CN111608646A - 一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的仪器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的仪器及方法，该仪器为一体化集成结构，该仪器的壳体内集成有电控声脉冲发声装置、宽频声波监听传感器和电路控制处理单元，其中，所述电控声脉冲发声装置用于产生向井下传播的声脉冲信号；宽频声波监听传感器用于采集该声脉冲信号在井下传播过程中产生的回声信号；电路控制处理单元用于对接收到的回声信号进行滤波放大、数模转换，得到数字信号，并对该数字信号进行处理，得到油井、天然气井动液面值；该仪器能够实现任意工况的油井、天然气井液面的连续监测，测量井深范围200‑4000m,最短测量间隔为5分钟，完全满足油田生产低压试井测试需求，能够代替人工手动测量，缩减生产成本，提高了液面数据采样实时性，为油气田生产地质建模、油(天然气)井智能生产、油藏动态分析等方面提供有力技术支撑。

Description

一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的仪器及方法

技术领域

本发明涉及石油行业油井动态测试技术领域，具体涉及到一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的仪器及方法。

背景技术

国内动液面测试主要以人力为主，首先利用氮气瓶手动给气枪充入一定气压的气体；其次拉动引线，释放压缩气体，发出声音信号，由手操器采录回声信号；最后，将手操器采录的回声信号导入计算机，由专业技术人员集中处理回声信号，得到动液面值。

首先，测试员工驱车逐口生产井开展测试工作，油田现场路况较差，存在较大安全隐患，同时高压气瓶压力高达15MPa，在运输过程中存在较大安全风险；其次，测试过程完全手动控制，测试效率极其底下，遇到极端天气，无法开展测量工作，不能满足日常生产需求；最后，无法掌握油井动液面变化规律，无法形成最优技术开发政策。

近年来，相继出现采用压缩气泵、套气外释放发声方式的动液面连续监测系统，可以实现油井动液面的连续监测，但12V小型气泵打气能力有限，仅为1.5MPa，与套压压差较小，声音能量不足，无法满足大于2000m的深井测量，同时，空气打入套管，存在一定安全隐患；套气外释放对套压要求较高，一般需要达到0.5MPa，同时造成环境污染。

通过申请查新检索，检索出的申请分别为：1、一种油井动液面测试仪(申请号：CN201721067295.X)2、一种存储式油井动液面监测系统(申请号：CN 201720775047.4)。经详细对比，本专利与上述专利不同。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的仪器，解决了现有的国内动液面测试存在安全隐患、无法满足大于2000m的深井测量的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的仪器，该仪器为一体化集成结构，该仪器的壳体内集成有电控声脉冲发声装置、宽频声波监听传感器和电路控制处理单元，其中，所述电控声脉冲发声装置用于产生向井下传播的声脉冲信号；宽频声波监听传感器用于采集该声脉冲信号在井下传播过程中产生的回声信号；电路控制处理单元用于对接收到的回声信号进行滤波放大、数模转换，得到数字信号，并对该数字信号进行处理，得到油井、天然气井动液面值。

优选地，所述电控声脉冲装置包括12V大功率脉冲直流高压模块、高压快速响应二极管、大容量电容器、放电电极以及声音耦合材料，其中，所述12V大功率脉冲直流高压模块通过高压快速响应二极管与大容量电容器连接；所述放电电极与大容量电容器连接；所述12V大功率脉冲直流高压模块用于将12V直流电转换为5万伏高压交流电；所述高压快速响应二极管用于将高压交流电进行整流、以及转换为直流电压；所述大容量电容器用于存储电能，当电压达到一定值时，通过放电电极放电，产生较大声音脉冲；所述声音耦合材料用于将声音脉冲完全耦合出去，同时与油套环形空间实现有效隔离。

优选地，所述该仪器还集成有压力变送器，所述压力变送器用于监测井口套压，并将监测得到的压力值传输到电路控制处理单元。

优选地，所述电路控制处理单元为集成电路，包括控制电路、放大滤波电路、数据采集电路、数据存储电路和数据控制处理电路，其中，控制电路、放大滤波电路、数据采集电路、数据存储电路均与数据控制处理电路电连接；所述控制电路用于控制电磁阀的启停；宽频声波监听传感器用于将接收到的回声信号传输到放大滤波电路，通过放大滤波电路对接收到的回声信号进行放大、滤波处理，之后传输到数据采集电路，所述数据采集电路为双通道采集，通过数据采集电路实现对接箍波信号和液面波信号分开采集，对将采集到的回声信号进行数模转换，之后传输到数据控制处理电路，数据控制处理电路将接收到的数字信号存储在数据存储电路中，并对接收到的数字信号进行处理，计算得到动液面值，之后将该动液面值通过通讯电路传输至上位机。

优选地，该仪器的壳体外壁上设置有井口连接器，通过进口连接器布置在待测井的井口处。

一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的方法，基于所述的一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的仪器，包括以下步骤：

步骤1，关闭电磁阀，对电控声脉冲发声装置进行充电；

步骤2，充电完成后，通过电控声脉冲发声装置进行高压放电，进而形成声源，对油套环空气体介质产生扰动；

步骤3，通过宽频声波监听传感器采录回声信号，之后将采集到的回声信号传输到电路控制处理单元，通过电路控制处理单元对接收到的回声信号进行滤波放大、数模转换，得到数字信号，并采用接箍法对该数字信号进行处理，进而得到油井、天然气井动液面值。

优选地，步骤3中，采用接箍法对该数字信号进行处理，具体方法是：

首先，将接箍波曲线展开，采用模式识别的方式，寻找多个接箍清晰波段，根据采样频率与油管长度，计算得到套管内的声速；最后，依据液面回波抵达的时间，采用比例关系得到动液面的深度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的仪器及方法，首先电控声脉冲装置产生频域较广、能量较足的声脉冲信号，该声脉冲信号由井口向井下传播，传播过程中，遇到油管接箍和液面后均产生不同频率的反射；其次，宽频声波监听传感器可获得全部回声信号；再次，设计电路控制处理单元，经过放大滤波器，将微弱的音频信号放大50倍，内置两个低通滤波器，分别用来采集液面波和接箍波，然后经双通道AD采集模块，将模拟信号转换为数字信号；最后，设计了动液面测量算法，对数字信号处理后，得到油井、天然气井动液面值。

该仪器能够实现任意工况的油井、天然气井液面的连续监测，测量井深范围200-4000m,最短测量间隔为5分钟，完全满足油田生产低压试井测试需求，能够代替人工手动测量，缩减生产成本，提高了液面数据采样实时性，为油气田生产地质建模、油(天然气)井智能生产、油藏动态分析等方面提供有力技术支撑；

同时，通过自主研发电控声脉冲装置代替了传统的氮气瓶以及电控气泵方式发声方式，规避各类安全风险，延长仪器使用寿命。

进一步的，工艺设计方面，通过增加排气管路，规避油井气锁现象，实现套气再利用。

进一步的,实现回声信号双通道滤波采集电路，一个通道用来采集接箍波，另外一个通道用来采集液面波。最终采用接箍算法，实现油井、天然气井液面监测，最短间隔测量时间5分钟，测量误差±10m。

附图说明

图1是本发明涉及的结构示意图；

图2是本发明涉及的电路控制处理单元的结构示意图；

图3是完整的动液面回声曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种适用于油井、天然气井动液面的监测仪器，该仪器为一体化集成结构，该仪器的壳体内集成有电控声脉冲发声装置1、电磁阀2、宽频声波监听传感器3、压力变送器4、电路控制处理单元6和排气管路7，其中，电控声脉冲发声装置1、电磁阀2、宽频声波监听传感器3和压力变送器4均与电路控制处理单元6通过导线连接，排气管路7连接电磁阀2，然后与套管相通。

电控声脉冲发声装置1用于产生频域较广、能量较足的声脉冲信号，该声脉冲信号由井口向井下传播，传播过程中，遇到油管接箍和液面后均产生不同频率的回声信号。

所述电控声脉冲发声装置1包括12V大功率脉冲直流高压模块、高压快速响应二极管、大容量电容器、放电电极以及声音耦合材料，其中，所述12V大功率脉冲直流高压模块用于将12V直流电转换为5万伏高压交流电；所述高压快速响应二极管用于将高压交流电整流，转换为直流电压；所述大容量电容器用于存储电能，当电压达到一定值时，放电电极放电，产生较大声音脉冲；所述声音耦合材料利用磁致伸缩材料制作，用于将声音脉冲完全耦合出去，同时与油套环形空间实现有效隔离。从而摆脱传统的声弹发声以及压缩气体发声。

宽频声波监听传感器3用于接收电控声脉冲发声装置1在传播过程中的回声信号；并将接收到的回声信号传输到电路控制处理单元6。

电路控制处理单元6用于对接收到的回声信号进行滤波放大、数模转换，得到数字信号，并对该数字信号进行处理，得到油井、天然气井动液面值。

电磁阀2用于控制排气管路7的开关，当测量时，关闭电磁阀2，保障声音能量不外泄；当测量完毕时，打开电磁阀2，确保套气顺利外排，不会造成井底泵筒气锁现象。

压力变送器4用于实时采集监测井口的套压数据。

该仪器的壳体外壁上设置有井口连接器5，通过进口连接器5布置在待测井的井口处。

参考图2，所述电路控制处理单元6为集成电路，包括控制电路601、放大滤波电路602、数据采集电路603、数据存储电路604和数据控制处理电路605，其中，控制电路601、放大滤波电路602、数据采集电路603、数据存储电路604均与数据控制处理电路605电连接；所述控制电路601用于控制电磁阀2的开关以及电控声脉冲装置1的发声控制；宽频声波监听传感器3将接收到的回声信号传输到放大滤波电路602，通过放大滤波电路602对接收到的回声信号进行放大、滤波处理，之后传输到数据采集电路603，所述数据采集电路603为双通道采集，通过数据采集电路603实现对接箍波信号和液面波信号分开采集，对将采集到的回声信号进行数模转换，之后传输到数据控制处理电路605，数据控制处理电路605将接收到的数字信号存储在数据存储电路604中，并对接收到的数字信号进行处理，计算得到动液面值，之后将该动液面值通过通讯电路606传输至上位机。

所述通讯电路606与数据控制处理电路605之间通过RS485总线连接。

本发明涉及的仪器，首先电控声脉冲装置产生频域较广、能量较足的声脉冲信号，该声脉冲信号由井口向井下传播，传播过程中，遇到油管接箍和液面后均产生不同频率的反射；其次，宽频声波监听传感器可获得全部回声信号；再次，设计电路控制处理单元，经过放大滤波器，将微弱的音频信号放大50倍，内置两个低通滤波器，分别用来采集液面波和接箍波，然后经双通道AD采集模块，将模拟信号转换为数字信号；最后，设计了动液面测量算法，对数字信号处理后，得到油井、天然气井动液面值。

本发明的工作流程：

步骤1，通过控制关闭电磁阀2，防止声音能量外泄；

步骤2，对电控声脉冲发声装置1充电，然后实现高压放电，进而形成声源，对油套环空气体介质产生扰动；

步骤3，通过宽频声波监听传感器3采录回声信号，通过放大器、低通滤波器、双通道AD转换器，由微控制器处理处理回声信号；最后，微控制器通过采用接箍法实现液面数据的精确计算，并通过标准的MODBUS协议传送至上位机。

本发明专利还提供了一种油井、天然气井液面监测的算法，包括以下步骤：

进行声速与动液面深度计算时，需要从信号数据中自动识别出所需要的特征值，然后将特征值提取出来，为计算声速与动液面提供精确的数据条件。由于降噪处理后的接箍信号与液面信号的特性得到突显，特性较明显容易识别，所以特征值的提取是从降噪处理后的信号中进行提取的。特征值提取的目的是为声速计算与动液面的深度计算提供数据信息，声速是利用接箍长度与接箍信号的周期特性进行计算。动液面的深度是利用声速与液面回波信号至井口的时间进行计算的。

具体计算过程如下：

(1)测量窗口选定10个接箍脉冲

通过观察回声曲线可以看出特性脉冲与干扰脉冲混合在一起在测量时应选择一个合适的测量窗口，在此窗口内包含且只包含一个特性脉冲；从而在窗口内选取出最大幅度的脉冲即为特性脉冲，该特性脉冲就是接箍脉冲群。

大量实验研究表明：一般井下动液面声速为V＝240-400m/s，每根抽油杆实际长度L＝9～10m，则有接箍脉冲周期为T＝2L/V，Tmax＝83ms，Tmin＝45ms。由于Tmax<2Tmin，所以选择测量窗口宽度TC＝Tmin＝45ms。

测量时，只要保证窗口的起点为窗口内最大幅度脉冲的起点，即可保证在每个窗口内，有且只有一个特性脉冲。

测量流程如下：

①启动：回声信号的起始脉冲可作为测量启动脉冲。

②脉冲参数测量：脉冲参数包括脉冲起点、宽度和幅度；脉冲起点和宽度可由矩形脉冲输出测得，脉冲幅度可由幅度信号输出得到。

③测量窗口调整：为了使得每个测量窗口内有且仅有一个特性脉冲，应不断地对窗口起点进行调整，应使得窗口起点对准窗口内最大幅度特性脉冲的起点。

④特性脉冲的保存：存储测量窗口内最大幅度脉冲，其它脉冲应舍去。

⑤结束测量过程：一般整个测量过程不超过15s，如果窗口移动完毕，则停止测量过程。

(2)小波变换选定液面波脉冲

声音沿着油套环空持续向下传播时，因受到油管接箍和音标的阻挡，逐渐衰减，直到遇到液面，才会产生一个较大幅度的反射脉冲。因此在测量窗口内通过小波变换寻极致的方法，极易找到液面发射波，然后便可求得动液面值。

(3)比例法求得动液面值

根据采样频率与油管长度，采用比例关系得到动液面深度。例如：油管长度为9.6m，采样间隔2ms，10个接箍波脉冲群之间有307个采样点，液面波脉冲是第9100个采样点，动液面＝9100/307*9.6＝2845.6m。

附图3为完整的动液面回声曲线，主要包括接箍波曲线和液面回波曲线。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的仪器，其特征在于，该仪器为一体化集成结构，该仪器的壳体内集成有电控声脉冲发声装置(1)、宽频声波监听传感器(3)和电路控制处理单元(6)，其中，所述电控声脉冲发声装置(1)用于产生向井下传播的声脉冲信号；宽频声波监听传感器(3)用于采集该声脉冲信号在井下传播过程中产生的回声信号；电路控制处理单元(6)用于对接收到的回声信号进行滤波放大、数模转换，得到数字信号，并对该数字信号进行处理，得到油井、天然气井动液面值。

2.根据权利要求1所述的一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的仪器，其特征在于，所述电控声脉冲装置(1)包括12V大功率脉冲直流高压模块、高压快速响应二极管、大容量电容器、放电电极以及声音耦合材料，其中，所述12V大功率脉冲直流高压模块通过高压快速响应二极管与大容量电容器连接；所述放电电极与大容量电容器连接；所述12V大功率脉冲直流高压模块用于将12V直流电转换为5万伏高压交流电；所述高压快速响应二极管用于将高压交流电进行整流、以及转换为直流电压；所述大容量电容器用于存储电能，当电压达到一定值时，通过放电电极放电，产生较大声音脉冲；所述声音耦合材料用于将声音脉冲完全耦合出去，同时与油套环形空间实现有效隔离。

3.根据权利要求1所述的一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的仪器，其特征在于，所述该仪器还集成有压力变送器(4)，所述压力变送器(4)用于监测井口套压，并将监测得到的压力值传输到电路控制处理单元(6)。

4.根据权利要求1所述的一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的仪器，其特征在于，所述电路控制处理单元(6)为集成电路，包括控制电路(601)、放大滤波电路(602)、数据采集电路(603)、数据存储电路(604)和数据控制处理电路(605)，其中，控制电路(601)、放大滤波电路(602)、数据采集电路(603)、数据存储电路(604)均与数据控制处理电路(605)电连接；所述控制电路(601)用于控制电磁阀(2)的启停与电控声脉冲装置(1)的发声控制；宽频声波监听传感器(3)用于将接收到的回声信号传输到放大滤波电路(602)，通过放大滤波电路(602)对接收到的回声信号进行放大、滤波处理，之后传输到数据采集电路(603)，所述数据采集电路(603)为双通道采集，通过数据采集电路(603)实现对接箍波信号和液面波信号分开采集，对将采集到的回声信号进行数模转换，之后传输到数据控制处理电路(605)，数据控制处理电路(605)将接收到的数字信号存储在数据存储电路(604)中，并对接收到的数字信号进行处理，计算得到动液面值，之后将该动液面值通过通讯电路(606)传输至上位机。

5.根据权利要求1所述的一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的仪器，其特征在于，该仪器的壳体外壁上设置有井口连接器(5)，通过进口连接器(5)布置在待测井的井口处。

6.一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的方法，其特征在于，基于权利要求1-5中任一项所述的一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的仪器，包括以下步骤：

步骤1，关闭电磁阀(2)，对电控声脉冲发声装置(1)进行充电；

步骤2，充电完成后，打开电磁阀(2)，通过电控声脉冲发声装置(1)进行高压放电，进而形成声源，对油套环空气体介质产生扰动；

步骤3，通过宽频声波监听传感器(3)采录回声信号，之后将采集到的回声信号传输到电路控制处理单元(6)，通过电路控制处理单元(6)对接收到的回声信号进行滤波放大、数模转换，得到数字信号，并采用接箍法对该数字信号进行处理，进而得到油井、天然气井动液面值。

7.根据权利要求6所述的一种适用于油井、天然气井动液面连续监测的方法，其特征在于，步骤3中，采用接箍法对该数字信号进行处理，具体方法是：

首先，将接箍波曲线展开，采用模式识别的方式，寻找多个接箍清晰波段，根据采样频率与油管长度，计算得到套管内的声速；最后，依据液面回波抵达的时间，采用比例关系得到动液面的深度。

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