文献标识码：B文章编号：1003-0492（2023）12-084-03中图分类号：TP274

★宋子平，刘淼，陈冰，韩宏志，赵书娥（中国石油昆仑数智科技有限责任公司，北京102206）

关键词：井下动液面；自动监测；物联网；智慧油田

随着中国石油数字化与智慧化油田建设步伐的逐步加速，油井动液面参数自动化采集与实时动态监测成为油田生产智能化提升与完善的重要内容之一。当前油田生产单位普遍采用回声仪人工现场检测的方法进行油井动液面抽检，不仅采集、处理数据周期较长，且由于油井数量众多、地理位置分散，导致检测工人劳动强度大、采集成本居高不下^[1-3]。通过有效的手段获取准确的动液面数据，可以有效解决数据检测不及时、结果误差大等问题，从根本上实现生产环节的降本增效^[4-5]。因此，如何实现动液面数据的实时自动采集和分析计算是油田生产单位目前急需解决的痛点问题。

随着开发时间不断延长，国内大多数油田进入了开发中后期，例如具有典型“低压、低渗、低丰度”特点的长庆油田，对低能耗、高效生产的需求日益增长。连续跟踪油井动液面数据有助于了解油井生产状态、掌握地层供液情况，并能准确地得到地层参数变化，为及时调整油井生产参数提供了决策依据，从而有效避免空抽现象发生，提升了机采效率。因此，急需开展基于物联网技术的高准确度、高可靠性动液面自动监测系统的研发与应用，以满足日益加快的油田智能化建设需求。

1　传统动液面监测技术现状

当前国内外监测油井动液面的方法分为三大类：物理测量法、软测量法以及回声法。物理测量法对井下设备的精度要求极高；软测量法依据机理或数据等建模方式构建液面动态变化模型，并计算得出动液面深度，其准确度较高，但由于井况差异较大，需对各个油井单独建模，不具备大面积推广条件；回声法通过声波信号计算动液面位置，其成本较低且实用性强，成为石油行业近年来主要采用的技术手段^[6-7]。

国外基于回声法的动液面监测技术较为成熟，例如代表性的D-6B2和D型动液面监测仪，它们测量精准度较高，但产品售价偏高，且存在技术保护壁垒，在国内维护及维修均较为困难。国内相关研究起步较晚，现有产品型号繁多，但质量参差不齐。多数产品测量精度不高，功能单一，如市场占有率较高的ZJY型和CJ型动液面监测仪，由于声波能量有限且在井下衰减严重，因此在低套压、深井等井况条件下均表现不佳。

综上所述，国内利用回声测量动液面深度的研究仍处于初级阶段，无法实时在线测量，且后期需人工对回波信号进行解释分析，其智能化、自动化程度较低，还需开展进一步研究。

2  动液面自动监测系统

针对现有动液面监测系统存在的局限性，本项目研发了一款高精度测量、适应多种井况、结合物联网技术的动液面自动监测系统。该系统可实现连续动态液面监测，测量范围可达到20m～3000m，突破了一般监测仪可测量最小液面值为60m的限制，且液面测量误差≤3‰。

该系统基于自动声源方式的回声法原理，通过连续向套管内放气产生次声波向井底传播，当次声波遇到液面、障碍物、套管接箍后反射回微音器，并转换形成电信号，再经过放大、滤波处理，将实时动态数据编码压缩。RTU可智能地完成声波发声、液面数据采集、井口套压采集、数据存储、通讯连接等全部流程管理。数据采集完成后，上传至数据监控中心进一步分析计算得到液面数值，如图1所示。

图1 回声法动液面监测原理

此外，其上位机软件可实现液面数据的实时分析、自动计算、历史数据查询、液面滤波设置等功能，运行过程全程实现无人值守；且系统软件界面清晰明了、功能完善、操作简便，可根据现场实际需求灵活设定不同采集周期，是智慧化油田建设的一项重要组成部分。

3  关键技术创新

3.1　采用自动声源方式

传统回声法动液面监测系统通常采用氮气瓶声弹或无弹头的火药子弹发声方式，这种方法不仅成本高，而且子弹在发声时易燃爆，存在一定的安全隐患，且具有局限性：其属于走纸式回声仪，不能直接显示液位值；附件多，安装复杂，氮气瓶需不断充装，后期维护费用高。

本系统采用自动声源，克服了传统发声介质工艺结构复杂、成本较高、精确度低和使用寿命短的问题，不仅实现了无人值守，使其安全性得到了保障，而且实现了液面数据的连续监测、自动计算和远程传输，较好地满足了油井数字化需求。

3.2　大功率单向流电磁阀

本系统用于发声的电磁阀采用大功率设计，当在发声过程中遇到漏油情况，可在发声结束后迅速自切断。在电磁阀的后级装有单流阀，当套管内有液体时，由于流动方向相反处于截止状态，可避免在监测过程中发生井口溢流等井控风险。此外，本系统的电磁阀通过优化结构设计，避免了由于温度过低导致电磁阀结冰而出现打不开的情况，可在我国冬季气温极低的北方油田使用。

3.3　动液面自动监测系统装置硬件优化组合

为满足不同条件油井的动液面监测需求，本研究针对不同工况对系统装置进行了优化重组、配置。根据油井（套压）通用压力取值范围、井口供电方式的不同，油井工况可分为有套压型、无套压型和无供电型三种，其具体优化组合方式如下：

（1）对于套管压力大于0.3Mpa的油井，其硬件配置主要包括电磁阀、微音器、数据采集终端RTU、数据传输终端DTU和供电电源。套管内的气体通过电磁阀释放，形成次声波发射到井内沿套管向井底传播，在抵达井底液面后通过反射作用传回管口。套管口的微音器将其转换形成电信号，并经由放大、滤波等处理压缩形成数据编码发送至远程监控中心，分析计算得到油井动液面值。

（2）对于套管压力小于0.3Mpa的油井，配备可简便安装的微型气泵，以空气作为气源，完成次声波的发声。本系统采用的气泵增压能力强，可达到1.2Mpa，较强的发声能量能够有效解决干扰较大情况下液面回波难以识别的问题。该气泵增压次数可达30000次，使用寿命长，无需频繁更换，并且故障率低，能够在提高现场作业效率的同时降低设备维护成本。此外，该气泵连续使用的时间间隔短，最小为10分钟，可满足动态监测需要，且其能够结合数据采集终端RTU、DTU进行数据传输及远程控制指令接收，为实现油田信息化建设提供了技术基础。

（3）对于无供电型油井，可采用太阳能供电，即加装太阳能电池板、太阳能蓄电池和太阳能控制器，可以满足装置在无光照下不间断运行7天，无碳排放压力，进一步降低了系统运行成本。

4　现场应用

4.1　应用场景

本系统在国内某“三低”油田开展了现场试验，对油井进行了连续动液面数据监测。此类低渗透、超低渗透油藏普遍存在地层供液不足的情况，易引起抽油机空抽，造成设备磨损和电能损耗。动液面自动监测系统的应用可为制定科学合理的间抽生产制度提供依据，对稳定优化油井产量和节能减耗、降本增效起到了重要作用。

为充分试验不同井况下动液面自动监测系统的测量精度，本项目选取有套压、无套压、无供电且无套压的三口不同井况油井作为研究对象，并分别对它们安装非气泵型设备、气泵型设备和太阳能供电的气泵型设备。

4.2　设备安装

三台设备箱体采用防爆、防漏油、防风砂设计，有效地保证了设备的安全性，达到并超过国家标准。动液面自动监测仪通过国家防爆机构认证，防爆等级为Ex d IIB T4 Gb，防护等级为IP66。

设备采用活接方式安装在井口，安装简便，且采用一体化结构设计，数据采集、存储、发声、通讯、计算均在设备内完成，对应模块硬件集中在箱体内，有助于实现故障快速排查及风险应对处理，保障了生产运行。

4.3　应用效果

液面测试数据通过光纤方式传回作业区数字化系统，如图2所示。通过液面测试曲线可知，三台动液面自动监测系统采集的液面数据均无干扰，回波曲线清晰。液面数据完全自动生成且计算准确，精度较高。由于选取的测试井为高气油比油井，油井套压存在一定波动，在液面测量的过程中相邻的数据受到井口游离气影响会存在一定的波动，属正常液面变化。

图2 油井液面测试曲线

经过近3个月的液面连续监测，数据采集、分析、计算运行稳定，声速计算准确，液面深度探测精准，与油田数字化系统对接通讯正常，充分证明了动液面自动监测设备能够适应不同井况，实现了油井液面数据的实时监测，具有较好的应用和推广价值。

5　结论

（1）动液面自动监测系统，能实现数据准确采集、稳定传输、精准解释，实现了连续监测环空液面变化情况，为油井制定合理的生产制度提供了依据，对提高处于开发中后期的低压油藏开发效果，以及实现低渗透油藏的经济有效开发具有很重要的意义。

（2）动液面自动监测系统在测试油田中实现了较好的应用效果，能够准确、可靠地自动采集数据、上传至数字化平台、实时监测液面值，并且针对不同井况，可灵活配置装置硬件，满足了现实生产需求。

（3）动液面自动监测系统的自动化与智能化，降低了传统测量对人工的依赖性，并且有助于实现“三低”油田的深度开发，具备良好的推广价值。

作者简介：

宋子平（1998-），女，河北人，工程师，硕士，现就职于中国石油昆仑数智科技有限责任公司，主要从事油气物联网咨询顾问工作。

参考文献：

[1] 皇甫王欢, 张乃禄, 范琳龙, 等. 回声法监测油井动液面影响因素分析与对策[J]. 石油工业技术监督, 2017, 33 (7) : 1 - 3 + 28.

[2] 岳强, 贾旭龙, 李国峰. 煤层气井液面连续监测的新方法[J]. 中国煤层气, 2011, (5).

[3] 陈思维. 油井动液面远程在线监测技术应用[J]. 石油石化节能, 2013, (12).

[4] 徐爱钧. 抽油井环控液面深度自动监测与实现[J]. 石油天然气学报, 2011, 33 (9).

[5] 闫贵堂. 动液面连续监测技术在间抽油井上的应用[J]. 石油工程建设, 2012, 38 (5).

[6] 张乃禄, 李清馨, 刘峰, 等. 基于WiFi的油井动液面监测系统 [J]. 现代电子技术, 2018, 41 (12) : 92 - 94 + 98.

[7] 邹祥城, 黄继庆, 李庆国. 基于动液面控制的抽油机智能排采技术现状[J]. 设备管理与维修, 2020 (21) : 140 - 141.

摘自《自动化博览》2023年12月刊