功圖法在油田開發(fā)中的應(yīng)用

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第七采油廠數(shù)字化與科技信息中心 凌 冰

功圖法在油田開發(fā)中的應(yīng)用

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通過對(duì)“功圖法”計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理、組成、功能的描述以及對(duì)其在白豹油田的應(yīng)用評(píng)價(jià)，證明“功圖法”計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試的油井產(chǎn)液量值與實(shí)際單量值基本接近，比較能夠反映油井的實(shí)際產(chǎn)液能力，滿足油井計(jì)量的精度要求，為今后油田油井功圖法計(jì)量系統(tǒng)的推廣提供了保證。

功圖法；事故罐計(jì)量；計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)測(cè)試技術(shù)已日趨完善。油井“功圖法”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有三個(gè)等級(jí)的方案可供選擇，分別是便攜式抽油井單井測(cè)試計(jì)量系統(tǒng)、移動(dòng)存儲(chǔ)式油井自動(dòng)監(jiān)測(cè)計(jì)量系統(tǒng)和無線傳輸式油井自動(dòng)監(jiān)測(cè)計(jì)量系統(tǒng)。針對(duì)長(zhǎng)慶油田的特點(diǎn)，使用低成本投入、高可靠性和易維護(hù)、可拓展的抽油機(jī)“功圖法”單井計(jì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，替代并簡(jiǎn)化了計(jì)量流程，降低了產(chǎn)建投入和運(yùn)行成本。功圖法計(jì)量系統(tǒng)是用于全天候?qū)崟r(shí)測(cè)試抽油機(jī)示功圖參數(shù)的無人值守自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由一個(gè)數(shù)據(jù)處理點(diǎn)（中央處理單元）和多個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)（井口監(jiān)測(cè)單元）組成，數(shù)據(jù)處理點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通訊根據(jù)白豹油田的地形地貌特征選用移動(dòng)存儲(chǔ)方式來實(shí)現(xiàn)。

2.系統(tǒng)原理

2.1 固定式載荷傳感器技術(shù)原理

為了便于安裝，載荷傳感器設(shè)計(jì)為開口形式，如圖1所示。

在兩個(gè)對(duì)稱的不銹鋼彈性元件表面分別貼了兩個(gè)應(yīng)變計(jì)，如圖2。

其中R1和R3這兩個(gè)應(yīng)變計(jì)的敏感柵方向與載荷方向平行，R2和R4與載荷方向垂直。其中R2和R4這兩個(gè)應(yīng)變計(jì)用于消除橫向效應(yīng)，并用于溫度補(bǔ)償。把這四個(gè)應(yīng)變計(jì)接成如圖3的惠斯頓電橋，則經(jīng)放大后的載荷信號(hào)正比于載荷大小，也就是說測(cè)到該信號(hào)的電壓值就得到載荷值。

2.2 加速度計(jì)式位移傳感器技術(shù)原理

本系統(tǒng)方案應(yīng)用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)游梁角度測(cè)量，進(jìn)而換算為光桿位移，如圖4。

在圖4中，L為前臂長(zhǎng)度，R為驢頭弧面半徑。驢頭弧面的圓弧運(yùn)動(dòng)變?yōu)閼尹c(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)直線運(yùn)動(dòng)的位移用y(t)表示，y0為初始位移，α0為驢頭弧面半徑初始角度（此時(shí)游梁為水平位置，即游梁傾角為0°，若t時(shí)刻游梁傾角為α(t)單位為rad），則

設(shè)到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)游梁角度為α1，則下死點(diǎn)位移

那么相對(duì)于下死點(diǎn)的相對(duì)位移為

設(shè)上死點(diǎn)游梁角度為α2，則沖程為

那么t時(shí)刻的相對(duì)位移為

表一 功圖法計(jì)量與事故灌單量數(shù)據(jù)對(duì)比表

圖1 載荷傳感器安裝示意圖

圖2 應(yīng)變計(jì)承載彈性元件示意圖

圖3 應(yīng)變計(jì)差動(dòng)放大正比于載荷大小示意圖

y’(t)＝s［α(t)-α1］/(α2-α1)

在一個(gè)沖次之內(nèi)測(cè)到相對(duì)位移和載荷即得到光桿示功圖。設(shè)游梁角度為α(t)，如圖5。設(shè)重力加速度為g(m/s2)，當(dāng)游梁處于水平位置，則加速度計(jì)輸出a1＝0m/s2，當(dāng)游梁垂直，則a2=1m/s2。在t時(shí)刻有

得到角度即可換算出光桿位移。

3.系統(tǒng)組成及功能

油井“功圖法”計(jì)量系統(tǒng)主要由有桿泵抽油系統(tǒng)、功圖法油井計(jì)量分析軟件系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)三部分組成。

3.1 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)

每個(gè)抽油機(jī)上安裝的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)由固定式載荷傳感器、加速度計(jì)式位移傳感器和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元（數(shù)據(jù)采集控制器）、數(shù)據(jù)傳輸天線等組成，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元（RTU模塊）與數(shù)據(jù)處理點(diǎn)（中央處理單元）進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊傳輸。

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元

圖4 加速度傳感器測(cè)量游梁角度示意圖

圖5 相對(duì)位移和載荷示意圖

圖6 實(shí)物安裝圖

主要由工業(yè)級(jí)單片計(jì)算機(jī)(CPU)、12位A/D、8KB緩存、RS485通訊板及電源板組成。安裝在抽油機(jī)支架中段。井場(chǎng)RTU接收到監(jiān)測(cè)軟件定時(shí)(10min一次)發(fā)送的采集指令后，中心CPU通過A/D轉(zhuǎn)換通道讀取經(jīng)過放大后的載荷、位移信號(hào)，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到系統(tǒng)實(shí)時(shí)的載荷、位移、沖程、沖次等參數(shù)，存入緩沖內(nèi)存；然后再通過RS485通訊板、數(shù)轉(zhuǎn)電臺(tái)向中心控制器發(fā)送參數(shù)數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)處理點(diǎn)（中央處理單元）

數(shù)據(jù)處理點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、監(jiān)測(cè)平臺(tái)（監(jiān)測(cè)軟件、油井計(jì)量軟件等）、微機(jī)及室外設(shè)備（中心天饋線）等組成，通過數(shù)據(jù)采集服務(wù)器接收數(shù)據(jù)采集點(diǎn)采集的示功圖測(cè)試參數(shù)。監(jiān)測(cè)軟件按規(guī)定格式提供有效數(shù)據(jù)給油井液量分析功能模塊（油井計(jì)量軟件），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井單井計(jì)量分析、工況診斷等功能，數(shù)據(jù)處理點(diǎn)的功能包括測(cè)試數(shù)據(jù)（示功圖）的收集、處理和分析。

表2 白豹油田幾個(gè)井組的功圖法計(jì)量與單量液量對(duì)比效果

表3 一些不正常井的功圖法計(jì)量與單量對(duì)比效果

3.4 數(shù)據(jù)采集服務(wù)器

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器內(nèi)置工業(yè)級(jí)單片計(jì)算機(jī)(CPU)、8KB緩存、RS232通訊口、交流/直流穩(wěn)壓電源、存儲(chǔ)讀寫模塊，主要功能是設(shè)置存儲(chǔ)盤的工作指令，讀取存儲(chǔ)盤傳輸?shù)氖竟D采集數(shù)據(jù)，并通過串行接口與微機(jī)串行接口交換數(shù)據(jù)。

3.5 監(jiān)測(cè)平臺(tái)

監(jiān)測(cè)平臺(tái)運(yùn)行在P4微機(jī)上，由監(jiān)測(cè)軟件、單井計(jì)量分析軟件等模塊組成。監(jiān)測(cè)軟件由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：井號(hào)維護(hù)，數(shù)據(jù)維護(hù)，采集數(shù)據(jù)，功圖顯示，液量計(jì)算等。

本系統(tǒng)按每10min測(cè)試一次的頻率設(shè)置油井示功圖參數(shù)的采集方案，每天每口井可采集144組數(shù)據(jù)，模塊按井號(hào)和日期進(jìn)行檢索，可儲(chǔ)存、累計(jì)、顯示當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)。

3.6 系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)

(1)固定式載荷傳感器：量程0-150KN，精度0.5%，采用開口三柱式設(shè)計(jì)方案；

(2)位移模塊：角度量程0-150°，精度0.5%，應(yīng)用加速度傳感原理實(shí)現(xiàn)（集成板）；

(3)光桿沖程：量程0-10m，精度0.5%；

(4)移動(dòng)存儲(chǔ)盤：容量2×64M，雙盤設(shè)計(jì)，滿足儲(chǔ)存2880組示功圖數(shù)據(jù)要求。

3.7 監(jiān)測(cè)軟件及油井計(jì)量軟件運(yùn)行操作

在windows2000平臺(tái)下運(yùn)行監(jiān)測(cè)軟件，首次使用或油井調(diào)參、作業(yè)后應(yīng)先進(jìn)行系統(tǒng)特定參數(shù)設(shè)置或修改，然后啟動(dòng)采集數(shù)據(jù)模塊。進(jìn)入主界面后，先進(jìn)行井號(hào)維護(hù)功能。點(diǎn)擊井號(hào)維護(hù)進(jìn)入該功能，井號(hào)維護(hù)是由系統(tǒng)管理員來進(jìn)行的工作，其他人無權(quán)進(jìn)行。當(dāng)此工作完成后，點(diǎn)擊保存來保存數(shù)據(jù)。

3.8 監(jiān)測(cè)計(jì)量系統(tǒng)主要功能

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，設(shè)定地面示功圖數(shù)據(jù)采集時(shí)間及間隔。在數(shù)據(jù)處理點(diǎn)，通過監(jiān)測(cè)與計(jì)量分析軟件，直接進(jìn)行設(shè)定參數(shù)操作。

3.8.1 實(shí)現(xiàn)全天候數(shù)據(jù)采集

在抽油井井口安裝負(fù)荷傳感器，在抽油機(jī)游梁支架上安裝角位移傳感器，分別測(cè)量光桿的負(fù)荷變化及抽油機(jī)運(yùn)行周期變化，經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換，測(cè)出抽油機(jī)的地面示功圖。

3.8.2 實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸

將各數(shù)據(jù)采集點(diǎn)油井實(shí)測(cè)功圖數(shù)據(jù)，通過數(shù)傳電臺(tái)傳送給數(shù)據(jù)處理點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理點(diǎn)可直接觀察到每口井的測(cè)試功圖及油井工況，如發(fā)現(xiàn)異常情況可及時(shí)提醒管理人員采取相應(yīng)措施。同時(shí)系統(tǒng)將采集數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.8.3 實(shí)現(xiàn)油井產(chǎn)液量自動(dòng)計(jì)量

通過《功圖法油井計(jì)量分析軟件》，對(duì)地面示功圖采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、工況診斷、計(jì)算油井產(chǎn)液量。

3.8.4 實(shí)現(xiàn)油井自動(dòng)化管理

系統(tǒng)建立了油井、示功圖及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)示功圖數(shù)據(jù)查詢、油井產(chǎn)液量計(jì)算及生產(chǎn)報(bào)表的生成，等無線網(wǎng)絡(luò)建成后可將油井產(chǎn)液量數(shù)據(jù)直接上報(bào)。

4.系統(tǒng)應(yīng)用分析及評(píng)價(jià)

該功圖法計(jì)量系統(tǒng)在白豹油田共安裝303套。經(jīng)調(diào)試，各功能模塊（單元）通訊良好，功圖采集較準(zhǔn)確，系統(tǒng)運(yùn)行正常，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表2是白豹油田幾個(gè)井組的功圖法計(jì)量與單量液量對(duì)比效果。

經(jīng)過對(duì)油井單量與功圖法計(jì)量液量的對(duì)比，各井組的平均誤差為7%，其誤差值小于10%，完全滿足功圖法計(jì)量系統(tǒng)精度的要求，能夠起到很好的指導(dǎo)生產(chǎn)作用。

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，隨著安裝井?dāng)?shù)的增加，油井工況的復(fù)雜多變，系統(tǒng)計(jì)量的誤差也隨之變大。應(yīng)用功圖法計(jì)量軟件對(duì)白豹作業(yè)區(qū)六個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)（計(jì)量站點(diǎn)）225口油井采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行油井產(chǎn)液量計(jì)算，并與同期事故罐單量結(jié)果相對(duì)比，其平均全天偏差為29.08m3/d，平均全天誤差為19.13%，總體誤差值有所偏大。對(duì)比數(shù)據(jù)資料如表1。

對(duì)此經(jīng)過認(rèn)真分析后，發(fā)現(xiàn)一些井場(chǎng)存在有少量不正常井（如間出井、漏失井、參數(shù)不及時(shí)更新的油井等），這些油井的計(jì)量液量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際產(chǎn)液量，影響了功圖法計(jì)量產(chǎn)量的精度，表3是一些不正常井的功圖法計(jì)量與單量對(duì)比效果。

經(jīng)過以上數(shù)據(jù)分析，這些不正常井組影響了功圖法計(jì)量的準(zhǔn)確性，致使計(jì)量誤差有所偏大；但這些不正常井通常占有很少的比例，對(duì)整體區(qū)塊的影響不是很明顯，下步將通過研究這些油井的實(shí)際功況，進(jìn)行措施治理，調(diào)整區(qū)塊計(jì)量系數(shù)，使其達(dá)到最佳計(jì)量狀態(tài)。

5.幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和建議

（1）油井自動(dòng)監(jiān)測(cè)與計(jì)量系統(tǒng)能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)采集示功圖數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)、工況診斷、產(chǎn)液量計(jì)算等功能。具有安裝時(shí)間短、投資低、操作方便、自動(dòng)化程度高、能與事故罐計(jì)量具有同步性等特點(diǎn)。

（2）應(yīng)用加速度計(jì)式傳感器測(cè)量光桿的沖程、沖次，實(shí)現(xiàn)位移的無繩測(cè)量是計(jì)量系統(tǒng)的創(chuàng)新技術(shù)，能精確、同步測(cè)試示功圖，為單井計(jì)量軟件的應(yīng)用提供了真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)源。系統(tǒng)的應(yīng)用要求是能夠按規(guī)定的采集周期自動(dòng)監(jiān)測(cè)油井的示功圖參數(shù)，通過監(jiān)測(cè)軟件和單井計(jì)量軟件計(jì)算分析油井的單井產(chǎn)量、診斷油井的工作狀況。

（3）系統(tǒng)是按每10分鐘巡檢一次的頻率設(shè)置油井示功圖參數(shù)的采集方案，每天每口井可采集144組數(shù)據(jù)，完全滿足單井計(jì)量分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)源的精度要求。通過進(jìn)行事故罐單量對(duì)比試驗(yàn)，經(jīng)調(diào)試，數(shù)據(jù)采集、通訊良好，功圖數(shù)據(jù)采集較精確，系統(tǒng)運(yùn)行基本正常，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。采用自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，首先保證了資料的客觀性和準(zhǔn)確性；其次可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷測(cè)試，提高計(jì)量精度；再次是可以減少人力成本，提高測(cè)試的可靠性和準(zhǔn)確性，同時(shí)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)油井自動(dòng)化管理、科學(xué)管理，達(dá)到簡(jiǎn)化地面計(jì)量流程，降低油田開發(fā)投資，提高油井管理水平和開發(fā)效益的目的。

（4）油井的基礎(chǔ)參數(shù)必須及時(shí)更新，如油壓、套壓、含水、動(dòng)液面桿柱組合、泵徑、泵掛和沖程等參數(shù)進(jìn)行更新。

（5）應(yīng)加強(qiáng)井筒分析，井筒不正常的油井應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)措施，保證油井生產(chǎn)正常，功圖法計(jì)量準(zhǔn)確。

（6）在系統(tǒng)安裝正常后請(qǐng)勿對(duì)軟件所在目錄的文件進(jìn)行隨意刪除和增添，拒絕使用外來磁盤。

（7）功圖法油井計(jì)量技術(shù)具有一定的局限性

計(jì)量軟件對(duì)錯(cuò)誤功圖自動(dòng)剔除功能還不健全，對(duì)氣油比大的區(qū)塊、及間歇性出液的油井計(jì)量誤差較大；影響了計(jì)量精度。