IFEDC2015361
耿安然，齐庆元，周泉泉，康珍，党向前，陈永浩
中原油田分公司石油工程技术研究院
Annular Protection Liquid Level Auto-monitoring Technology in High Sour Gas Well
Geng Anran, Qi Qingyuan , Zhou Quanquan, Kang Zheng, Dang XiangQian, Chen Y onghao
Research Institute of Production Engineering and Technology, ZhongYuan Oilfield Company
Copyrig ht 2015, Shaanxi Petroleum Society
This paper was prepared for presentation at the 2015 International Field Exploration and Development C onferencein Xi’an, C hina, 20-21 September 2015.
This paper was selected for presentation by the IFEDC Committee following review of information contained in an abstract submitted by the au thor(s). C ontents of the paper, as presented, have not be
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Abstract
Reservoir of Puguang gas field has high temperature, high pressure, high content of hydrogen sulfide, middle content of carbon dioxide, using the permanent packer completion string to seal the packer. Protection liquid is injected to Casing Annular to protect tubing and casing. Annulus protection fluid exists leakage in some gas wells producting,needing supplement. Annulus level position need measured Before injecting to ensure the quantity of protection fluid. The required ing determining protective liquid filling quantity. According to the monitoring of liquid level instrument domestic exist anti hydrogen sulfide, low test precision questions , we successfully developed a high
家用供暖系统sulfur, high precision Testing Liquid Level Instrument. The instrument adopts echo principle, waves are instantaneous generated by gas pressure,reflect acoustic was received by piezoelectric ceramic, noise filtering technology was used to improve the interpretation accuracy of fluid level,the measuring depth up to 4000m.This technique has been successfully applied for over 10 wells in Puguang high sour gas well,and expanding solves annulus fluid level cannot monitoring problem in 4 "casing pumping well(97 wells have been successful), Providing the basis for formulate reasonable work system in oil well.
Key words ：Testing Liquid Level Instrument hydrogen sulfide Annular protection Liquid
摘要
普光气田储层高温、高压、高含硫化氢、中含二氧化碳，完井管柱采用永久式封隔器管柱卡封完井，油、套环空加注防护液保护油套、管。气井生产中部分井环空保护液存在漏失，需补充加注。加注前需测取环空液面位置确定保护液加注量。现有液面监测仪器不抗硫化氢、耐压低、精度不高，针对这一问题，成功研制出高抗H2S、耐压40MPa 的高精度液面测试仪，该仪器主要采用回声原理，气体压差瞬时击发产生声波，压电陶瓷微音器接收声波反射，降噪滤波技术提高液面分析解释精度，测量深度可达5000m，在此基础上本文配套高含硫气井环空液面监测工艺，最终形成高含硫气井环空保护液 液面监测技术。目前该技术已在普光高含硫气井成功应用18 井次，并拓展解决了悬挂4″套管抽油井环空液面无法监测的难题（成功测试97 井次），为高含硫气井环空保护液加注和4″套管抽油井合理工作制度制定提供了依据。
物联网监控平台关键词：液面监测仪；硫化氢；环空保护液
一、前言
普光气田作为海相特大型高酸性气田，具有高温、高压、高含硫化氢和二氧化碳特点，为确保气田安全、高效开发，生产管柱主要采用“井下安全阀+循环滑套+永久封隔器+坐落短节+剪切球座”一体化结构，油层套管主要采用抗硫碳钢和镍基合金套管，其中永久封隔器以下采用镍基套管，以上采用碳钢套管。考虑封隔器以上环空中可能出现电偶腐蚀、氢致开裂、硫化物应力开裂及电化学腐蚀等问题，通过加注环空保护液进行长效保护。
随着气田的开发，封隔器、油套管接箍会出现渗漏现象，致使环空中的保护液不断漏失，环空套压出现异常，需及时补充加注保护液。但由于环空保护液液面无法准确获取，加注量无法准确计算，只能简单依靠井口液体是否返出地面判断环空是否加注满保护液，存在作业风险和加注量、加注时间的不确定性，迫切需要准确测定环空保护液的液面位置，以确定合理的加注量间和加注时。
目前，常规抽油井液面测试技术比较成熟，而高含硫气井环空保护液液面测试，由于部分环空带压井套压达到35MPa 且环空中渗漏有H2S，存在高压、高含H2S 测试难题，国内研究为空白。面对这一难题，本文成功研制了高含硫气井环空液面测试仪，发展形成了高含硫环空液面测试技术，解决了高含硫气井环空液面测试难题。
二、环空液面测试系统设计
针对高含硫气井环空液面测试的技术方法，国内尚无相关文献报道，而常规井下管柱的抽油机井及自喷油井环空动液面监测技术方法则比较成熟，鉴于二者测试情况相似，为此调研了目前矿场常用的抽油机井及自喷油井环空动液面探测方法，优选了适合于高含硫气井的环空液面测试方法（回声探测法），并设计了高含硫环空液面测试系统，该系统主要由次声波高压系统、数据采集与处理系统等组成。
触控产品
2.1 次声波高压测试仪
2.1.1体结构设计基于气体经过调制后再进行发声，可以使原有气流效率高，功率放大这一原理，建立了
气体膜分离
简化模型，分
拼接墙析了气体从高压气仓喷流处的有线元分析频率，功率大小，从而重新优化模型，设计了高压内部结构，即：设计喷嘴直径为φ10mm，并在气流通道上增加一个喇叭形状共鸣腔，确保声波的绝大部分能量聚集在60HZ 以下的频率段上。通过1～60Hz 左右频率段的声波信号来反应液面和节箍，实现长井段信号传输高信噪比、低损失。同时考虑到体接触硫化氢气体可能导致仪器腐蚀穿孔，出现安全隐患，在材质上优选316L, 实现短时间内仪器高抗硫。 图 2-1 有限元网格剖分
图 2-2 有限元模拟分析
2.1.2微音器设计 采用“摩擦生热、整体嵌压工艺”，将压电陶瓷粉末浇筑至不锈钢基体，使微音器耐压提高
到 40MPa ，
耐冲击能力达到 20MPa 。同时创新设计了器谐振片连接方式，将微音器声电转换性能提高约 1.6 倍， 信号分辨度由“s ”级提高至“ms ”级，此外优化了微音器涂膜材料及密封技术，抗硫性能达到了 NACE 标 准。
2.1.3 仪器检测室内实验
(1)耐压密封实验
图 2-3 微音器
为了检验样机的密封性。将样机连接在氮气瓶，氮气瓶开启压力由 1MPa 、5MPa 、10MPa 、15MPa 逐 步上升到 40MPa ，各压力台阶保压 15 分钟。观察各压力台阶下，样机的密封性效果良好。
表 2-1 密封实验数据表
（2）耐温实验
将样机放入-40℃冰柜进行冷冻，4 小时后接入氮气瓶，进行测试，仪器各部件使用正常。然后将仪器 放入 80℃烘箱进行烘烤，4 小时后接入氮气瓶，进行测试，仪器各部件使用正常。
图 2-4 低温实验图 图 2-5 高温实验图 根
据以上设计及试验分析，本文成功开发了高含硫环空液面测试仪，其性能见表 2-2。
火力发电厂土建结构设计技术规定
2.2 数据采集与处理系统
由于普光气田气井井下管柱复杂，环空空间狭小且测试时连接方式受限，测试信号中噪声干扰比较多， 导致测试中节箍波反应不明显，特别是测试前 100 米，测试波形比较模糊，因此该系统设计时具备与微音 器电参数匹配、信号滤波、信号整形和信号放大功能。即：微音器输出的电脉冲信号，需要电路的匹配。 硬件部分根据电脉冲信号的幅值自动做电参数匹配，使测试效果达到最佳效果。经电参数匹配后，送至液 面波滤波器，由滤波器选出所需的液面波信号，滤除其它干扰和杂波。经过滤波的信号进入信号调理电路， 在调理电路中对液面波进行整形。特别是该系统采用小波降噪方法，解决了“信号突变处”识别度低的问 题，液面反射波辨识率提高 30%。
（1）小波分析原理
图 2-6 液面监测数据采集系统界面
小波降噪方法的本质就是将测试信号与低通滤波器和带通滤波器进行褶积，即用小波变换将测试信号 进行分解和重构，分解就是将信号分解成不同频率通道的部分，分解后信号为两部分：其中一部分反映了 信号的背景值，即信号的趋势值，另外一部分反映了信号的细节值，即信号变化的剧烈点，重构就是将处 理后的细节值与趋势值一同重构回去，得到高分辨率的信号。其中对细节值的处理一般可采取平滑滤波来 压制噪声或采取反褶积法加强有用信息。
（2）小波降噪算法
在小波变换过程中最主要的就是计算小波系数，但在计算过程中出现两个难点：①小波系数的计算涉 及到定积分，计算量很大；②在很多情况下，被分析函数往往是未知的。
因此在多尺度分析的基础上，将计算小波系数与信号处理中滤波器相结合，对小波系数进行塔式分解 和重构。
图 2-7 小波分析算法结构图
三、环空液面测试工艺
3.1 测试方式连接及余气处理
图 2-8 小波分析降噪图
将仪器通过转接头连接到气井油管四通压力表针阀处，关闭控制阀 1 和控制阀 2，轻轻打开进气控制阀 3，使高压气体进入储气仓内，此时进入的高压气体不必压力很高，关闭控制阀 3，打开控制阀 1，排放储 气仓气体，使储气仓与套管环空保持一定的压力。关闭控制 1，连接数据记录仪到声音换能器接口，迅速打 开控制阀 3，井口高压气体瞬间通过主控制阀门进入储气仓内，产生次声波，声波沿环空向井下传播，反射 回来的声波由声音换能器接收转换成电信号，同时温度压力检测装置也将套管环空压力值转换成电信号传 入数据记录仪。数据记录仪根据接收信号转换为液面深度数据和套管环空压力数据，数据存入自动控制单 元中的数据存储器，完成数据测量。轻轻打开 1 放气阀门，排放储气仓内高压气体，使其通过余气排放装 置吸收，然后再打开控制阀 2，用余气吹扫装置将残留的气体通过
余气排放装置排出吸收，完成测试。
图 3-1 仪器连接位置
图 3-2 仪器连接示意图
3.2 测试压差优选
针对高含硫气井管柱特点，室内模拟了不同压差声源下仪器接收回声波的极限压差，当压差达到 5MPa
