高樹(shù)利 馮立衛(wèi)（中海石油（中國(guó)）有限公司蓬勃作業(yè)公司）

渤海區(qū)域的海上油田因地質(zhì)油藏復(fù)雜，斷層十分發(fā)育，淺層構(gòu)造破碎，油氣分布及壓力系統(tǒng)較復(fù)雜，屬于多套油水系統(tǒng)的構(gòu)造層狀油藏。部分油井由于出砂嚴(yán)重導(dǎo)致無(wú)法生產(chǎn)[1]，基于生產(chǎn)過(guò)程中的出砂數(shù)量及動(dòng)態(tài)狀況，相對(duì)于繞絲高壓充填工藝技術(shù)在油田的推廣[2]，該油田則采用了ClampOn 測(cè)砂儀實(shí)時(shí)測(cè)算數(shù)據(jù)，來(lái)應(yīng)對(duì)生產(chǎn)井出砂的問(wèn)題，為生產(chǎn)狀況做出相應(yīng)的抉擇。

1 ClampOn 測(cè)砂儀的工作原理

ClampOn 測(cè)砂儀基于ClampOn 公司的“超聲波智能傳感器”技術(shù)，含有一個(gè)新型過(guò)濾技術(shù)的數(shù)字處理單元，監(jiān)測(cè)顆粒物時(shí)能更好地分析實(shí)際產(chǎn)砂狀況，最終有助于增加生產(chǎn)井的收益。這種濾波技術(shù)集成了數(shù)以千計(jì)生產(chǎn)井的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析成果，應(yīng)用于該型號(hào)的傳感器之中。這種測(cè)砂儀可實(shí)現(xiàn)每秒128 次掃描1 MHz 范圍內(nèi)的頻率。這表明其技術(shù)能力及濾波技術(shù)在獲取和處理測(cè)砂數(shù)據(jù)方面，處于技術(shù)先行的地位。

測(cè)砂儀的特性是數(shù)字化，模擬濾波器，電子回路及放大器。此項(xiàng)技術(shù)包含一個(gè)強(qiáng)勁的帶有大容量運(yùn)行緩存的數(shù)字信號(hào)處理單元，打包在一起的模塊化軟件。傳感器能同時(shí)處理多頻段的超聲波，全系列新型信號(hào)處理特性，包含終端濾波技術(shù)。不同的排氣閥或流量條件能產(chǎn)生很多相互不關(guān)聯(lián)的砂噪，該型號(hào)的傳感器通過(guò)濾波技術(shù)幾近美好地解決這些難題。既能減少噪音的干擾，也會(huì)提高精度和準(zhǔn)確度，使得產(chǎn)砂數(shù)量等重要參數(shù)，成為日常測(cè)砂管理操作的關(guān)鍵依據(jù)。沒(méi)有其它的技術(shù)能像ClampOn 傳感器一樣，滿足用戶對(duì)效益和測(cè)砂生產(chǎn)的追求。

2 ClampOn 測(cè)砂儀的特性

對(duì)油氣生產(chǎn)者來(lái)說(shuō)，油氣井里的含砂是個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。即使井液中的數(shù)量不多的顆粒砂，也能引起嚴(yán)重的破壞，避免出砂的挑戰(zhàn)幾無(wú)可能，所以需要盡可能地增加生產(chǎn)井的良好產(chǎn)出率。因此，ClampOn 測(cè)砂監(jiān)控系統(tǒng)在世界得到了廣泛的應(yīng)用。帶有高性能濾波器的ClampOn 傳感器堅(jiān)不可摧，優(yōu)化過(guò)的濾波器，能有效應(yīng)對(duì)不規(guī)則的原始噪音，尤其適合挑戰(zhàn)性的高溫高壓工況下的測(cè)砂監(jiān)控。特性示意圖見(jiàn)圖1，傳感器安裝在管道的90°彎頭處，其內(nèi)部受顆粒/固體沖擊管壁而產(chǎn)生超聲波。超聲波信號(hào)穿過(guò)管道，傳到外部的超聲波傳感器。出廠的ClampOn 傳感器都是校驗(yàn)過(guò)的，客戶可以直接使用而無(wú)需再次校驗(yàn)，只要簡(jiǎn)單地在管壁上夾緊即可。擁有ClampOn 智能傳感器，將信號(hào)使用內(nèi)部的數(shù)字處理單元測(cè)算、過(guò)濾及變送后，送至微機(jī)或控制系統(tǒng)。

圖1 特性示意圖

3 測(cè)砂選型及運(yùn)行分析

海上油田主力含油層系發(fā)育于新近系明化鎮(zhèn)組下段和館陶組，儲(chǔ)層巖性為河流相沉積的陸源碎屑巖，所有館陶組層位小于44 μm 的細(xì)粉砂含量大于或等于11%，油田儲(chǔ)層段的地層砂不均勻系數(shù)和細(xì)粉砂含量均較高，地層砂極為不均勻[3]。由于油層膠結(jié)疏松、細(xì)粉砂含量高[4]，測(cè)砂系統(tǒng)的選型按照200 年一遇的地震（連續(xù)2 震波） 強(qiáng)度：垂直0.25 g，水平0.50 g；風(fēng)速為百年一遇的風(fēng)暴35.6 m/s，每年工作條件的風(fēng)速22.14 m/s（平均海平面以上10 m的3 s 陣風(fēng)），選擇了帶有新型濾波器的ClampOn 傳感器及配套控制系統(tǒng)，海上油田測(cè)砂儀架構(gòu)如圖2。

圖2 海上油田側(cè)砂儀架構(gòu)

測(cè)砂儀裝置夾在管道的外部，無(wú)損方式安裝，用于探測(cè)超聲波，監(jiān)測(cè)油、氣和多相組分生產(chǎn)過(guò)程中的固體/顆粒數(shù)量。正確的操作方式，是測(cè)砂儀需安裝在管道90 度彎頭處。這種方式下，流體中的顆粒在經(jīng)過(guò)彎頭時(shí)，很少有其它因素的干擾，檢測(cè)儀得以搜集流體中的顆粒在管壁內(nèi)碰撞時(shí)釋放的真實(shí)能量?，F(xiàn)場(chǎng)探測(cè)器內(nèi)置的電子信號(hào)處理單元，直接過(guò)濾掉任何背景中的噪音擾動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)單元依據(jù)流體中顆粒碰撞程度，計(jì)算出其釋放的能量級(jí)。現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)儀將相關(guān)信息以數(shù)字格式，經(jīng)由串行RS485 鏈接，送至生活區(qū)設(shè)備間的系統(tǒng)主控制柜。該控制柜裝有存儲(chǔ)趨勢(shì)的接口計(jì)算機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)接口電子部件和用于與系統(tǒng)串行通訊的模塊。

系統(tǒng)配備了數(shù)字和模擬接口，兼容所有的通用協(xié)議，輕松地集成到現(xiàn)有的艾默生集散控制系統(tǒng)。一臺(tái)裝有ClampOn 軟件的微機(jī)，用于連接ClampOn的測(cè)試儀器和控制系統(tǒng)。這臺(tái)微機(jī)處理測(cè)砂傳感器的原始數(shù)據(jù)和第三方的流量數(shù)據(jù)，計(jì)算出砂況，然后把計(jì)算好的含砂比率輸出到設(shè)施的艾默生過(guò)程控制系統(tǒng)。所有記錄的數(shù)據(jù)也被存儲(chǔ)用于分析及校驗(yàn)。使用的數(shù)字接口，采用兩種方式用于儀器軟件的升級(jí)和配置，滿幅信號(hào)范圍分辨率，所有的傳感器信號(hào)皆可變送且無(wú)信號(hào)丟失。

如圖3 海上油田測(cè)砂儀波形曲線，展示了該油田一個(gè)帶有新型濾波器的ClampOn 傳感器，安裝在高壓和高速的油井管匯上，對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)砂信號(hào)，檢測(cè)調(diào)制而成的經(jīng)驗(yàn)值。波形曲線表明，由于采用了新型濾波技術(shù)，超聲波形曲線Raw 看起來(lái)清晰明了，這表明傳感器消除了流量噪音，監(jiān)測(cè)出生產(chǎn)中真實(shí)的出砂狀況。

圖3 海上油田側(cè)砂儀波形曲線

4 應(yīng)用效果

當(dāng)砂粒從儲(chǔ)油層產(chǎn)出時(shí)，降低了生產(chǎn)率，增加了維護(hù)成本，也給環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的危害。另外，由于油井出砂、結(jié)蠟等，造成部分油井功率損失較大[5]。出砂曲線見(jiàn)圖4，紅線是安全生產(chǎn)的上限，越接近紅線，效益越好。在紅線上方，可能連續(xù)出砂。 藍(lán)線之下的安全距離， 不會(huì)產(chǎn)生砂粒，這是一種安全但是昂貴的管理砂粒的方式。生產(chǎn)井在紅藍(lán)區(qū)間繼續(xù)向上增效時(shí)，依據(jù)出砂曲線，很快就是一個(gè)無(wú)砂井。當(dāng)該井最后的一段時(shí)間沒(méi)有出砂的時(shí)候，可以再次增加產(chǎn)量，這可能導(dǎo)致一次出砂，但應(yīng)該讓生產(chǎn)繼續(xù)以觀察趨勢(shì)，確定下一個(gè)構(gòu)造穩(wěn)固的油層。

圖4 出砂曲線

生產(chǎn)中，該油田的H79ST02 井電潛泵功耗異常變化，通過(guò)對(duì)測(cè)砂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工況的分析，判斷油井出砂的可能性較高，曲線正在接近而未超過(guò)紅線。適當(dāng)降低電潛泵頻率避免馬達(dá)溫度持續(xù)異常后，開(kāi)始對(duì)采出液進(jìn)行取樣化驗(yàn)，1%的砂量結(jié)果，出砂情況得到了很好的控制，驗(yàn)證了之前的判斷，井下工況逐步趨于穩(wěn)定。依據(jù)測(cè)砂曲線變化，避免了該井的壓裂充填防砂作業(yè)，只此一項(xiàng)，直接降本100余萬(wàn)元。H62ST01 井的測(cè)砂曲線雖然一直在紅線上方，但趨勢(shì)逐漸下行，通過(guò)加密取樣化驗(yàn)、隨時(shí)搖動(dòng)油嘴以避免砂堵甚至砂埋等措施，將曲線穩(wěn)定在紅藍(lán)線中間的位置，避免了一口日產(chǎn)原油1 000 余桶的油井由于砂埋而被迫停井的被動(dòng)局面，直接每天增效300 萬(wàn)元以上。

投產(chǎn)以來(lái)，ClampOn 實(shí)時(shí)砂粒監(jiān)控系統(tǒng)感知出砂的性質(zhì)及狀態(tài)趨勢(shì)，當(dāng)生產(chǎn)油層穩(wěn)定時(shí)，掌握出砂是如何隨著時(shí)間變化的。最后，找到生產(chǎn)井的理想采出率區(qū)間，實(shí)現(xiàn)有效的和安全的無(wú)砂率（或可容許的），明顯提高了海上油田生產(chǎn)井的效益，大大降低能耗及運(yùn)營(yíng)成本。

新疆石西油田

5 結(jié)論

ClampOn 測(cè)砂系統(tǒng)在該油田投用十多年以來(lái)，很好地檢測(cè)了油田油氣生產(chǎn)過(guò)程中的各種固體/顆粒工況，將管線和設(shè)備磨蝕損壞的風(fēng)險(xiǎn)最小化。在海洋石油資源高消費(fèi)的生產(chǎn)情況下[6]，ClampOn 測(cè)砂系統(tǒng)技術(shù)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，成為維持有效益的安全的砂粒管理工具，有力促進(jìn)了海上油田生產(chǎn)井的效益提升，降低生產(chǎn)投入及維護(hù)成本，節(jié)約生產(chǎn)能耗，是安全生產(chǎn)強(qiáng)有力的依托和保障。同時(shí)，對(duì)其它油田生產(chǎn)及相關(guān)行業(yè)的出砂檢測(cè)，具有一定的參考和借鑒作用。