高樹利 馮立衛（中海石油（中國）有限公司蓬勃作業公司）

渤海區域的海上油田因地質油藏復雜，斷層十分發育，淺層構造破碎，油氣分布及壓力系統較復雜，屬于多套油水系統的構造層狀油藏。部分油井由于出砂嚴重導致無法生產[1]，基于生產過程中的出砂數量及動態狀況，相對于繞絲高壓充填工藝技術在油田的推廣[2]，該油田則采用了ClampOn 測砂儀實時測算數據，來應對生產井出砂的問題，為生產狀況做出相應的抉擇。

1 ClampOn 測砂儀的工作原理

ClampOn 測砂儀基于ClampOn 公司的“超聲波智能傳感器”技術，含有一個新型過濾技術的數字處理單元，監測顆粒物時能更好地分析實際產砂狀況，最終有助于增加生產井的收益。這種濾波技術集成了數以千計生產井的經驗數據分析成果，應用于該型號的傳感器之中。這種測砂儀可實現每秒128 次掃描1 MHz 范圍內的頻率。這表明其技術能力及濾波技術在獲取和處理測砂數據方面，處于技術先行的地位。

測砂儀的特性是數字化，模擬濾波器，電子回路及放大器。此項技術包含一個強勁的帶有大容量運行緩存的數字信號處理單元，打包在一起的模塊化軟件。傳感器能同時處理多頻段的超聲波，全系列新型信號處理特性，包含終端濾波技術。不同的排氣閥或流量條件能產生很多相互不關聯的砂噪，該型號的傳感器通過濾波技術幾近美好地解決這些難題。既能減少噪音的干擾，也會提高精度和準確度，使得產砂數量等重要參數，成為日常測砂管理操作的關鍵依據。沒有其它的技術能像ClampOn 傳感器一樣，滿足用戶對效益和測砂生產的追求。

2 ClampOn 測砂儀的特性

對油氣生產者來說，油氣井里的含砂是個嚴重的問題。即使井液中的數量不多的顆粒砂，也能引起嚴重的破壞，避免出砂的挑戰幾無可能，所以需要盡可能地增加生產井的良好產出率。因此，ClampOn 測砂監控系統在世界得到了廣泛的應用。帶有高性能濾波器的ClampOn 傳感器堅不可摧，優化過的濾波器，能有效應對不規則的原始噪音，尤其適合挑戰性的高溫高壓工況下的測砂監控。特性示意圖見圖1，傳感器安裝在管道的90°彎頭處，其內部受顆粒/固體沖擊管壁而產生超聲波。超聲波信號穿過管道，傳到外部的超聲波傳感器。出廠的ClampOn 傳感器都是校驗過的，客戶可以直接使用而無需再次校驗，只要簡單地在管壁上夾緊即可。擁有ClampOn 智能傳感器，將信號使用內部的數字處理單元測算、過濾及變送后，送至微機或控制系統。

圖1 特性示意圖

3 測砂選型及運行分析

海上油田主力含油層系發育于新近系明化鎮組下段和館陶組，儲層巖性為河流相沉積的陸源碎屑巖，所有館陶組層位小于44 μm 的細粉砂含量大于或等于11%，油田儲層段的地層砂不均勻系數和細粉砂含量均較高，地層砂極為不均勻[3]。由于油層膠結疏松、細粉砂含量高[4]，測砂系統的選型按照200 年一遇的地震（連續2 震波） 強度：垂直0.25 g，水平0.50 g；風速為百年一遇的風暴35.6 m/s，每年工作條件的風速22.14 m/s（平均海平面以上10 m的3 s 陣風），選擇了帶有新型濾波器的ClampOn 傳感器及配套控制系統，海上油田測砂儀架構如圖2。

圖2 海上油田側砂儀架構

測砂儀裝置夾在管道的外部，無損方式安裝，用于探測超聲波，監測油、氣和多相組分生產過程中的固體/顆粒數量。正確的操作方式，是測砂儀需安裝在管道90 度彎頭處。這種方式下，流體中的顆粒在經過彎頭時，很少有其它因素的干擾，檢測儀得以搜集流體中的顆粒在管壁內碰撞時釋放的真實能量。現場探測器內置的電子信號處理單元，直接過濾掉任何背景中的噪音擾動。現場單元依據流體中顆粒碰撞程度，計算出其釋放的能量級。現場的檢測儀將相關信息以數字格式，經由串行RS485 鏈接，送至生活區設備間的系統主控制柜。該控制柜裝有存儲趨勢的接口計算機，現場接口電子部件和用于與系統串行通訊的模塊。

系統配備了數字和模擬接口，兼容所有的通用協議，輕松地集成到現有的艾默生集散控制系統。一臺裝有ClampOn 軟件的微機，用于連接ClampOn的測試儀器和控制系統。這臺微機處理測砂傳感器的原始數據和第三方的流量數據，計算出砂況，然后把計算好的含砂比率輸出到設施的艾默生過程控制系統。所有記錄的數據也被存儲用于分析及校驗。使用的數字接口，采用兩種方式用于儀器軟件的升級和配置，滿幅信號范圍分辨率，所有的傳感器信號皆可變送且無信號丟失。

如圖3 海上油田測砂儀波形曲線，展示了該油田一個帶有新型濾波器的ClampOn 傳感器，安裝在高壓和高速的油井管匯上，對其生產過程中的測砂信號，檢測調制而成的經驗值。波形曲線表明，由于采用了新型濾波技術，超聲波形曲線Raw 看起來清晰明了，這表明傳感器消除了流量噪音，監測出生產中真實的出砂狀況。

圖3 海上油田側砂儀波形曲線

4 應用效果

當砂粒從儲油層產出時，降低了生產率，增加了維護成本，也給環境帶來嚴重的危害。另外，由于油井出砂、結蠟等，造成部分油井功率損失較大[5]。出砂曲線見圖4，紅線是安全生產的上限，越接近紅線，效益越好。在紅線上方，可能連續出砂。 藍線之下的安全距離， 不會產生砂粒，這是一種安全但是昂貴的管理砂粒的方式。生產井在紅藍區間繼續向上增效時，依據出砂曲線，很快就是一個無砂井。當該井最后的一段時間沒有出砂的時候，可以再次增加產量，這可能導致一次出砂，但應該讓生產繼續以觀察趨勢，確定下一個構造穩固的油層。

圖4 出砂曲線

生產中，該油田的H79ST02 井電潛泵功耗異常變化，通過對測砂實時監測工況的分析，判斷油井出砂的可能性較高，曲線正在接近而未超過紅線。適當降低電潛泵頻率避免馬達溫度持續異常后，開始對采出液進行取樣化驗，1%的砂量結果，出砂情況得到了很好的控制，驗證了之前的判斷，井下工況逐步趨于穩定。依據測砂曲線變化，避免了該井的壓裂充填防砂作業，只此一項，直接降本100余萬元。H62ST01 井的測砂曲線雖然一直在紅線上方，但趨勢逐漸下行，通過加密取樣化驗、隨時搖動油嘴以避免砂堵甚至砂埋等措施，將曲線穩定在紅藍線中間的位置，避免了一口日產原油1 000 余桶的油井由于砂埋而被迫停井的被動局面，直接每天增效300 萬元以上。

投產以來，ClampOn 實時砂粒監控系統感知出砂的性質及狀態趨勢，當生產油層穩定時，掌握出砂是如何隨著時間變化的。最后，找到生產井的理想采出率區間，實現有效的和安全的無砂率（或可容許的），明顯提高了海上油田生產井的效益，大大降低能耗及運營成本。

新疆石西油田

5 結論

ClampOn 測砂系統在該油田投用十多年以來，很好地檢測了油田油氣生產過程中的各種固體/顆粒工況，將管線和設備磨蝕損壞的風險最小化。在海洋石油資源高消費的生產情況下[6]，ClampOn 測砂系統技術運行穩定可靠，成為維持有效益的安全的砂粒管理工具，有力促進了海上油田生產井的效益提升，降低生產投入及維護成本，節約生產能耗，是安全生產強有力的依托和保障。同時，對其它油田生產及相關行業的出砂檢測，具有一定的參考和借鑒作用。