一种能有效监测稠油出砂信号的室内实验装置设计

一种能有效监测稠油出砂信号的室内实验装置设计
刘刚;韩金良;陈超;杨全枝;李玉红
【摘要】稠油油井生产的适度出砂开采技术需要一种有效简便的出砂实时监测方式来监测油井生产的出砂状况.油井的过度出砂能严重损坏设备,影响生产.国内目前油井的出砂监测方法主要包括出砂声测法和电阻法,但是这两种方法对于稠油的出砂监测都存在一些问题.因此,实验室内设计了一种用于稠油出砂监测的一次仪表,主要是通过采用压电式高频加速度传感器来接收携砂流体中砂粒撞击管壁产生的振动信号来监测稠油的出砂状况.为验证这一装置设计的有效性,在实验室内建立了一套完整的稠油出砂监测系统.实验采用150目石英砂粒,含砂量从0‰到5‰,利用高黏度的齿轮油作为携砂流体.实验结果表明,这种一次仪表设计能够有效实时监测稠油的出砂信号,具有很好的应用性.%The moderate sand mining technology of heavy oil field need a kind of effective and sample real-time monitoring system for monitoring the signal of sand out, over sand can damage the device severely ,affecting production. Sand monitoring methods include sand acoustic method and resistance method, but there are some problems in these two methods, so a method is designed for heavy oil sand monitoring instrumentation through the use of the piezoelectric high-frequency acceleration sensor to receive the sand hit the wall in sand-carrying fluid vibration signals to monitor the status of the heavy oil out of sand. In order to verify the effectiveness of the design, a complete is established set of heavy oil sand production monitoring system in laboratory. Using 150 mesh quartz sand, the sand content from 0 ‰ to
5 ‰, with high-viscosity gear oil as a sand-carrying fluid. Experimental
results show that this design can effectively monitoring the sand signal from heavy oil real-time, with a good effect.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2012(012)030
【总页数】4页(P7868-7871)
【关键词】适度出砂;出砂监测;一次仪表装置;传感器;振动信号
【作者】刘刚;韩金良;陈超;杨全枝;李玉红
【作者单位】中国石油大学(华东)石油工程学院,青岛266550;中国石油大学(华东)石油工程学院,青岛266550;中国石油大学(华东)石油工程学院,青岛266550;中国石油大学(华东)石油工程学院,青岛266550;中国科学院渗流流体力学研究所,廊坊065007
【正文语种】中文
【中图分类】TE357.14
多枝导流适度开采出砂技术是应用于海上疏松砂岩油田生产的一种开采技术，能够有效的提高海上油田的开发效率［1］。

适度出砂技术需要将出砂量合理的控制在一定范围内，过量出砂会严重损坏油井生产设备，为地面后期的除砂带来困难，还能造成砂埋等，严重影响生产。

因此，采用适度出砂技术需要一种有效的出砂信号监测系统来实时监测流体的出砂状况［2］。

目前所存在的出砂监测方法主要包括出砂声测法和电阻法［3］，这两种方法目前都存在一些问题，主出砂声测法主要是监测延迟而电阻法主要是寿命短等问题［4］。

实验室内设计了一种用于稠油出
砂信号监测装置，并为了验证其有效性，建立了一套完整的稠油出砂监测系统。

1 稠油出砂监测实验效果评价系统
目前实验室内建立的稠油出砂监测实验效果评价系统主要由变量柱塞泵、稠油出砂监测一次仪表装置、恒温油浴加热搅拌器和内径为20 mm 的管道以及采集系统组成。

其示意图如图1 所示。

图1 稠油出砂监测实验效果评价系统示意图1—电源控制箱，2—高压软管，3—
电机，4—变量柱塞泵，5—压力传感器，6—一次仪表，7—信号采集仪，8—搅
拌器，9—恒温加热器
在恒温油浴加热器中提前加入一定体积的稠油，实验室内采用壳牌高品质耐磨齿轮油来代替稠油，然后加入不同粒径下不同含砂量的砂粒来模拟油井生产时的不同含砂量的出砂状况。

实验时将稠油加入油浴加热搅拌器中，经过加热降低稠油的粘度，稠油进入变量柱塞泵进入弯道，经过一次仪表装置，回到油浴加热器中。

在本实验系统中一次仪表处安装有高频振动信号传感器来采集振动信号。

2 一次仪表装置设计
一次仪表装置内部安装有信号放大装置，其原理就是当含有砂粒的稠油流体在一定流速的条件下流经一次仪表时，一次仪表内的放大装置对流速有一个放大的作用，含砂流体在经过放大加速作用以后，流体中含有的砂粒会以高速撞击到安装在一次仪表后部的鼓膜上，产生较强的振动信号。

这一振动信号被安装在鼓膜上的高频压电加速度传感器所采集，从而得到有效的出砂信号。

受到环境中各种噪音的影响。

当实验时，带动泵的电机所产生的振动严重影响了砂粒撞击产生的振动信号，稠油流体流动带来的冲击也为采集到有效的砂粒撞击振动信号带来了难度，一次仪表装置的使用可以大大增强砂粒撞击产生的振动信号，同时减弱其他因素的影响，使得信号的分析处理更加容易。

一次仪表装置如图2 所示。

图2 一次仪表装置1、5—管道，2—放大装置，3—传感器安装装置，4—振动信号传感器
3 稠油出砂监测实验效果评价装置采集系统
实验室设计的稠油出砂监测采集系统主要依靠加速度振动信号传感器采集稠油中携带的砂粒经过一次仪表装置时产生的放大的振动信号来监测稠油出砂状况。

振动信号采集系统主要包括采集仪、振动信号传感器和计算机采集软件等组成。

选用的高频压电式加速度传感器属于惯性式长安器，利用了某些物质如石英晶体的压电效应［5］。

实验时，加速度振动传感器采用胶结的方式安装在一次仪表装置的后部。

采集到的一次仪表产生的振动信号经过采集仪的滤波、放大作用以后进入计算机信息采集系统［6］。

从而实时监测出砂信号。

4 稠油出砂监测一次仪表装置实验有效性研究
为了验证一次仪表装置在稠油出砂监测的有效性，进行了以下实验并进行了分析。

4.1 实验条件设定
实验流体选用壳牌的高粘度齿轮油作为携砂流体，手动调节变量柱塞泵上的流量调节旋钮，在6.50 m/s、9.475 m/s、11.56 cm/s、12.84 m/s 四种流速下进行实验。

由文献调研结合实际生产可知，目前海上油井生产的出砂粒度在100 目以下，含砂量在5‰以内，因此室内实验选用150 目石英砂作为试验砂样，含砂量设定
在无砂、0.3‰、0.5‰、0.7‰、1‰、2‰、3‰、4‰、5‰。

4.2 实验过程
首先在一次仪表装置上安装好振动信号加速度传感器，连接好采集仪，打开计算机信息采集系统，称好实验所用的石英砂。

实验时分别含砂量由无砂逐渐增加，按着实验设计条件，逐渐增加到含砂量5‰
的情况下。

在每一含砂量的情况下通过调整柱塞泵来得到四种不同的流速。

然后进行出砂监测实验，实验过程中计算机信号采集系统界面如图3 所示。

4.3 实验结果分析
4.3.1 不同含砂量下的信号时域特征分析
根据出砂振动信号的分析处理方法研究，分别对不同含砂量条件下采集的出砂监测信号进行时域分析。

时域处理得到的各含砂量情况下出砂信号特征值如下表1 所示。

由表1 中数据，可得出砂监测信号的时域幅值、均方根值与含砂量的关系曲线，
如图4 所示:
图3 计算机信号采集界面
表1 不同含砂量下的信号时域特征值统计表量含/砂‰最域大幅时值最域小幅
时值方差平均值均方根值0 0.047 3 －0.045 6 3.128 9×10－6 －7.835 1×10－210.001 8 0.3 0.133 5 －0.127 5 4.853 5×10－5 18.327×10－20 0.007 0 0.5 0.213 4 －0.236 7 1.215 2×10－4 2.911 7×10－21 0.011 0 0.7 0.301 6 －
0.324 7 2.308 2×10－4 －2.647×10－20 0.015 2 1 0.425 9 －0.425 8 4.468
1×10－4 －7.623 3×10－21 0.021 1 2 0.657 0 －0.657 2 0.001 2 5.906 7×10－20 0.034 9 3 0.853 1 －0.826 3 0.002 1 －7.813 9×10－20 0.045 8 4 1.080
8 －1.060 8 0.003 2 －39.903×10－20 0.056 2 5 1.285 6 －1.186 1 0.004 1 －
9.338 5×10－200.064 4
图4 信号时域幅值与含砂量的关系曲线
由表1 中数据及图4 可知，随着含砂量的增加，出砂监测信号的时域幅值及方差值、均方根值等信号特征值逐渐增大，并且规律明显，基本呈线性关系。

验证了在不同含砂量下一次仪表的有效性。

4.3.2 不同流速下的信号时域特征分析
通过调节变量柱塞泵的流速可以得到不同流速下的信号时域特征值。

如表2 所示。

表2 不同流速下出砂监测信号时域特征值统计(m流·速s－/1)最域大幅时值最
域小幅时值方差平×1均0值－2/1均根方值6.50 0.156 0 －0.150 2 4.099
0×10－5－6.088 0 0.006 4 9.475 0.425 9 －0.425 8 4.468 1×10－4 －7.623 3 0.021 1 11.56 0.609 9 －0.604 0 8.502 4×10－4 －2.101 7 0.029 1 12.84
0.772 5 －0.736 2 0.001 2 －1.312 9 0.034 9
图5 信号时域幅值与携砂流速关系曲线
由表2 及图5 可知，随着携砂流速的增大，出砂监测信号的时域幅值、方差值及
均方根值等信号特征值逐渐增大，并且规律明显。

从而验证了在不同流速下一次仪表装置的有效性。

5 结语
本文设计了一种用于稠油出砂信号监测的一次仪表装置，为了验证该装置的有效性，建立了一套完整的室内稠油出砂监测实验装置并建立了包括高频振动信号传感器的信号采集系统。

通过设计在不同含砂量、不同流速下的稠油出砂实验，并对实验结果进行了信号时域特征值的分析，验证了在室内试验条件下一次仪表装置在稠油出砂信号监测的有效性。

参考文献
【相关文献】
1 刘彦成，王健，李拥军.稠油开采技术的发展趋势.重庆科技学院学报(自然科学版)，
2010;12(4):17—18，23
2 房茂军，曾祥林，梁丹，等.稠油出砂规律及出砂模拟实验研究.西南石油大学学报(自然科学版)，2010;32(6):135—138
3 耿瑞平，李相方.油气井出砂信号的动态监测与处理，计算机测量与控制，2003;11(9):655—657
4 隋秀香，郭旗，李相方.油气井测试出砂监测技术.天然气工业，2004;24(5):110—112
5 陆兆峰，陈禾，林立，等.压电式加速度传感器在振动测量系统的应用研究，2007;(7):3—4，9
6 李利品，高国旺，任志平.基于DSP 和FPGA 的数据采集系统设计.电测与仪表，2008;45(8):42—44。