波处理，能够得到 3 第1 章前言 好的滤除效果。 总之，对声波法测动液面信号辨识技术虽然取得了一定的进展，能够对一些受到噪 声干扰的反射声波信号进行辨识和处理，但在实际应用中不同井因状况不同处理结果会 有所不同，特别是对液面反射波的辨识和处理效果不够理想。 1 4 研究内容 ( 1 ) 收集国内外相关研究成果技术资料，分析油井液面深度检测研究的发展现状及存 在的问题，提出本论文的研究方案。对油井液面深度检测方法进行研究，寻求更准确液 面深度检测的方法。 ( 2 ) 研究声波法测动液面的工作原理，油井生产及环空结构对声波法测液面的影响， 声波在油套环空中的传播规律。 ( 3 ) 研究声波法测动液面数据处理方法，包括液面反射波的自动辨识方法、滤除干扰 杂波的方法。对数字信号处理方法进行研究，研究对声波信号时域、频域进行分析方法。 ( 4 ) 对油田现场测量数据进行采集、分析，编算法程序，利用采集的数据进行波形辨 识处理，得到油井动液面深度值。 ( 5 ) 对现场油井测试应用。 1 5 技术路线 根据油田现场应用油井测试技术，制定技术路线如下： ( 1 ) 熟悉现场应用的测试仪器的结构和原理。 ( 2 ) 研究复杂环空井噪声特点、产生原因及其在声波法在测液面深度时影响。 ( 3 ) 深入分析研究声波数字信号处理方法，液面反射波辨识方法。 ( 4 ) 至l j 油田现场进行数据采集，对数据进行分析处理。 ( 5 ) 对现场不同条件的油井进行测试应用，分析适用性、稳定性、准确性和可重复操 作性。 4 专 、 气 ， 一t 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 第2 章声波法测油井动液面技术研究 在油田的开发过程中，对于不同的油藏地质条件，在不同的生产阶段，油井有着不 同的能量驱动方式，如刚性水驱、气顶气驱等。油藏的各种边界条件，开发的方式都使 得能量驱动方式发生着各种变化。油井在投入生产以后，各种能量不断转换、传递，井 底流压反映了油层流体到达井底所具有的能量，也随着生产时间而不断变化。为了满足 配产的要求，分析油井的生产能力，实现效益的最大化，生产的最优化，需要对井底压 力进行测量。 为了获取井底压力，可以通过下入井下仪表的方法对井底压力进行直接测量，但这 种方法需要取出抽油泵和抽油杆，不仅工作量大，而且在这一过程中井底压力已经发生 了变化，得到的不是关井初期的压力，不能实现实时测量。在油井的生产过程中，液面 的变化可以反映井底压力的变化，在已知套压、液面深度、油层中部深度和流体物性的 条件下，通过液柱高度计算就可以得到井底压力，因此油井产量与液面深度有着密切关 系。 2 1 动液面、沉没度与泵效、系统效率的关系 动液面和沉没度对泵效有着重要的影响。一般情况下认为增大沉没度可以提高泵 效，但不能为了得到很高的泵效而不断加深泵挂深度，增大沉没度。卢建平探讨了利用 统计和曲线拟合的方法对不同含水率的油井给出了泵效与沉没度之间的关系曲线【7 】。从 图2 - 1 中可以看到，在沉没度相对较低时，增大沉没度可以显著地提高泵效，泵效能够 提高的主要原因是：在较低的沉没度下，泵入口压力较小，进入泵内的流体含气较高， 气液比较大，沉没度的增大能够减小气液比，提高泵的充满程度。随着沉没度的增大， 泵效的提高幅度减缓，沉没度对泵效的影响减弱，当沉没度达到一定值时，再提高沉没 度，对泵效的增加作用不大了，泵效稳定在了一个固定的水平，这时较高的沉没度会带 来悬点载荷过大等问题j 由此可见，沉没度并不是越大越好，应该确定合理的沉没度。 动液面和沉没度对机械采油的系统效率有重要影响。机械采油的系统效率是指采油 系统中用于举升液体所消耗的有用功率与系统运行时的输入功率之比。抽油机井在一定 的机一杆一泵的配合下，存在一个合理的沉没度，如果沉没度过大，抽油泵下泵位置太深， 需要的抽油杆柱长度就会增大，抽油杆柱长度的增加会产生两方面的后果，一方面冲程 损失会因此而增大，泵效降低；另一方面，加到悬点上的载荷增加，为系统正常运行提 供的输入功率会相应增加，系统的耗电量增大。此时，系统为提升液体所提供的有用功 5 第2 苹声波法测油井动 夜面技术研冗 率没有提高，所以综合来看，系统效率会有所降低。另一种情况，沉没度太低时，由于 沉没压力太低而使抽油泵的充满程度降低，泵效也因此太低，系统为提升液体所提供的 有用功率会下降，综合起来，系统效率会因此降低。所以，沉没度在一定值时是合理的， 系统效率在这个沉没度下时可以达到最高。机械采油的系统效率与沉没度的关系如图 2 2 。 鋈 较 聪 1 0 0 0 沉没度m 图2 - 1 泵效与沉没度关系曲线 f i 9 2 - 1 t h er e l a t i o n s h i pc u r v eo fp u m pe f f i c i e n c ya n ds u b m e r g e n c ed e p t h 鋈 较 聪 沉没度m 图2 - 2 系统效率与沉没度关系曲线 f i 9 2 - 2 t h er e l a t i o n s h i pc u r v eo fs y s t e me f f i c i e n c ya n ds u b m e r g e n c ed e p t h 在分析动液面和沉没度对采油系统影响时另一个要考虑到的问题是其对系统安全 稳定生产、设备的正常运行的影响。这主要指的是对抽油杆的受力状况的影响。随着生 产的进行，动液面深度发生变化后抽油杆受力状态发生了变化，抽油杆的疲劳损坏及正 常连接状况受到影响，设备的正常运行会因此受到影响。特别是对于地面驱动螺杆泵井， 动液面高度的变化将直接导致抽油杆柱的负载扭矩发生剧烈的变化，例如动液面的突然 6 0 - 0 0 5 o 1 0 0 3 2 2 l l 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 降低，抽油杆柱的负载扭矩急剧减小，会出现脱扣的问题。 由此可以看到，油井产量和动液面，机械采油和动液面都有着密切的关系。油井动 液面深度体现了地层向油井供液的能力与油井当前生产状况的匹配情况，需要根据动液 面深度来确定合理的生产抽吸参数，以及合理的油井工作制度。在油井生产的过程中， 需要得到油井动液面深度来随时地监控油井生产过程，动态地分析油层供液能力与生产 设备之间的协调适应性。在动态地根据生产状况调整生产参数后，可以最大化地发挥油 层的潜能，根据生产要求既能得到尽可能的油井产量，又能延长油井具有工业可开采价 值的寿命，经济效益能够得到最优化。综上可以知道，得到准确的油井动液面深度对油 井生产具有直接而重要的意义。 在进行下泵深度的优化设计时，应该综合考虑到机杆泵的影响，以提高系统效率、 达到最优化的经济效益为目标，进行合理下泵深度和沉没度的确定。合理下泵深度确定 的过程如图2 3 。 图2 - 3 下泵深度确定过程 f i 9 2 - 3 t h ed e t e r m i n i n gp r o c e s so fs u b m e r g e n c ed e p t h 根据测得的动液面数据解释分析得到准确的动液面深度和泵的沉没度后，利用这些 数据及时调整生产参数对优化生产具有重要意义。为满足数字化油田对实时调整控制的 要求，可以安装自动测定动液面和自动调整抽油设备生产参数的装置，设计自动控制系 统来进行对于实时调整控制。 可以设计这样的控制系统：设定最佳的沉没度，利用测得的动液面深度判断沉没度 7 第2 章声波法测油井动液面技术研究 是否在合理的沉没度范围之内，根据实际沉没度与设定沉没度的关系，调整抽油设备生 产参数。对于抽油机井，当实际沉没度小于设定沉没度时，调整无级变速器减小电动机 转速降低抽油机的冲次，当实际沉没度大于设定沉没度时，调整无级变速器减小电动机 转速提高抽油机的冲次，调整参数后，再次测量动液面，直到使实际沉没度符合设定的 最佳沉没度为止。对于螺杆泵井 9 1 ，根据测得的动液面值，将实际沉没度与设定沉没度 进行比较，调整变频器频率，进而调整螺杆泵转速、排量，得到新的抽吸状态，重新测 量动液面，使实际沉没度等于设定的最佳沉没度。根据动液面深度对抽油机井和螺杆泵 井进行参数自动调整控制的流程如图2 4 和图2 5 所示。 图2 - 4 抽油机井参数调整过程 f i 9 2 4 t h ep a r a m e t e ra d j u s t m e n tp r o c e s so fp u m p i n gu n i t s 图2 5 螺杆泵井参数调整过程 f i 9 2 5 t h ep a r a m e t e ra d j u s t m e n tp r o c e s so fp c pw e l l 2 2 回声仪测动液面技术 为了得到准确的动液面深度和井底压力的值，除有了下压力计的方法，很多学者还 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 研究了物质平衡法【l o l 、用示功图计算1 1 1 等间接方法。本文讨论的用声波法进行油井液面 深度检测是在2 0 世纪3 0 年代发展起来的一种方法，由于操作简单实用，在油井的液面 深度检测中得到了广泛的应用。用回声仪的声波法测液面深度是目前油田常用的方法， 该方法是通过记录油套环形空间中声波信号来进行动液面测量的。用回声仪测试动液 面，主要有三种计算方法：音速法、接箍法、音标法，其中音标法已逐步被淘汰。在实 际应用时通常使用双频道回声仪，一个低频通道用来记录液面波信号来计算液面深度， 另一个高频通道用来记录接箍波来计算声波在油套环空中的传播速度。 2 2 1 回声仪的结构和工作原理 图2 - 6 油井结构图 f i 9 2 - 6 t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fo i lw e l l 用回声仪测试动液面方法是油田常用的方法，目前现场中最常应用的是连接在井口 的双频道回声仪，在实际测量过程中，为了不干扰油井中的抽油杆，通常把测量仪连接 到油井油管、套管的环形空间处，如图2 - 6 。回声仪的井口装置主要由井口连接装置和 信号记录装置组成。 井口连接装置与套管四通处连接，主要由存放枪弹的子弹容受器、存放微音器的微 音器组件、排空连接器内气体的放气阀等主要部件组成。信号记录装置由电源、微音器、 滤波电路、处理器等连接而成，用于记录反射声波。 当扣动扳机，声弹被击发会产生一个高强度的声波脉冲，回声仪中的电路会将该波 形记录下来，声弹击发时产生的波形在声波记录曲线上称为井口波。 根据声波的反射原理，声波当遇到障碍物时会发生反射而向原来相反的方向传播。 9 第2 章声波法测油井动液面技术研究 油管是由许多节长度基本一致的油管连接而成，在两节油管的连接处存在向外凸出的接 箍，使油套环空的截面积发生变化。回声仪的声波发生装置产生声波后，声波沿着油套 环空向下传播，当遇到油管接箍时，一部分会反射向上传播，剩余的声波能量在到达液 面的时候反射向上传播，反射声波在井口处被回声仪微音器接收，并将反射声波转化为 电信号，电信号经放大，再经检流器分别将接箍反射波的高频和液面反射波的低频以曲 线的形式记录下来，可以以纸带的形式，也有数字化记录的方式。在声波记录曲线上记 录的从油管接箍位置反射到井口并被记录的声波波形称为接箍波，到达液面即原油与气 体接触面处反射的波形，称为液面波，也指需要辨识的液面位置。对液面波位置的定位 辨识，通过计算可以得到油井动液面深度。回声仪的工作原理如图2 7 所示。 图2 - 7 回声仪工作原理图 f i 9 2 - 7t h ef u n c t i o n a ld i a g r a mo fe c h o m e t e r 双频道回声仪记录声波信号时，两条记录曲线分别是低频记录曲线和高频记录曲 线，它们分别记录了液面处的反射声波和接箍处的反射声波，因此，也称液面反射波曲 线和接箍反射波曲线。由井口枪弹击发的声波信号是含有各种频率成分的，但随着声波 向较远的地方传播，声波的幅值会有衰减。声波衰减的大小与声波所包含的频率相关， 高频率的波衰减的更快，幅值会随着距离的增大很快地减小，因此，双频道回声仪中的 高频记录曲线只能记录离井口不远的数个接箍反射波；而低频率的波衰减的相对较慢， 幅值会随着距离的增大衰减不明显，因此，双频道回声仪中的低频记录曲线可以记录到 液面处的反射声波。液面反射波曲线记录液面和其他一些较大障碍物的反射波，当声波 达到液面处时发生反射，表现在声波记录曲线上为一个大的幅值变化。接箍反射波曲线 记录声波到达油管接箍处的反射波，由于油管长度相同，声波在两接箍间传播的时间相 同，因此接箍反射波曲线具有周期性。回声仪记录曲线中的接箍反射波曲线和液面反射 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 波曲线如图2 8 所示，图中的横坐标是采样序列( 由于是等时间采样，相当于时间) ，纵 坐标为声波幅度。如果将图2 8 中的接箍反射波曲线中的前1 2 0 0 个数据点放大，可以 清楚地看到接箍反射波的周期性和衰减性。 f i 9 2 - 8 t h er e c o r d i n gc u r v eo fe c h o m e t e r 卫i 9 2 。9 t h ec o l l a rr e f l e c t e dw a v ec u r v e 2 2 2 液面深度计算方法 在图2 8 中，上下两条声波记录曲线分别为接箍反射波曲线和液面反射波曲线。人 工根据声波记录曲线对动液面深度进行解释的过程如下：由接箍波曲线可以看到曲线有 数个波峰和波谷，这是不同接箍对声波反射的结果，通过这些峰值之间的距离( 接箍波 长度) 和油管长度可得到声波传播速度，再根据液面波长度可算得液面深度。在实际计 算中，由于接箍反射波和液面反射波的比例关系，可以不计算声速，而是利用接箍波和 液面波长度之间的关系，通过比例得到动液面的深度值。 第2 章声波法测油井动液面技术研究 首先，根据接箍反射波曲线，从上面取出1 0 个清晰可辨的接箍反射波形，如果是 纸带形式的，用直尺量出这1 0 个波形之间的距离为丘，如果是数字化的可以根据其数 据点的情况进行相应的转换。 图2 1 0 接箍反射波曲线 f i 9 2 - 1 0 t h ec o l l a rr e f l e c t e dw a v ec u r v e 在液面反射波曲线上，找到波形幅度改变较大的位置，该位置就是声波达到液面进 行反射的位置。从记录到的井口波到液面反射波的距离就是液面波的长度0 。 f i z z 。1 1 t h el i q u i dl e v e lr e f l e c t e dw a v ec u r v e 在假设声波在环空中传播速度不变的条件下，记录波形中由记录波形进行液面深度 计算可以采用比例方法，即液面深度液面波长度= 接箍长度接箍波长度。因此，可得 到液面深度计算公式为： d ：毕( 2 - 1 ) k 式中，三，为液面波长度，o r e ：丘为接箍波长度，o m ：厶为油管长度，m 。 实际解释计算中，如果出现接箍波无法辨识的情况，可以取一个合适的声波传播速 度v 进行计算，计算公式为 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 d = 等 = l r 2 幼 式中，v 为声音在油套环空之间中的传播速度，m s ；v o 为仪器的走纸速度，c m s 。 2 2