CN105672982B - 一种非植入式稠油油井出砂量监测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气井开发工程领域，尤其涉及一种非植入式稠油油井出砂量监测系统，包括出砂信号感受、采集、处理校准装置，所述出砂信号感受装置为非植入式安装的一次仪表和超声流量测量装置，所述出砂信号采集装置为信号采集和放大转换装置，所述出砂信号处理校准装置为基于PC端的信号处理模块。本发明还包括一种上述系统的出砂量监测方法，包括采用两个相同一次仪表安装在相邻的下弯管管路外壁，采用冲击信号提取、特征出砂频段滤波、互相关流速计算与超声流速测量对比等方法对含砂原油信号中的油流信号降噪、出砂信号提取。本发明的上述系统及方法施工简单、便于安装和维修、成本低、效率高，可以针对稠油油井出砂量进行实时监测。

Description

一种非植入式稠油油井出砂量监测系统及其方法

技术领域

本发明涉及油气井开发工程领域，尤其涉及一种非植入式稠油油井出砂量监测系统。

背景技术

稠油开采已成为石油生产中的重要部分。在稠油开采过程中一般采取出砂冷采技术，该方法可以大幅提高油井产量，同时也伴随产生一些问题。过度出砂会造成油井生产设备的损坏，同时增加地面维修困难，过度防砂则会严重影响油井产量。为了解决该问题，油井生产采用适度出砂的生产方式，该方式将出砂量限定在可控范围内，以达到降低原油开采成本提高油井产能的目的。为实现适度出砂的生产方式，需要实时监测油井的出砂状况，即需要一种稠油油井出砂量监测方法对生产过程中的出砂状况进行实时监测，及时的指导油井生产，协助调整生产参数，提高油井产能。

根据出砂监测方式可以分为植入式出砂监测方法和非植入式出砂监测方法。植入式方法将出砂监测探头植入管道内，原油携带的砂砾会不断冲击探头，通过获取并处理探头感受的信号即可得到出砂信息。专利名称为“一种油气井出砂量监测系统及监测方法”的专利公开了一种植入式的出砂监测方法，植入式监测方法需要改变生产管路原油流向，导致现场安装和维护困难。为便于现场安装和维修往往采用非植入式监测方法，即将出砂监测探头安装在输油管路的外管壁上，原油携带的砂砾会冲击内管壁，通过获取并处理探头感受的信号即可得到出砂量信息。该方法特别适用于现场生产环境复杂的油田。但是非植入式出砂探头接收到的一次出砂信号较弱，特别是针对粘度相对较高的稠油，这些信号容易淹没在较强的油流冲击管壁产生的信号中，因此一种适用于稠油油井出砂量的监测方法显得尤为重要。

本发明采用非植入式的稠油油井出砂量监测方法对原油生产过程中伴随产生的砂量进行监测。该方法是采用非植入式监测方式对稠油油井出砂量监测，监测系统包括一次仪表、信号采集放大装置、超声流速测量装置、基于PC端的信号处理单元。监测方法采用冲击信号提取、特征砂频段滤波、互相关流速计算与超声流速测量对比等方法对含砂原油信号中的油流信号降噪、出砂信号提取。这种针对非植入式的海上稠油油井出砂监测系统和方法目前尚未见报道。

综上所述，在油气井开发工程领域亟需提供一种施工简单、便于安装和维修、成本低、效率高、可以针对稠油油井出砂量进行实时监测的一种非植入式稠油油井出砂量检测系统及其方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术的不足，提供一种施工简单、便于安装和维修、成本低、效率高、可以针对稠油油井出砂量进行实时监测的一种非植入式稠油油井出砂量检测系统及其方法。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种非植入式稠油油井出砂量监测系统，其包括：

出砂信号感受装置，包括非植入式安装的信号感受一次仪表及基于多普勒原理的超声测速装置；

出砂信号采集装置，包括出砂信号采集和放大转换装置；

出砂信号处理校准装置，包括基于PC端的信号处理模块。

进一步地，所述信号感受一次仪表采用振动传感器；其安装位置为距弯头出口1-2倍管径处。

进一步地，所述信号感受一次仪表的安装方式为非植入式安装，即将两只振动传感器分别安装在两个相邻下弯管处的外壁上。

进一步地，所述振动传感器将采集到的含砂原油振动信号传输至电荷放大器，经过放大转换后变成电压信号，传输至出砂信号采集装置。

进一步地，所述基于多普勒原理的超声测速装置可实时测量管路内的油流混合流速并存储所测得的数据。

进一步地，所述出砂信号处理校准装置包括初始化模块、自检模块、参数设定模块、数据采集模块、信号检测模块、流速测量模块、滤波分析模块、冲击信号识别模块、能量分析模块、校准存储模块、油流信号降噪模块、出砂信号提取模块、出砂量信号耦合模块、出砂量输出报警模块。

进一步地，所述初始化模块完成系统开机后的参数初始化，为建立新的监测任务做准备；

所述自检模块完成系统自检功能，以确定系统的可靠性；

所述参数设定模块，设置监测出砂量的报警值和所需油井参数；

所述数据采集模块，完成出砂信号的采集；

所述信号检测模块，提供基本检测功能，为后续出砂信号分析模块提供入口；

所述流速测量模块，完成超声流速测量值接收和互相关流速法测量；

所述滤波分析模块，提供特征砂频段提供功能；

所述冲击信号识别模块，提供识别冲击信号功能；

所述能量分析模块，该模块提供砂信号能量分析；

所述校准存储模块，提供两种流速测量的校准、特征砂频段滤波存储、冲击信号存储、能量存储功能；

所述油流信号降噪模块，提供对冲击信号中的油流信号降噪功能；

所述出砂信号提取模块，提供对冲击信号中的砂信号提取功能；

所述出砂量信号耦合模块，实现油流信号降噪与出砂信号提取耦合功能；

所述出砂量输出报警模块，实现出砂量监测报警功能。

如权利要求1-7中任一项所述系统的一种稠油油井出砂量检测方法，其包括以下步骤：

1)出砂冲击信号提取；

2)出砂信号验证；

3)出砂油流信号降噪；

4)出砂信号提取；

5)出砂量判别。

进一步地，在进行所述步骤1)前需要进行参数设置，所述参数为需要监测的监测井数量选择、出砂信号采集的数据长度和采样率设置、油井基本参数输入、出砂量报警值设置。

进一步地，所述步骤具体为：

1)出砂冲击信号提取：完成信号采集设置后，系统开始同步处理工作，砂砾冲击到管壁上产生冲击信号，先将时域信号中的冲击信号提取出来，可实现滤除部分本底噪声功能；选择合适的窗函数，进行快速傅里叶变换分析，选择高频段进行特征砂砾冲击管壁频段滤波处理，选取的滤波方式为10kHz的高通滤波；

2)出砂信号验证：将计算得到的油流混合流速与流量计测得的实时流速进行对比，若误差在10％以内则认为两者流速一致，若一致，则认为冲击信号主要由含砂流体产生；若不一致，则冲击信号主要由油流冲击管壁造成，重复步骤2)的特征砂砾冲击管壁频段滤波，直至互相关计算与超声测量流速一致时再进行后续出砂监测处理；

3)出砂油流信号降噪：滤除出砂油流信号噪声；

4)出砂信号提取：当基于互相关方法的计算流速与超声测量流速符合一致性时，系统继续进行出砂量分析计算，具体采用时域分析、频域分析、功率谱分析、RMS谱分析的手段，根据出砂特征提取出油流信号和出砂信号，出砂特征信号往往是突发信号，一般具有尖峰特性；油流在管路中流动时连续且平稳，一般认为平稳的信号是油流信号；在总体信号幅值中减去平稳信号幅值，即保留尖峰信号幅值的增量，为完成油流信号降噪后的出砂信号；若具有出砂信号，则开始出砂信号报警，若无出砂信号，重复步骤2)、3)继续完成稠油油井出砂监测。

本发明的特点在于：(1)采用非侵入监测方式对稠油油井出砂量进行监测，无需改变管路流向，便于施工和维修；(2)采用两个相同一次仪表安装在下弯管处，完成出砂量校验和互相关流速计算；(3)数据采集后进行提取冲击信号处理，完成油流信号首次降噪，为后续提取稠油中微弱出砂信号降低难度；(4)将互相关流速计算与超声流速测量对比的结果作为是否出砂判据，不但提高出砂监测可靠性，而且可以对含砂原油中油流信号进一步降噪；(5)该系统和方法适用海上稠油油井出砂量实时监测。

附图说明

图1为本发明的稠油油井出砂监测系统结构图；

图2为本发明的稠油油井出砂监测信号处理单元中结构框图；

图3为本发明的稠油油井出砂监测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

在稠油开采过程中，携砂原油在采油管道中流动，当流经弯管处时，由于流体流向突变，在惯性的作用下砂砾直接冲击到管壁上产生振动。砂砾数量越多，管壁处产生的振动次数越多。砂砾粒径越大，管壁处生产的振动强度越大。

如图1所示，本发明所提供的稠油油井出砂监测系统包括确定采油管路中流体流向，1为油流入口，9为油流出口。根据流体流向，选择两个相邻下弯管的一倍管径附近作为传感器的安装位置2。将振动传感器3和8以非植入式的方式安装在管壁外侧。两个一次仪表信号传送至信号采集放大装置4后，输送至PC端经过信号处理单元后完成出砂量监测。同时采用基于多普勒超声探测的流量探头6以非植入式的方式安装在直管路段，流量信号经过数据采集仪5及分析系统后，输送至PC端的信号处理单元，经电脑内置的出砂数据处理模块7辅助完成出砂量监测。

如图2所示，本发明所提供的信号处理单元主要包括：初始化模块71，该模块主要完成系统开机后的参数初始化，为建立新的监测任务做准备。自检模块72，该模块主要完成系统自检功能，以确定系统的可靠性。参数设定模块73，该模块通过该模块设置监测出砂量的报警值和所需油井参数。数据采集模块74，利用该模块完成出砂信号的采集。信号检测模块75，该模块提供基本检测功能，为后续出砂信号分析模块提供入口。流速测量模块76，该模块完成超声流速测量值接收和互相关流速法测量。滤波分析模块77，该模块提供特征砂频段提供功能。冲击信号识别模块78，该模块提供识别冲击信号功能。能量分析模块79，该模块提供砂信号能量分析。校准存储模块710，该模块提供两种流速测量的校准、特征砂频段滤波存储、冲击信号存储、能量存储功能。油流信号降噪模块711，该模块提供对冲击信号中的油流信号降噪功能。出砂信号提取模块712，该模块提供对冲击信号中的砂信号提取功能。出砂量信号耦合模块713，该模块实现油流信号降噪与出砂信号提取耦合功能。出砂量输出报警模块714，该模块实现出砂量监测报警功能。

图3所示，本发明提供的稠油油井出砂监测方法主要包括：开始运行系统初始化，选择监测井数量、分析数据精度设置、油井参数设置、出砂量报警值设置。完成参数设置后，开始数据采集，随后提取采集信号中的冲击信号。选择对应的窗函数，并进行10kHz以上的高通特征砂频段滤波。将两个弯管处信号的互相关流速计算值和超声测量流速值进行对比，若两者误差10％以内则认为一致，系统继续进行出砂量分析，否则返回特征砂频段滤波阶段继续处理。该分析主要包括时域分析、频域分析、功率谱分析、RMS谱分析。结合分析结果，提取出油流信号和出砂信号，并进行油流信号降噪和砂信号提取，若出砂，则出砂信号报警，若不出砂则返回特征砂频段滤波阶段继续进行信号处理。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种非植入式稠油油井出砂量监测系统，其特征在于，其包括：

出砂信号感受装置，包括非植入式安装的信号感受一次仪表及基于多普勒原理的超声测速装置；所述信号感受一次仪表采用振动传感器；其安装位置为距弯头出口1-2倍管径处；所述信号感受一次仪表的安装方式为非植入式安装，即将两只振动传感器分别安装在两个相邻下弯管处的外壁上；

出砂信号采集装置，包括出砂信号采集和放大转换装置；

出砂信号处理校准装置，包括基于PC端的信号处理模块，所述出砂信号处理校准装置还包括流速测量模块和校准存储模块，所述流速测量模块，完成超声流速测量值接收和互相关流速法测量；所述校准存储模块，提供两种流速测量的校准、特征砂频段滤波存储、冲击信号存储、能量存储功能。

2.如权利要求1所述的一种非植入式稠油油井出砂量监测系统，其特征在于，所述振动传感器将采集到的含砂原油振动信号传输至电荷放大器，经过放大转换后变成电压信号，传输至出砂信号采集装置。

3.如权利要求1所述的一种非植入式稠油油井出砂量监测系统，其特征在于，所述基于多普勒原理的超声测速装置可实时测量管路内的油流混合流速并存储所测得的数据。

4.如权利要求1所述的一种非植入式稠油油井出砂量监测系统，其特征在于，所述出砂信号处理校准装置包括初始化模块、自检模块、参数设定模块、数据采集模块、信号检测模块、滤波分析模块、冲击信号识别模块、能量分析模块、油流信号降噪模块、出砂信号提取模块、出砂量信号耦合模块、出砂量输出报警模块。

5.如权利要求4所述的一种非植入式稠油油井出砂量监测系统，其特征在于，所述初始化模块完成系统开机后的参数初始化，为建立新的监测任务做准备；

所述自检模块完成系统自检功能，以确定系统的可靠性；

所述参数设定模块，设置监测出砂量的报警值和所需油井参数；

所述数据采集模块，完成出砂信号的采集；

所述信号检测模块，提供基本检测功能，为后续出砂信号分析模块提供入口；

所述滤波分析模块，提供特征砂频段提供功能；

所述冲击信号识别模块，提供识别冲击信号功能；

所述能量分析模块，该模块提供砂信号能量分析；

所述油流信号降噪模块，提供对冲击信号中的油流信号降噪功能；

所述出砂信号提取模块，提供对冲击信号中的砂信号提取功能；

所述出砂量信号耦合模块，实现油流信号降噪与出砂信号提取耦合功能；

所述出砂量输出报警模块，实现出砂量监测报警功能。

6.如权利要求1-5中任一项所述系统的一种稠油油井出砂量检测方法，其特征在于，其包括以下步骤：

1)出砂冲击信号提取；

2)出砂信号验证；

3)出砂油流信号降噪；

4)出砂信号提取；

5)出砂量判别。

7.如权利要求6所述的一种稠油油井出砂量检测方法，其特征在于，在进行所述步骤1)前需要进行参数设置，所述参数为需要监测的监测井数量选择、出砂信号采集的数据长度和采样率设置、油井基本参数输入、出砂量报警值设置。

8.如权利要求6所述的一种稠油油井出砂量检测方法，其特征在于，所述步骤具体为：

1)出砂冲击信号提取：完成信号采集设置后，系统开始同步处理工作，砂砾冲击到管壁上产生冲击信号，先将时域信号中的冲击信号提取出来，可实现滤除部分本底噪声功能；选择合适的窗函数，进行快速傅里叶变换分析，选择高频段进行特征砂砾冲击管壁频段滤波处理，选取的滤波方式为10kHz的高通滤波；

2)出砂信号验证：将计算得到的油流混合流速与流量计测得的实时流速进行对比，若误差在10％以内则认为两者流速一致，若一致，则认为冲击信号主要由含砂流体产生；若不一致，则冲击信号主要由油流冲击管壁造成，重复步骤2)的特征砂砾冲击管壁频段滤波，直至互相关计算与超声测量流速一致时再进行后续出砂监测处理；

3)出砂油流信号降噪：滤除出砂油流信号噪声；

4)出砂信号提取：当基于互相关方法的计算流速与超声测量流速符合一致性时，系统继续进行出砂量分析计算，具体采用时域分析、频域分析、功率谱分析、RMS谱分析的手段，根据出砂特征提取出油流信号和出砂信号，出砂特征信号往往是突发信号，一般具有尖峰特性；油流在管路中流动时连续且平稳，一般认为平稳的信号是油流信号；在总体信号幅值中减去平稳信号幅值，即保留尖峰信号幅值的增量，为完成油流信号降噪后的出砂信号；若具有出砂信号，则开始出砂信号报警，若无出砂信号，重复步骤2)、3)继续完成稠油油井出砂监测。