武廣璦劉剛曹硯鋒賈宗文

1.中海油研究總院； 2. 海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 3. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）

稠油油田出砂地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

武廣璦1，2劉剛3曹硯鋒1，2賈宗文1

1.中海油研究總院； 2. 海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 3. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）

引用格式：武廣璦，劉剛，曹硯鋒，賈宗文. 稠油油田出砂地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)［J］. 石油鉆采工藝，2016，38（4）：519-525.

疏松砂巖稠油油田儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度較低，開(kāi)發(fā)時(shí)易導(dǎo)致出砂。為了保持油田長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)，需要對(duì)油井出砂情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?；谡駝?dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)，研發(fā)了一套適用于稠油油田的實(shí)時(shí)出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用非置入式加速度傳感器測(cè)量砂粒撞擊管道產(chǎn)生的振動(dòng)，通過(guò)對(duì)信號(hào)的濾波、時(shí)域分析、頻譜分析、功率譜分析，建立信號(hào)特征與油井出砂之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井出砂量的監(jiān)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建了測(cè)試平臺(tái)，采用柴油、水作為流動(dòng)介質(zhì)，分別改變砂粒粒度、含砂量、含水率、流速等條件，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的能力進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，在流體介質(zhì)黏度小于250 mPa·s時(shí)，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)44 μm砂粒的測(cè)量。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)8口井上進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，結(jié)果表明，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與油井實(shí)際生產(chǎn)情況一致性較好。稠油油田出砂地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)可用于開(kāi)發(fā)井的出砂監(jiān)測(cè)，有利于提高油田管理效果。

稠油；含砂量；振動(dòng)信號(hào)；實(shí)時(shí)出砂監(jiān)測(cè)；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

疏松砂巖稠油油田儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度較低，開(kāi)發(fā)時(shí)易伴隨地層巖石垮塌、砂粒運(yùn)移現(xiàn)象，導(dǎo)致出砂［1］。部分油田為提高開(kāi)發(fā)效果，生產(chǎn)中采用適度出砂方式進(jìn)行開(kāi)采，出砂問(wèn)題更為嚴(yán)重。油井出砂會(huì)給油田的正常生產(chǎn)帶來(lái)很大危害，如油管砂堵、設(shè)備損壞、縮短油井壽命、降低油井產(chǎn)能等，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失和維修費(fèi)用。為了保持油田長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)，需要對(duì)油井出砂情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便實(shí)時(shí)了解油井的出砂情況，并根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的出砂信息制定合理的防砂策略，達(dá)到更好地控制油井出砂的目的。

油井出砂在線(xiàn)監(jiān)測(cè)是國(guó)際上近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油井出砂的定量研究手段，該技術(shù)在國(guó)外Statfjord、Ravenspurn、Murdoch 等油田獲得了廣泛應(yīng)用，BP、Shell 等多個(gè)石油公司目前已累計(jì)安裝6 500 多臺(tái)含砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)油井生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)出砂狀況，取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益，為上述油田的增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)發(fā)揮了重要作用［2］。國(guó)外研究了多種管道含砂量的檢測(cè)方法，包括聲波檢測(cè)法、ER 檢測(cè)法、X 射線(xiàn)檢測(cè)法、光纖聲波檢測(cè)法、聲納檢測(cè)法，其中較成功且多數(shù)油田使用的方法為聲波檢測(cè)法。聲測(cè)法對(duì)應(yīng)的檢測(cè)傳感器分為內(nèi)置式和外置式2種，外置式出砂聲檢測(cè)傳感器易于安裝，且不用考慮流動(dòng)液體對(duì)其腐蝕作用，因此被廣泛使用［3-4］。

現(xiàn)有的出砂監(jiān)測(cè)研究主要針對(duì)氣井或稀油開(kāi)采，稠油出砂監(jiān)測(cè)方面的研究幾乎空白。研發(fā)了一套適用于稠油油井的實(shí)時(shí)出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用非置入式加速度傳感器測(cè)量砂粒撞擊管道產(chǎn)生的振動(dòng)，通過(guò)對(duì)信號(hào)的濾波、時(shí)域分析、頻譜分析、功率譜分析，建立信號(hào)特征與油井出砂之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井出砂量的監(jiān)測(cè)。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，研制的系統(tǒng)能夠在稠油條件下實(shí)現(xiàn)較好的出砂量監(jiān)測(cè)。

1　系統(tǒng)原理與構(gòu)成Principles and components of the system

研制的出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由加速度傳感器、電纜、多通道數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)軟件處理系統(tǒng)組成。傳感器安裝于井口管道彎管下游處，緊貼管道外壁。流體在管內(nèi)流動(dòng)，砂粒在經(jīng)過(guò)彎管處時(shí)由于運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，將對(duì)管道內(nèi)壁產(chǎn)生撞擊作用，導(dǎo)致管道振動(dòng)。傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送至數(shù)據(jù)采集儀，經(jīng)信號(hào)放大處理后傳送至計(jì)算機(jī)軟件處理系統(tǒng)，進(jìn)行濾波處理、分析、計(jì)算，最后得到出砂量值，如圖1所示。

圖1　出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Sand-production monitoring system

1.1高頻加速度傳感器

Detector for high-frequency acceleration

試驗(yàn)選用高頻加速度傳感器感受出砂振動(dòng)，該傳感器具有靈敏度高、信噪比高、質(zhì)量輕、體積小和工作頻率范圍大等優(yōu)點(diǎn)，其工作原理為壓電元件在一定條件下受力后產(chǎn)生的電荷量與作用力成正比，每只壓電加速度傳感器內(nèi)裝晶體元件的二階壓電張量是一定的，敏感質(zhì)量亦為一常量［5］。因此，壓電加速度傳感器產(chǎn)生的電荷量與振動(dòng)加速度成正比。

出砂監(jiān)測(cè)時(shí)，傳感器直接貼在管道外壁上。為了實(shí)現(xiàn)最佳監(jiān)測(cè)效果，傳感器安裝需遵循一定原則：（1）安裝于管道彎角下游2倍管徑處。通過(guò)FLUENT模擬，得到流體在彎頭處的流動(dòng)情況如圖2所示?？梢钥闯觯趶濐^后2～3倍管徑長(zhǎng)度下游處（圖中橢圓形范圍內(nèi)），流體的流動(dòng)速度達(dá)到最大，砂粒撞擊管壁的速度也最大。傳感器安裝在此位置，理論上可以感應(yīng)到最大的振動(dòng)信號(hào)。（2）安裝傳感器的管道應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定，不允許有明顯的振動(dòng)。（3）安裝前需清潔管道表面以使傳感器緊貼管道，避免兩者間夾有涂料、油污等。（4）傳感器緊固于管道上后，連接電纜，確保電源能夠可靠供電，信號(hào)能可靠傳輸。

圖2　彎管處流速云圖Fig.2 Cloud chart of flow speed around bending pipe

1.2多通道數(shù)據(jù)采集儀

Multi-channel data acguisition deviec

高頻振動(dòng)信號(hào)由傳感器采集，經(jīng)多通道數(shù)據(jù)采集儀放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送到計(jì)算機(jī)，由信號(hào)處理程序?qū)ζ溥M(jìn)行處理［6］。系統(tǒng)中所采用的高速采集卡提供了外觸發(fā)和軟件觸發(fā)2種觸發(fā)源，連續(xù)采集、后觸發(fā)采集、延時(shí)觸發(fā)采集和連續(xù)觸發(fā)采集共4種采集模式。動(dòng)態(tài)庫(kù)文件提供了一系列簡(jiǎn)單的函數(shù)，能夠幫助用戶(hù)完成設(shè)置和讀數(shù)操作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集并實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)。原理如圖3所示。

圖3　多通道數(shù)據(jù)采集儀原理Fig.3 Principles of multi-channel data acquisition device

1.3數(shù)據(jù)采集分析軟件

Software for data acquisition and analysis

根據(jù)對(duì)高頻振動(dòng)信號(hào)的分析需求，開(kāi)發(fā)了信號(hào)采集分析軟件，包括信號(hào)采集、時(shí)域分析、頻域分析等模塊，能夠快速采集處理、實(shí)時(shí)顯示并連續(xù)存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)信號(hào)。信號(hào)變換采用快速傅立葉變換［7］。時(shí)域分析主要有均值計(jì)算、均方值計(jì)算、方差計(jì)算等［8］。頻域分析主要有幅值譜分析、功率譜分析等［9］。濾波器采用IIR濾波器，設(shè)有帶通、帶阻、高通、低通。軟件主要界面如圖4所示。

圖4　軟件流程Fig.4 Flow of software application

2　信號(hào)分析處理Signal processing and analysis

系統(tǒng)采集到振動(dòng)信號(hào)之后，必須要對(duì)其進(jìn)行處理分析。由于信號(hào)處理就是對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換或加工，去除干擾，從中提取有用的特征信息并直觀(guān)展示出來(lái)，便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。生產(chǎn)中砂粒撞擊管道這一過(guò)程可等效為振動(dòng)系統(tǒng)（管道）受到某一強(qiáng)度范圍內(nèi)的隨機(jī)力的激勵(lì)作用而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)隨機(jī)振動(dòng)。對(duì)于隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)最好采用概率和統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析，因此采用濾波、時(shí)域分析及頻域分析等進(jìn)行信號(hào)處理。

2.1濾波

Filtering

采用監(jiān)測(cè)砂粒撞擊管壁產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)這一方法進(jìn)行出砂監(jiān)測(cè)，其中的普遍難題就是信號(hào)干擾，這類(lèi)信號(hào)干擾產(chǎn)生于出砂之外的其他干擾源，例如液體或氣體混合物的噪音、機(jī)械或結(jié)構(gòu)性噪音，排除這類(lèi)背景噪音產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)干擾主要利用振動(dòng)信號(hào)后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程中采用的濾波技術(shù)及信號(hào)的分析方法。

數(shù)字濾波處理可以使信號(hào)特定的頻率成分通過(guò)，而極大的衰減其他頻率成分，通過(guò)計(jì)算讓物理可實(shí)現(xiàn)的實(shí)際濾波頻率特性逼近理想或給定的頻率特性，以達(dá)到去除干擾提取有用信號(hào)的目的?？煞譃檐浖c硬件實(shí)現(xiàn)。濾波設(shè)計(jì)主要分為低通、高通、帶通和帶阻4 種，其中fc1為低頻段的截止頻率，fc2為高頻段的截止頻率，則4種濾波器的特性為：（1） 低通濾波。通頻帶為0-fc2，fc2- +∞為阻帶；（2） 高通濾波。與低通濾波相反，通頻帶為fc1- +∞，0-fc1為阻帶；（3） 帶通濾波。通頻帶為fc1-fc2，其他頻率為阻帶；（4） 帶阻濾波。與帶通濾波相反，阻帶其為fc1-fc2，其他頻率為通帶。不同幅頻濾波器特性如圖5所示，圖中縱坐標(biāo)A1（f）為濾波器輸出與輸入的幅度比。

圖5　幅頻濾波器特性Fig.5 Features of amplitude frequency filter

2.2時(shí)頻分析

Time-frequency analysis

作為非平穩(wěn)信號(hào)處理的一個(gè)分支，信號(hào)時(shí)頻分析主要利用時(shí)間和頻率的綜合函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，通過(guò)利用時(shí)間與頻率的聯(lián)合函數(shù)來(lái)表示非平穩(wěn)信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理和分析。

（1）時(shí)域分析。振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間域分析主要研究振動(dòng)幅值隨時(shí)間變化的波形，具有直觀(guān)、易于理解等特點(diǎn)，是描述振動(dòng)信號(hào)最直接的方法，反映了信號(hào)幅值隨時(shí)間變化的過(guò)程。主要包括均值、均方值、方差及概率密度分布等統(tǒng)計(jì)信息。均值能夠反映隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)變化的中心趨勢(shì)，均方值為信號(hào)平均能量（功率）的表達(dá)，方差表征了信號(hào)純動(dòng)態(tài)分量強(qiáng)度，概率密度反映了信號(hào)幅值的分布情況。

非平穩(wěn)信號(hào)為一種隨機(jī)信號(hào)，其統(tǒng)計(jì)特性隨時(shí)間發(fā)生改變。管道受砂粒撞擊所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)即為此類(lèi)信號(hào)。其概率密度函數(shù)為

式中，x為非平穩(wěn)信號(hào)，m/s2；p（x，t）為概率密度；t為時(shí)間，s。

基于p（x，t）可得

式中，mx（t）為平均值，m/s2；E［x（t）］為期望值，m/s2；Dx（t）為平均值，m/s2；σx2（t）為方差，m2/s4。

自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)為

式中，Rx（t，τ）為自相關(guān)函數(shù)；τ為延遲時(shí)間，s；x*為x的復(fù)共軛序列；Sx（t，f）為概率密度函數(shù)；j為復(fù)數(shù)；f為頻率，Hz。

（2）頻域分析。振動(dòng)信號(hào)的頻率域分析是建立在傅里葉變換基礎(chǔ)上的一種信號(hào)處理方法，可以表示信號(hào)各頻率成分的幅值、相位與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。頻率域分析主要包括傅里葉變換、功率譜密度分析及幅值譜分析。功率譜表示單位頻帶內(nèi)信號(hào)功率隨頻率的變化，反映了信號(hào)功率在單位頻域的分布情況，幅值譜描述了振動(dòng)的大小隨頻率的分布。定義f （t） 為功率信號(hào)

式中，T為周期，s；f*為f的復(fù)共軛序列；p（w）為功率譜值，m2/s3；w為相位；Fτ（w）為x（t）的傅里葉變換；p為平均功率，W。

基于自相關(guān)準(zhǔn)則，自相關(guān)函數(shù)可轉(zhuǎn)換為

式（10）兩邊均乘以1/T并取極限為

功率譜曲線(xiàn) p（w） 所覆蓋的面積即為信號(hào)的總功率。

3　室內(nèi)試驗(yàn)Lab tests

3.1試驗(yàn)臺(tái)架

Test assemblies

室內(nèi)搭建了1套試驗(yàn)臺(tái)架以測(cè)試和校正出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)而優(yōu)化其參數(shù)配置，如圖6所示。測(cè)試臺(tái)架包括循環(huán)系統(tǒng)和信號(hào)采集系統(tǒng)。循環(huán)系統(tǒng)包括控制柜、混砂罐、柱塞泵、管道和恒溫裝置。信號(hào)采集系統(tǒng)包括傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集儀和軟件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。試驗(yàn)過(guò)程中，隨著循環(huán)時(shí)間的增加，流體溫度會(huì)逐漸增高，這會(huì)影響流體黏度的穩(wěn)定，導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)發(fā)生異常變化，所以需要引入恒溫控制裝置。

圖6　室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)架Fig.6 Assembly for lab tests

3.2試驗(yàn)流程

Test procedures

含砂量、砂粒粒徑、流速及流體黏度是影響振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度的4個(gè)主要因素。在實(shí)際稠油開(kāi)發(fā)過(guò)程中，出砂時(shí)常伴有出水的發(fā)生，若不考慮氣體產(chǎn)出，則油管內(nèi)為油、水、砂三相流。由于含水率會(huì)大大影響混相流的綜合黏度，室內(nèi)試驗(yàn)過(guò)程中引入含水率這一控制因素，以還原實(shí)際生產(chǎn)條件。試驗(yàn)過(guò)程中4個(gè)主要因素均考慮了3～5種變化，其中含砂量（‰）：0，0.3，0.5，0.7，0.9；粒徑（μm）：177，100，74，60，44；流速（m/s）：2.15，2.67，2.98，3.39；含水率（%）：100，80，0。試驗(yàn)時(shí)溫度控制在25 ℃，采用柴油作為試驗(yàn)攜砂流體，此時(shí)油品黏度為250 mPa·s。

3.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

Test results and analysis

（1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中，含水率分別控制為0%，80% 和 100%。表1～表3為以上3種含水率情況下，改變砂粒粒徑、流速和含砂量，分別對(duì)應(yīng)的功率譜幅值。

表1　100%含水率條件下室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Data of lab tests at water content of 100%

表2　80%含水率條件下室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Data of lab tests at water content of 80%

（2）出砂監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型?；谝陨显囼?yàn)數(shù)據(jù)，建立1套出砂監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型為

式中，P為功率譜幅值，m2/s3；Q為含砂量，%；D為砂粒粒徑，m；v為流速，m/s；η為含水率；μ為油品黏度，mPa·s；a、b、c、d、e 和f 為自試驗(yàn)結(jié)果擬合得到的系數(shù)。不同應(yīng)用環(huán)境下，系數(shù)會(huì)有所變化。應(yīng)用環(huán)境的變化主要體現(xiàn)在管徑、管道壁厚等因素上。本試驗(yàn)條件下得到的具體公式為

（3）數(shù)學(xué)模型室內(nèi)驗(yàn)證。設(shè)定試驗(yàn)條件為含水率90%，砂粒粒徑188 μm，含砂量0.03%，流速2.15 m/s，流體黏度298 mPa·s。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如圖7所示，可以看出兩者一致性較好。

表3　0%含水率條件下室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Data of lab tests at water content of 0%

圖7　90%含水率情況下測(cè)量功率譜幅值與計(jì)算值Fig.7 Measured and calculated amplitudes of power spectrums at water content of 90%

4　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)On-site tests

4.1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)步驟

Procedures of on-site tests

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，該出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)出砂信號(hào)的有效監(jiān)測(cè)，并建立了出砂量的計(jì)算模型。在2個(gè)油田選擇了8口生產(chǎn)井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?；诿靠诰膶?shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)不同，將以上目標(biāo)井分為4組，每組2口井，用于對(duì)比。每個(gè)井組的生產(chǎn)井生產(chǎn)數(shù)據(jù)類(lèi)似，但出砂情況不同。油井具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4　生產(chǎn)井實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)Table 4 Measured and calculated amplitudes of power spectrums at water content of 90%

4.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

Test data and analysis

以1號(hào)井和2號(hào)井為例。2口井均位于渤海海域內(nèi)同一稠油油田，生產(chǎn)數(shù)據(jù)類(lèi)似：管道內(nèi)流體流速1.75 m/s，含水率87%，油品黏度132 mPa·s，管徑?152.4 mm。1號(hào)井存在出砂的問(wèn)題，產(chǎn)出砂粒徑為180 μm，產(chǎn)砂速度0.026 4 kg/s。2號(hào)井不出砂。出砂監(jiān)測(cè)設(shè)備同時(shí)對(duì)以上2口井進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖8所示。圖中可以看出，1號(hào)井對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)的波動(dòng)情況遠(yuǎn)高于2號(hào)井。1號(hào)井最大功率譜數(shù)值為550 m2/s3，2號(hào)井為280 m2/s3，監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合。設(shè) 定Q=1.45%，D=1.8×10-4m，v=1.75 m/s，η=0.87，μ= 162 mPa·s，采用式（14）計(jì)算得到1號(hào)井的平均功率P=561 m2/s3，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合。

圖8　1號(hào)井和2號(hào)井功率譜圖Fig.8 Power spectrum of Well 1 and Well 2

圖 9～圖11 為其余6口井的監(jiān)測(cè)結(jié)果。相比同組不出砂的生產(chǎn)井，出砂井對(duì)應(yīng)的功率譜值及波動(dòng)情況要更為劇烈。

圖9　3號(hào)井和4號(hào)井功率譜圖Fig.9 Power spectrum of Well 3 and Well 4

圖10　5號(hào)井和6號(hào)井功率譜圖Fig.10 Power spectrum of Well 5 and Well 6

圖11　7號(hào)井和8號(hào)井功率譜圖Fig.11 Power spectrum of Well 7 and Well 8

5　結(jié)論Conclusions

（1）出砂在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由加速度傳感器、電纜、多通道數(shù)據(jù)采集儀和軟件處理系統(tǒng)組成。建立了室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，基于此平臺(tái)開(kāi)展了一系列測(cè)試試驗(yàn)，分別調(diào)整了含砂量、含水率、流速和砂粒粒徑，建立了一套出砂監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型。

（2）現(xiàn)場(chǎng)8口生產(chǎn)井試驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)出砂量的量化監(jiān)測(cè)。由于出砂監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型系數(shù)較多且隨著應(yīng)用條件不同需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，增加了系統(tǒng)推廣應(yīng)用的難度。優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)化參數(shù)設(shè)定流程，是該技術(shù)下一步的攻關(guān)方向。

［1］ EARLES D M， STOESZ C W， AMARAL A D S，PEARCE J G， DEJONGH H， RAMBOW F H K. Realtime strain monitoring of sand-control completions ［R］. SPE 134555， 2010.

［2］ 任閩燕，趙益忠，宋金波，崔愛(ài)梅，崔峻. 油井含砂在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［J］. 西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，34（1）：141-146. REN Minyan， ZHAO Yizhong， SONG Jinbo， CUI Aimei，CUI Jun. Research on real-time sanding monitoring system for oil well ［J］. Journal of Southwest Petroleum University: Science & Technology Edition， 2012， 34（1）: 141-146.

［3］ IBRAHIM M， HAUGSDAL T. Optimum procedures for calibrating acoustic sand detector， gas field case［R］. SPE 2008-025， 2008.

［4］ BEATTIE A G， BOHON M W. Acoustic sand detector for fluid flow streams: United States Patent Number 5257530 ［P］. 1993-02-11.

［5］ 魏學(xué)業(yè). 傳感器與檢測(cè)技術(shù)［M］. 北京：人民郵電出版社，2006. WEI Xueye. Sensors and detection technology ［M］. Beijing: Posts & Telecom Press， 2006.

［6］ 李利品，高國(guó)旺，任志平. 基于DSP和FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 電測(cè)與儀表，2008，45（8）：42-44. LI Lipin， GAO Guowang， REN Zhiping. Design of data acquisition system based on DSP and FPGA ［J］. Electrical Measurement & Instrumentation， 2008， 45（8）: 42-44.

［7］ 胡麗瑩，肖蓬. 快速傅里葉變換在頻譜分析中的應(yīng)用［J］. 福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，27（4）：27-30. HU Liying， XIAO Peng. Application of fast fourier transform in frequency and spectrum analysis ［J］. Journal of Fujian Normal University : Natural Science Edition， 2011， 27（4）: 27-30.

［8］ 葛哲學(xué)，陳仲生. Matlab時(shí)頻分析技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京： 人民郵電出版社，2006. GE Zhexue， CHEN Zhongsheng. Matlab time-frequency analysis and its applications ［M］. Beijing: Posts and Telecom Press， 2006.

［9］ 李春林，伍勇. 基于FFT與自相關(guān)函數(shù)的快速功率譜估計(jì)方法［J］. 艦船電子工程，2011，31（10）：92-95. LI Chunlin， WU Yong. Fast power spectrum estimation method based on FFT and autocorrelation function ［J］. Ship Electronic Engineering， 2011， 31（10）: 92-95.

（修改稿收到日期 2016-06-10）

〔編輯 李春燕〕

Ground real-time monitoring on sand production of heavy oil reservoir

WU Guang’ai1，2， LIU Gang3， CAO Yanfeng1，2， JIA Zongwen1
1. CNOOC Research Institute， Beijing 100028， China；2. State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation， Beijing 100028， China；3. China University of Petroleum （ East China ） ， Qingdao， Shandong 266580， China

With lower rock strength， loose sandstone heavy oil reservoirs are susceptible to sand production. To maintain peak production over a long term， it is necessary to monitor sand production in real time. A real-time sand-production monitoring system suitable for heavy oil reservoirs has been developed based on techniques for monitoring vibration signals， in which an independent acceleration detector is used to detect vibrations induced by collision of sand particles on pipe string. Through filtering， time domain analysis， frequency spectrum analysis and power spectrum analysis of relevant signals， the relationship between signal features and sand production has been found out to realize monitoring of sand-production of oil producers in real time. Lab tests were performed to test the performance of the monitoring system by changing granularity of sand grains， sand content， water cut， flow speed of flow medium， and using diesel and water as flow media. The test results show the system can detect sand grains of 44 μm in size at flow medium viscosity of less than 250 mPa·s. The monitoring system has been used on 8 wells. The test results show the monitoring results of the system are quite consistent with actual production performance of the oil producers. The newly developed real-time monitoring technique for heavy oil reservoirs can improve management of oilfields.

heavy oil； sand content； vibration signal； real-time monitoring over sand production； on-site application

TE21

B

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0519- 07

10.13639/j.odpt.2016.04.022

WU Guang’ai， LIU Gang， CAO Yanfeng， JIA Zongwen. Ground real-time monitoring on sand production of heavy oil reservoir［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 519-525.

國(guó)家“十三五”科技重大專(zhuān)項(xiàng)“海上稠油油田高效開(kāi)發(fā)鉆采技術(shù)”（編號(hào)：2016ZX05025-002）。

武廣璦（1984-），中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣井工程專(zhuān)業(yè)碩士研究生，主要從事完井工藝的設(shè)計(jì)和研究工作，工程師。通訊地址：（100028）北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6 號(hào)院海洋石油大廈。電話(huà)：010-84526474。E-mail： wuga@cnooc.com.cn