液面监测技术调研

液面监测仪得调研

井漏就是钻井工程中常见得复杂事故，对钻井工作危害极大。井漏发生后需

要尽快准确地确定漏失层得位置，以便及时采取有效得堵漏措施，保证钻井生产

继续正常进行。因此，漏失层位置测定方法与仪器得研究，对复杂地质条件下得钻

井生产有十分重要得意义。通过对国内外用于漏层位置测量得仪器得调研，根据

传输方式分成以下三种类型测漏仪。

一、电缆式

1工作原理与性能参数

1、1工作原理

测量时流量计以分流方式工作，全井流量得大部分由旁通短节上得旁通孔

（见图1）进入流量计外部与保护筒内壁之间得环形空间，在这里流体作切割磁力

线运动，经7端承托接推流出保护外筒。一小部分由保护筒外阻流环与井壁间得

间隙流过，采用电磁流量传感器来测定沿井筒各点钻井液漏失流量得大小，传感

器测得得流速与全井平均流速成对应关系。仪器将数据量化、放大处理后，送给

电缆遥传系统得井下部分（称为遥传短节）。遥传短节对数据进行编码、调制、放

大等处理，通过电缆送到地面。电缆遥传系统得地面部分（位于地面数据采集系统

中）接收到信号后，进行放大、滤波、解调、解码等处理，通过相应得配套软件实

时地绘制出流量随井深变化得曲线，通过分析曲线而精确地获取漏失得层位（见

图2）«

井下测漏仪仪器电路分为4个部分：电源管理模块、电磁流量计激励电路及

信号调理模块、压力温度信号检测模块、信号采集模块。电源管理模块提供井下

电路各部分所需电源，并控制各电路得节电工作模式切换。电磁流量计激励电路

及信号调理模块主要负责激励信号得产生与驱动，并检测出传感器电极上得电压,

经放大、整形后处理成标准方波信号，提供给信号采集模块。压力温度信号检测

模块测量压力、温度2种参数，经信号检测、放大、处理，转换成方波信号输出到

信号采集模块。

图1测漏仪装置结构

1一旁通短节；2一旁通孔;3—悬挂器；4一阻流环；5一上扶正器；6—测量段;7—电池筒；2一下

扶正器;9—保护外筒；10一下端承托接箍

I----------------------------------------------------------1

地面

遥测模块

数据

采集（调制解调）

系统

电缆

参数测量高速

电

缆

遥

调制解调传

仪器总线控制

井下测漏仪

图2井下测漏仪总体系统组成

1、2性能参数

测漏仪得工作温度不大于125℃,最大耐压60MPa,启动排量1m3/d,最大排量

1200m3/d,连续测量时间11h,采样周期为10s,仪器接口标准为RS232。

2遥传系统设计思路

高速遥传系统应完成得功能有：地面及井下得数据通信（主要就是数据得整

理、编码、调制解调、解码等）；对井下仪器总线;井下仪器工作在1553总线上）

得控制，通过地面仪（采用VME总线通信）得控制组织下井仪器工作、遥传系统得

自检等。因此，高速遥传系统分为地面与井下2个部分，通过电缆连起来。遥传系

统得地面部分称为遥传模块，包括VME总线接口、地面调制解调器部分、电缆驱

动等。高速遥传系统得井下部分称为遥传短节，包括井下电缆接口、井下调制解

调器部分、电缆驱动等。调制解调器负责通过电缆得数据传输，就是遥传系统数

据通信得关键所在：遥传短节中得井下仪器总线控制器通过井下仪器接口控制各

下井仪器得工作，为了满足测井仪器得实时工作要求以及系统得向下兼容性，遥

传系统采用半双工工作方式。

遥传模块与成像地面仪之间通过VME总线进行■数据交换。VME总线就是目前

世界上实时数据采集系统应用最广泛得系统总线，其最大特点就是数据传输速率

高、支持能力强、抗宸、抗腐蚀性等能力明显优于其她总线。

3接口电路设计要求

在单片机控制步进电机工作时，接口部分必须有下列功能。

(1)电压隔离。因为单片机就是在5V得低压下工作，而步进电机就是在几十

甚至一百多伏得高压下工作，一旦步进电机得电压窜到单片机部分，则会引起单

片机得损坏；或者步进电机部分得有关信号干扰单片机，也会引起系统工作故障，

因此，接口部分应能把单片机与步进电机回路隔离开来。

(2)信息传递。接口部件应能把单片机得控制信息传递给步进电机回路。

(3)产生工作所需得控制信息。对应于不同得工作方式,接口部件应能产生相

应得工作控制电压波形。

(4)产生工作所需售不同频率。为了使步进电机以不同得速度工作，以适应不

同得目得，接口部件应能产生不同得工作频率。

4小结

测漏仪主要针对高温高压条件下深井、超深井钻井作业得需要研制，同时还

可应用于油田分层注水流量得测定等。其检测部分为一整体部件，不会出现卡、

堵等问题，特别适合测量固、液两相介质，且量程范围大，测量精度高，测量数据由

配套软件进行处理，自动生成图形。

二、声纳式

1声纳环空液面监测仪工作原理及优势

原理：声纳环空液面监测仪就是测试井内液面动态得仪器，它采用便携式非

爆炸(气压枪)作为动力源，用预先准备得氮气瓶里得氮气做动力，采用计算机定

时(每隔1-2min)控制井下液面监测仪发出声纳脉冲波，脉冲波通过环空传至井

谀差柏度分析

T一平均法(B)一•一E纳/M)

图3钻具不转动分析图

显然在这种工况下，由所测得得4个点误差分析表明其测试结果具有很高得

精度(误差值远远小于1%);二种计算方法得误差差别不大，显示仪器工作状态正

常。

表2钻具转动试脸数据

实测液曲

起砧理论液实测液而深

序起知面深度度”•均长度次深度储声误差

长度

V柱数%波速度法A%

1ml(m)法B曲线)(m)

曲线Mm)

128828251009498142773I0L40-0455

233953391187612190-264311990-0959

361176L2321719214201376216780188

481231Q51279002836-16482814-0860

5X32387622X49128601-038628556-02281

69326681130S6730902-109530878-1017

71143295213527035620-09X935492-0635

误差精度分析

:一平均法（B）-J纳法（A）

图4钻具转动分析图

表3钻具转动30rpm试验数据

实测液而

序起钻,理论液实测液而深

误差深度强声误差

口炫粕长度面深度度（平均长度

号柱数.%波速度法A%

1ml（m）法B曲线）（m）

曲线）（m）

14011551014245136634085138782576

24011551014245138372闷14415-1193

3401155101424514477-16214521-1937

4140幽554078239934207541065-0693

51404048554078240L10164741371-1444

误差精偿分析

t-邛J声”

图5钻具转动30rpm分析图

误差分析表明：整体误差较小（最大不到3%），仪器在此工况下仍然具有高精

度；声纳速度法得误差比平均长度法喀小，超声波法具有更高得精度；在钻柱运动

过程中对超声波得监点（确定液面所在接箍位置）判断需辅助工程人员经验能提

高测试精度；两种方法计算得差别误差不大，显示仪器在这样得工况下仍然运作

良好。

表4钻具转动60rpm试验数据

实测液面

起砧理论液实测液皿深

序起钻误差深度（超声误差

氏度而深度度（平均长度

V柱薮%波速度法A%

•m）（m）法B曲线）（m）

曲线）（m）

140))5510)424513554485014756-1587

2401155101424514294-•034314546-2IB

31404048554078239896217241523-1816

41404048554078240079172341326-1333

51404048554078241357-■140941523-1816

图6钻具转动60rpm分析图

在转动过程中噪音对测试结果有较为明显影响，使其第一点得测试误差值达

到4%（气枪压力为500psi）为了更好得监测、过滤波形提采用高了气枪压力

（WOOpsi）.重新设定现场温度等参数值，其测试结果精度得到提高；分析表明仪

器仍然具有良好得工作性能。在提高转速得工况下噪音得影响加强测试结果误差

升高（近5%）为克服咦音得影响将压力提高到（1200psi）得到很好得精度（2%左

右）；超声波法（仪器使用得方法）具有更高精度。

小结：

（1）声纳环空液面监测仪、实现无线监测，测试深度得到大大提高（最深达到

4000m）o

（2）声纳环空液面监测仪得应用为压力敏感性强、安全密度窗口窄、钻井过

程中溢、漏频繁发生律施工增加了一双“井下观察得眼睛”，在井下液面监测过

程中，通过调整灌入泥浆量与灌入泥浆得密度，可使井下压井泥浆处于动平衡状

态中确保井下安全。

(3)声纳环空液面监测仪得应用为井下漏失状态下得各种特殊作业提供了可

能性。其能保证了电测得安全性，对于井漏严重或敏感性地层，可以进行放射性、

成像、常规全套电测，避免了因考虑井下安全而放弃电测。不仅大幅度降低了成

本，更重要得就是最大程度地满足了测井得需要。

(4)声纳环空液面监测仪还可扩展应用到钻进时得溢流、井漏实时监测与报

警，确保在第一时间对流流、井漏情况作出准确得预报，为堵漏作业以提高堵漏成

功率提供强力保证。

声纳环空液面监测仪就是一种高科技得井下液面实时监测仪器，克服有线监

测得不足，能够实时反映井下液面得高度与变化情况，为井漏层位得确定提供精

确得数据保障；为井控安全保提供障技术，既可保证井挖安全，又能节约泥浆，减

少复杂事故处理时间，就是一项生产现场急需、应用效果好、值得推广得可广泛

应用于钻井、完井与试修作业得实用新技术。

三、集成式

1工作原理

液面测试采用回声测深原理：井口装置上得电磁阀击发机构按照设定得程序

受控定时发声，由微音器将井下接箍及液面反射波转换为电信号，经滤波放大后，

由A/D转换器进入单片机识别处理，获得液面深度数据，完成液面测试功能。

图7为集成式液面自动监测系统结构示意图

发声装置发出一个声脉冲，声脉冲沿着油井沟套环空向井下传播，当遇到油

管接箍、音标与液面等障碍物时，产生回波，反射波由微音器接收，经电路放大、

滤波、A/D转换后，上传到PC机，并绘制成液面曲线。声速直接影响液面测试得

精度，其大小主要取决于气体得成分，其次就是压力与温度。在油井油套环空中，

套管口与液面得压差就就是套管环形空间内气柱得压差，其值与套管口得套压相

比，一般很小，况且当气体成分一定、温度变化一定时，随压力得增加，声速增加量

很小。因此，套管内上下部由于压力变化而引起程声速变化一般可以忽略。套管

内气体得成分不同，声速也不相同。油井气体中甲烷所占得比例较大，声波由井口

传播到井下又反射到井口，对于间隔为9.6m得接箍，声波来回得传播距离就就是

19.2m,假如接箍波时间间隔为0、048s,可算得声速为400m/s,再利用声速与液面

波就可以算得液面深度。液面深度计算方法为：在测试曲线上确定声波得起始点，

选择B通道曲线上较清晰得接箱达(只要按箍反射波能辨别，长度尽可能选得长

一些)，再确定测试曲线上液面波得起始点。

图8液面深度计算示意图

图8为液面深度计算示意图，其中：H液深为计算得液面深度(m);M管长为选

取得接箍1到接籁2得油管实际长度(ni);h液记为从测试曲线上量得得井口波到

液面波得长度(mm);ma记为从测试曲线上量得得由选取得接箍1到接箍2得长度

(mm)o

设n为在测试曲线上(B通道曲线)选取得油管接箍个数，d管平为选取得由接

箍1到接箍2之间相邻两接箍油管平均长度rn(可从油井档案资料库中得知)，I

为接箍1到接箍2得测试时间，T为井口到液面得测试时间，C为声速，则

M管长二nd管牛C—M管长/t

液面深度为

H液深二CT

在测试井深时，只需在B通道曲线上选取m近,并输入单个接箍长度，就可计

算出t、C;再在测试曲线上选取h隆％就可计算出液面深度。

由液面深度计算公式可知：液面深度计算得精度主要与t与有关，或者说

与t、n与d”有关。因而，m.暂记及对应油管接箍个数n得选取就是否准确，直接

影响液面深度计算得准确性。

2测试系统得组成

集成式液面监测系统具有对液面深度与套压自动监测功能,测试数据可保存

在集成式监测系统存储器中，也可通过PC机及时读取监测数据，在PC机上显示数

据与绘制曲线，并通过打印机打印出所需报表。集成式液面自动监测系统组成示

于图9。

图9集成式液面自动监测系统组成

2、1集成式控制仪

集成式控制仪就是集成式液面监测系统得核心。系统要求集成式控制仪能对

井口装置进行控制，按时间表定时击发提供声波与对液面与套压信号进行放大采

集保存，并能随时根据PC机所传指令更新参数设匿，便于使用者操作与随时查瞧

监测数据，正确判定油井得工况。

2、2井口装置

井口装置采用W-II型微音器，其输出信号通过100m长得信号电缆进入控制

仪上得滤波板，经平台试脸能够满足液而测试要求。气枪式发声装置用电磁阀驱

动击发杆动作产生声脉冲，电磁阀得额定电压为80±10V,以提高击发阀得开启

速度，赠大声脉冲得强度，改善井口波、接箍波得波形，以便控制仪进行波形识别。

2、3电流互感器

电流互感器就是电流敏感组件，使用时安装在控制间业泵井三相供电电源任

一相上，将电泵井得强电流信号所产生磁信号变换为弱电压信号，经放大后供集

成式控制仪采集。

2、4PC机与打印机

PC机就是集成式液面监测系统得外设备，集成式液面监测系统就是一种现

场监测仪器，所有监测数据就是采用循环覆盖方式保存，PC机须定期读取所有油

井得监测数据，而打印机就是及时输出报表上交与对PC机内所有油井监测数据

打印备份，防止PC机出现意外故障时无法调取监测数据。

3测试要求

测试工艺操作步骤：①安装井口连接器，用通讯电缆连接井口连接器与测试

仪器；②打开套管阀门，启动计算机接收系统接收数据。测试工艺要求：①井口阀

门关闭严密，无漏气现象;②测试时保持井口原有状况，不要改变油套连通状况。

4现场测试结果分析

在CB-B平台对集成式液面自动监测系统进行了检脸试脸。试脸采用多井集

成得方法，以检验该系统对现场集成得适应情况.选取得试脸井有CB-B4井、

CB-B9并与CB-B14井。安装集成式液面自动监测系统并连接井口装置后，控制仪

先选取放气方式测试，后选取充气方式测试。图10与图11分别为CB-B9井放气

方式液而测试得开始曲线与测点曲线（套管内气压为0、975Mpa）。表5为CB-B9

井放气方式液面测试结果。

图9CB-B9井放气方式液面测试开始曲线

J，■■一■---------------------------------------------------------------------------------------

接一波

08001600240032004000

时间（n»）

图10CB-B9井放气方式液面测试测点曲线

表5CB-B9并放气方式液面测试结果

U期时间套压（MPa）深度（m）

2(X)6-11-12()9:2()0976197

2(X)6-11-1209:3()(198()196

2()06-11-12()9:()()(1968193

2(X)6-11-1210:3()0973195

2()06-11-1211!()0(1971193

2006-11-1211:3()(1971194

2()06-11-1212:()()(1976196

2006-11-1212:30(1975195

2(X)6-i1-1213:()()(1974197

2(X)6-11-1213:3()0977195

2(X)6-11-1214!()()0970194

20()6-11-1215:()()(1977194

2(X)6-11-1216:()0(1978195

2(X)6-11-1217:()()(1988196

2()06-11-1218:()()(1984198

注：声速为480.00m/s

图11与图12分别为CB-B9井充气方式液面测试得开始曲线与测点曲线（套

管内气压为0、975MPa,氮气瓶压力8MPa）。表6为CB-B9井充气方式液面测试结

果。

郴”州他4一

,'接■波

020004000600080（）01000（）

时间（.）

图11CB-B9井充气方式液面测试得开始曲线

s版曲波

p—————^—―——^―^

•hr7

1

XI硼糟1醐::%---------3--

08001600240032004000

时间(皿)

图12CB-B9井充气方式液面测试得测点曲线

表6CB-B9井充气方式液面测试结果

tl期时间套压（MPa）深度（m）

20()611131():I5(1981197

2006-11-131():25()982197