CN114704243A - 一种油气井平均出砂速率的监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油气井平均出砂速率的监测方法，其包括：利用超声波探头在弯管穿孔事故高发区域内发射和接收超声波信号；根据超声波脉冲反射法的原理获取管道剩余壁厚信息并记录；固定监测时间前后记录得到的管道剩余壁厚差值代入冲蚀磨损方程；根据冲蚀磨损方程确定的冲蚀速率计算出砂质量流量。本发明利用了冲蚀磨损方程计算出砂速率，避免了监测过程中单次测量误差和累计误差的影响，仅需要测量固定时间长度内的管道壁厚数值，电路简易，处理系统简单，设备可靠性高，实施起来更加准确，能够在管道穿孔失效前及时发现，并及时更换设备。
Description
技术领域
本发明涉及油气井出砂检测技术领域，具体涉及一种油气井平均出砂速率的监测方法。
背景技术
油气资源是能源的重要组成部分，随着我国深层非常规油气资源开采程度的不断深入，油气井的出砂问题开始凸显，油气田出砂包括前期大排量压裂注入的石英砂或者支撑剂，或者地层的原始砂粒。适当的出砂能够提高油气井的产量，但是，严重出砂会对井下油套管柱、地面管汇及设备造成损坏，造成安全隐患。
现有的出砂在线监测方法及监测装置大多是基于超声波原理，利用超声波传感器(压电换能器)检测砂颗粒撞击管壁的振动信号，从撞击信号中提取出砂信号并得到瞬时出砂量和累计出砂量，但是需要长时间不停地在线监测，通过出砂累加得出总出砂量，处理系统复杂，容易受到监测过程中累积误差的影响，可靠性低。同时，携砂的流体对管壁造成的磨损积累到一定的时间会造成穿孔，部分砂粒直接撞击在超声波传感器结构表面，造成出砂测量结果的失真和传感器结构的损坏，并且由于超声波传感器往往安装在穿孔孔眼处的缘故，导致无法及时发现，从而影响砂检测结果。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种油气井平均出砂速率的监测方法，其利用了冲蚀磨损方程计算出砂速率，避免了监测过程中单次测量误差和累计误差的影响，仅需要测量固定时间长度内的管道壁厚数值，电路简易，处理系统简单，设备可靠性高，实施起来更加准确，能够在管道穿孔失效前及时发现，并及时更换设备。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，包括：
利用超声波探头在弯管穿孔事故高发区域内发射和接收超声波信号；
根据超声波脉冲反射法的原理获取管道剩余壁厚信息并记录；
固定监测时间前后记录得到的管道剩余壁厚差值代入冲蚀磨损方程；
根据冲蚀磨损方程确定的冲蚀速率计算出砂质量流量。
上述的一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，所述利用超声波探头在穿孔事故高发区域内发射和接收超声波信号包括：
利用超声波探头在油气井口弯管下游出口外侧，沿流向的80°～90°的位置区域内发射和接收超声波信号；
所述超声波探头在垂直管道壁方向发射和接收超声波。
上述的一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，所述根据超声波脉冲反射法的原理获取管道厚度信息包括：
获取超声波脉冲在管壁厚度上的传播时间，即测量管壁厚度传播的时间差T；
利用测厚公式计算出管壁厚度。
上述的一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，所述获取超声波脉冲在管壁厚度上的传播时间T包括：
利用超声波探头发射和接收超声波信号，在发射的同时开始计时，接收器收到反射波就立即停止计时；
在第一次接收到超声波回波信号的时刻记为T1，第二次接收超声波回波信号的时刻记为T2。
上述的一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，所述测量管壁厚度传播的时间差T通过以下公式计算获取，
T＝(T1-T2)/2。
上述的一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，所述测厚公式为h＝C×T，
其中h为测量的管壁厚度；C为超声波在铁中的传播速度；T为测量管壁厚度传播的时间差。
上述的一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，所述固定监测时间前后的管道剩余壁厚差值包括：
初始管道壁厚值记为h1，经砂粒一定时间冲击磨损后的管道壁厚记为h2，管道剩余壁厚差值Δh＝h1-h2。
上述的一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，所述冲蚀磨损方程是固体冲击颗粒对材料冲击速度和角度的函数，方程表达式为：
F(θ)＝5.4θ-10.11θ2+10.93θ3-6.33θ4+1.42θ5
其中，ER为冲蚀速率，BH为样品材料的维氏硬度，Fs是锐度系数，根据颗粒形状为圆形、半圆形和不规则粒子分别取0.2、0.53和1；Vp为颗粒速度，θ是以弧度为单位的颗粒的冲击角度，C＝2.17×10-7为经验常数。
上述的一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，所述管道剩余壁厚差值Δh和出砂质量流量关系式为：
利用管道剩余壁厚差值Δh和出砂质量流量关系，代入探头测量到的管道剩余壁厚差值Δh和监测时间t计算得到出砂质量流量m，出砂质量流量m是监测时间段内平均出砂速率，再通过出砂质量流量m计算出出砂量，所述出砂量为累计出砂量。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用了冲蚀磨损方程计算出砂速率，避免了监测过程中单次测量误差和累计误差的影响。
2、本发明仅需要利用超声波探头测量固定时间长度内的管道壁厚数值，电路简易，处理系统简单，设备可靠性高，更加方便实施。
3、本发明利用超声波探头测量固定时间长度内的管道壁厚数值，能够及时发现壁厚变化情况，能够在管道穿孔失效前做出反应，及时更换管道。
下面通过附图和实施例，对发明做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明监测方法原理示意图。
图2为本发明检测装置在管道设置位置的示意图。
图3为本发明超声脉冲反射法检测原理示意图。
图4为不同角度下颗粒冲击角度曲线。
图5为不同角度下颗粒冲击速度曲线。
图6为不同角度下弯管壁冲蚀速率曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明，除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于此阐述的范例；相反，提供这些实施方式将使得本发明更加完整和全面，并将示例实施方式的构思全面传达给本领域的技术人员。所描述的特征可以以任何合适的方法结合在一个或更多实施方式中。
本示例实施方式中提供了一种油气井出砂的监测方法，可以应用于油气井的出砂监测。参考图1中所示，上述的监测方法可以包括以下步骤：
S1，利用超声波探头在预设区域内发射和接收超声波信号，即利用超声波探头在弯管穿孔事故高发区域内发射和接收超声波信号；
S2，根据超声波脉冲反射法的原理获取管道剩余壁厚信息并记录；
S3，固定监测时间前后记录得到的管道剩余壁厚差值代入冲蚀磨损方程；
S4，根据冲蚀磨损方程确定的冲蚀速率计算出砂质量流量，即结合具体冲蚀模型方程反演出砂信息。
本示例实施方式所提供的监测方法，通过超声波探头在预设区域内发射和接收超声波信号；根据发射、接收超声波信号的时间差获取管道厚度数值；结合固定时间段内管道壁厚变化值和具体冲蚀模型方程获取砂颗粒质量流量，提高监测精度并同时监测管道厚度数据。
下面将结合附图及实施例对本示例实施方式中的监测方法的各个步骤进行更详细的说明。
步骤S1，利用超声波探头在预设区域内发射和接收超声波信号。
本示例实施方式，参考图2所示，在油气管道90°弯管的管道下游出口和直管段连接处，其具体位于弯管下游出口外侧，沿流向的80°～90°的位置区域，本实施了中采用了沿流向的85°左右的位置区域，用锉刀搓掉该位置的油漆层，在搓掉油漆层的位置上涂上硅脂，用卡紧箍将超声波探头固定在此位置，发射和接收超声波信号，运用脉冲反射法对管道壁的厚度进行测量。
步骤S2，根据超声波脉冲反射法的原理获取管道厚度信息并记录；
在本示例性实施方式中，举例来说，在测试开始后，首先，超声脉冲反射法检测原理示意图如图3所示，超声波换能器(超声波探头)发出的超声波一部分在外表面被反射回换能器，如图3中(a)所示；一部分如图3中(b)所示，在底面反射回换能器。假设超声波在管道外表面反射回换能器(超声波探头)所用的时间记为T1，在管道内避免，即材料底面，反射回换能器的时间记为T2，超声波在合金钢内的传播速度是C，那么管道壁的厚度h为：
h＝V×T
其中，T＝(T2-T1)/2。
超声波在合金钢中的传播速度C与温度t(单位：摄氏度℃)有如下关系：
C＝5200+0.161t
在常温下，温度每变化1℃，超声波速度变化0.6m/s；
因此,需要利用温度传感器进行声速补偿，将采集到的温度信息传递给处理器，并计算得到正确的距离，减少测量误差。
S3，固定监测时间前后记录得到的管道剩余壁厚差值代入冲蚀磨损方程；
首先，记录固定时间段内管道壁厚损失值。
本示例实施方式中，初始管道壁厚值记为h1，经砂粒一定时间段t的冲击磨损后，管道壁厚记为h2，管道壁厚损失值Δh：
Δh＝h1-h2
上式中，Δh为砂颗粒对管壁冲蚀磨损预设区域的壁厚损失值。
其次，将管道剩余壁厚差值代入冲蚀磨损方程。
步骤S4，结合具体冲蚀模型方程反演出砂信息。
在本示例实施方式中，采用的具体冲蚀模型方程，相关公式为：
F(θ)＝5.4θ-10.11θ2+10.93θ3-6.33θ4+1.42θ5
符号说明：ER为冲蚀速率，(kg/kg)；BH为管道合金钢材料的维氏硬度，GPa；Vp为颗粒速度，m/s，θ是以弧度为单位的颗粒的冲击角度；C＝2.17×10-7为经验常数。
冲蚀速率的单位kg/kg的物理含义是：每千克的砂子(kg)冲蚀磨损的试样质量(kg)，记为kg(试样)/kg(砂)。
管道壁厚损失值Δh和冲蚀速率ER(kg/kg)与出砂量m(kg/s)的公式为：
符号说明：Δh是局部厚度损失，mm；ER是材料所在工况下的冲蚀磨损速率，由实验获得，kg/kg；m是砂颗粒质量流量，kg/s；t是测量时间段长度，s；A是探头测量区域面积，m2。ρw是管道材料密度，kg/m3。
以上所述，仅是发明的较佳实施例，并非对发明作任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，包括：
利用超声波探头在弯管穿孔事故高发区域内发射和接收超声波信号；
根据超声波脉冲反射法的原理获取管道剩余壁厚信息并记录；
固定监测时间前后记录得到的管道剩余壁厚差值代入冲蚀磨损方程；
根据冲蚀磨损方程确定的冲蚀速率计算出砂质量流量。
2.按照权利要求1所述的一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，所述利用超声波探头在穿孔事故高发区域内发射和接收超声波信号包括：
利用超声波探头在油气井口弯管下游出口外侧，沿流向的80°～90°的位置区域内发射和接收超声波信号；
所述超声波探头在垂直管道壁方向发射和接收超声波。
3.按照权利要求1或2所述的一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，所述根据超声波脉冲反射法的原理获取管道厚度信息包括：
获取超声波脉冲在管壁厚度上的传播时间，即测量管壁厚度传播的时间差T；
利用测厚公式计算出管壁厚度。
4.按照权利要求3所述的一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，所述获取超声波脉冲在管壁厚度上的传播时间T包括：
利用超声波探头发射和接收超声波信号，在发射的同时开始计时，接收器收到反射波就立即停止计时；
在第一次接收到超声波回波信号的时刻记为T1，第二次接收超声波回波信号的时刻记为T2。
5.按照权利要求4所述的一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，所述测量管壁厚度传播的时间差T通过以下公式计算获取，
T＝(T1-T2)/2。
6.按照权利要求5所述的一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，所述测厚公式为h＝C×T，
其中h为测量的管壁厚度；C为超声波在铁中的传播速度；T为测量管壁厚度传播的时间差。
7.按照权利要求6所述的一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，所述固定监测时间前后的管道剩余壁厚差值包括：
初始管道壁厚值记为h1，经砂粒一定时间冲击磨损后的管道壁厚记为h2，管道剩余壁厚差值Δh＝h1-h2。
8.按照权利要求1或7所述的一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，所述冲蚀磨损方程是固体冲击颗粒对材料冲击速度和角度的函数，方程表达式为：
F(θ)＝5.4θ-10.11θ2+10.93θ3-6.33θ4+1.42θ5
其中，ER为冲蚀速率，BH为样品材料的维氏硬度，Fs是锐度系数，根据颗粒形状为圆形、半圆形和不规则粒子分别取0.2、0.53和1；Vp为颗粒速度，θ是以弧度为单位的颗粒的冲击角度，C＝2.17×10-7为经验常数。
9.按照权利要求8所述的一种油气井平均出砂速率的监测方法，其特征在于，所述管道剩余壁厚差值Δh和出砂质量流量关系式为：
利用管道剩余壁厚差值Δh和出砂质量流量关系，代入探头测量到的管道剩余壁厚差值Δh和监测时间t计算得到出砂质量流量m，出砂质量流量m是监测时间段内平均出砂速率，再通过出砂质量流量m计算出出砂量，所述出砂量为累计出砂量。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115573697A (zh) * | 2022-09-08 | 2023-01-06 | 中国石油大学(华东) | 多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测预警装置及方法 |
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2022
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|---|---|---|---|---|
| CN115573697A (zh) * | 2022-09-08 | 2023-01-06 | 中国石油大学(华东) | 多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测预警装置及方法 |
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