示功圖監(jiān)控診斷計量系統(tǒng)的建立與應用

郭萬松 （中石化油田勘探開發(fā)事業(yè)部，北京100029）

董琰 （中石化勝利油田分公司信息化管理中心，山東 東營257000）

油井示功圖是油井工作狀態(tài)的重要表征，可以全面反映抽油機的運行狀況及原油的開采情況。隨著大部分油田進入特高含水開發(fā)后期，傳統(tǒng)的油井管理模式已經不能滿足精細化生產管理的需求，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

1）現(xiàn)有計量方式不能滿足抽油機井連續(xù)自動精細計量的要求 目前油井計量產液量采取每3天計量1次，每次連續(xù)計量3遍，取均值代表全天產液量的方式。這種方法的弊端是單井的計量時間間隔長，并且是用瞬時值代表全天值，誤差較大，特別對于間歇出油井，更不能反映油井的實際產液量。

2）現(xiàn)有示功圖錄取方式不能滿足工況及時診斷分析的要求 抽油機井示功圖每月測取一次，相應的油井工況診斷分析和優(yōu)化措施的制定也是每月一次。因為工況診斷間隔時間過長，導致優(yōu)化措施不及時，往往錯過了工況優(yōu)化的最佳時機。

3）現(xiàn)有運行管理方式不能滿足精細管理的要求 由于油井生產規(guī)模逐步擴大，一線職工人員緊張，造成采油工一人負責的油水井超出工作負荷，無法及時發(fā)現(xiàn)由于桿、管等問題導致的油井異常。這些問題少則3～5h，多則3d以后才能被發(fā)現(xiàn)，影響了產量，這與精細管理的要求相差甚遠。因此，油田迫切需要建立一套基于物聯(lián)網的抽油機井示功圖監(jiān)控診斷計量系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)抽油機井產液量連續(xù)自動計量、工況的自動診斷，從而進一步提高油田勞動生產率和精細化管理水平。

1 示功圖監(jiān)控診斷計量系統(tǒng)的設計

1.1 整體設計

示功圖監(jiān)控診斷計量系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應用層3部分組成。通過現(xiàn)場傳感器設備采集抽油機井示功圖、開停井信息等數(shù)據，并將數(shù)據傳送到數(shù)據處理單元RTU，RTU通過無線或有線網絡將數(shù)據傳輸?shù)椒掌鳎掌鲗ι蟼鞯臄?shù)據進行計算、處理，通過油田局域網利用統(tǒng)一的生產指揮平臺進行應用展示。

1）感知層 安裝載荷傳感器、角位移傳感器（或一體化載荷位移傳感器），定時采集位移、載荷數(shù)據，繪制示功圖發(fā)送到數(shù)據處理單元RTU，再通過信號發(fā)送器每個周期給載荷傳感器一個開始、結束信號，用來判斷起始點位置，向RTU實時發(fā)送開停機報警信息。載荷傳感器采用了起點位置加拉線式標定獲取位移，保證了準確性，正常生產井要求每月標定一次示功圖；一天內出現(xiàn)8個以上異常示功圖的抽油機井必須進行示功圖標定；現(xiàn)場抽油機井生產參數(shù)發(fā)生變化時必須進行示功圖標定；作業(yè)開井工況穩(wěn)定后必須進行示功圖標定；示功圖計量液量與分離器計量液量，誤差超過±15%時，必須進行示功圖標定。

2）傳輸層 井場范圍內通過433MHz、ZigBee無線方式或RS485有線方式將數(shù)據傳輸至RTU。RTU至上位機傳輸分為有線傳輸和無線傳輸方式，無線傳輸包括無線網橋、公網（CDMA、GPRS、WCDMA、3G、4G）等多種方式。

RTU按照“集中井分區(qū)、相鄰井同傳、偏遠井直傳”的配置原則，密集井區(qū)RTU布置建設，以覆蓋半徑200m為單位，對密集井區(qū)劃片，進行合理優(yōu)化部署；偏遠單井RTU布置采用“一對一”配置模式進行部署；單個RTU可以接收12口油井的示功圖數(shù)據，為了單井溫度、壓力、電參數(shù)等數(shù)據的同通道上傳，考慮擴容每個RTU規(guī)劃接收5口油井的示功圖數(shù)據。

3）應用層 示功圖監(jiān)控診斷計量系統(tǒng)軟件包括示功圖查詢、示功圖量液、工況診斷、監(jiān)控報警4大功能模塊。

示功圖查詢功能模塊包含：整體示功圖查詢、即時示功圖查詢、定時示功圖查詢3個子功能模塊。整體示功圖查詢功能，可以按照單位、井號、時間段查詢選擇范圍內油井全部示功圖；即時示功圖查詢功能，可以查詢指定單位內所有油井的最新示功圖；定時示功圖查詢功能，可以查詢所選單井指定日期內指定時間點的所有示功圖。

示功圖量液功能模塊包含：整體產液量查詢、即時產液量查詢、日均產液量查詢3個子功能模塊。整體產液量查詢功能，可以按照單位、井號、時間段，查詢選擇范圍內油井每小時的產液量；即時產液量查詢功能，可以查詢指定單位內所選油井最近一次計量的產液量；日均產液量查詢功能，可以查詢指定日期內所選油井的平均日產液量。

工況診斷功能模塊包含：示功圖疊加對比分析、數(shù)據曲線對比分析2個子功能模塊。示功圖疊加對比分析功能，可以將單井在某段時間內的示功圖放置到同一個坐標系中，采用不同顏色疊加顯示，進行單井工況對比分析；數(shù)據曲線對比分析功能，可以選擇查詢單井在某段時間內的日均產液量、全天產液量、泵效、最大載荷、最小載荷等數(shù)據曲線，并能夠繪制在同一個坐標軸中顯示。

監(jiān)控報警功能模塊包含：開井時率監(jiān)控、報警設置、報警信息查詢3個子功能模塊。開井時率監(jiān)控功能模塊，可按照單位、井號等途徑，自動計算油井開井時率；報警設置功能模塊，可以設置單井最大載荷、單井最小載荷、示功圖面積、光桿功率報警范圍；報警信息查詢功能模塊，可以按照單位、井號、時間段等途徑，自動統(tǒng)計報警事件名稱、報警事件采集時間、報警事件處理結果等信息。

1.2 示功圖計量方法

抽油機井示功圖計量方法是根據示功圖數(shù)據以及油井基礎數(shù)據，應用桿柱、液柱和油管三維振動數(shù)學模型得到井下泵功圖，進而建立抽油機井示功圖計量的數(shù)學模型，借助泵功圖識別技術計算抽油機井產液量。首先建立抽油桿柱波動方程，將地面示功圖計算轉化為泵功圖，然后對此泵功圖進行分析，確定泵的有效沖程、充滿程度、氣體影響系數(shù)、泵漏失量等，計算泵排量，進而求出地面折算有效排量，如圖1所示。

1.3 示功圖診斷方法

以桿柱受力分析和三維波動方程為基礎，開展抽油機井地面示功圖應用分析研究，綜合考慮原油物性、井身軌跡、桿管組合等因素，建立抽油機井泵功圖仿真模型。建立連抽帶噴、固定閥卡死（不能打開）、泵嚴重磨損（不能關閉）、抽油桿斷脫、氣鎖、完全液擊、氣體影響、供液不足、柱塞脫出工作筒、固定閥漏失、游動閥漏失、液體或機械摩阻、泵筒彎曲、泵上碰、泵下碰、卡泵、泵工作正常等17種工況的示功圖圖譜庫，實現(xiàn)不同油藏類型抽油機示功圖的逐級仿真、預警與診斷分析。

圖1 示功圖法計算單井產液量流程和原理示意圖

2 應用效果分析

2.1 實現(xiàn)抽油機井產液量自動連續(xù)計量

示功圖監(jiān)控診斷計量系統(tǒng)實現(xiàn)抽油機井產液量自動連續(xù)計量后，可以對油井全天產液量、即時產液量、日均產液量進行查詢。為有效驗證抽油機井示功圖監(jiān)控診斷計量系統(tǒng)自動計量產液量的準確性與可靠性，對勝利油田勝采九隊36口抽油機井日產液量進行對比分析。分離器計量總液量為1374.22t，示功圖法計量總液量為1346.14t，日產液量對比相差－28.08t，平均誤差－2.09%。

以ST3－9C142井為例，分離器計量日產液量為1.96t，示功圖計量日產液量2.32t。通過對ST3－9C142井地面示功圖（圖2）疊加，可以看出ST3－9C142井間歇出油嚴重。分離器計量產液量僅代表了瞬時產液量，而示功圖計量產液量是每天24次計量取平均值，對該井進行計量車體積法定壓標產，求得該井的實際日產液量為2.36t／d，因此示功圖計量產液量的準確性更高。

圖2 ST3－9C142井地面示功圖

2.2 實現(xiàn)油井工況分析優(yōu)化決策

示功圖監(jiān)控診斷計量系統(tǒng)實現(xiàn)了單井工況診斷、井下技術狀況、油井生產狀況等多角度分析。STT76X17井位于T76斷塊西南部，生產層位X層，生產參數(shù)：泵徑44mm、沖程6m、沖次1.1次／min，日產液量僅1.2t。該井應用示功圖監(jiān)控診斷計量系統(tǒng)跟蹤油井每小時示功圖變化，優(yōu)化間開周期，及時進行參數(shù)調整，STT76X17井間開前后生產情況見表1。

STT76X17井間開周期為間隔3d開1d，實施后日產液量3t，提液單耗由138kW·h／t下降到55kW·h／t。示功圖變化見圖3。

通過對油井工況分析診斷功能的應用，實施參數(shù)調整措施，實現(xiàn)單井的高效、低能耗生產。STT145X10井生產層，實施優(yōu)化前生產參數(shù)為泵徑56mm、沖程4.8m、沖次2次／min，液量4.5t，該井應用油井示功圖監(jiān)控診斷計量系統(tǒng)跟蹤油井每小時示功圖變化，制定降低生產參數(shù)措施。

實施后生產參數(shù)為泵徑56mm、沖程4.8m、沖次1次／min，液量為4.4t，該井示功圖（圖4）面積增加38.7mm2，泵效提高12.7%，耗電量降幅99%，單耗降低21.5kW·h／t（表2），實現(xiàn)了“降參不降液，降參不降產”的節(jié)能效果。

2.3 實現(xiàn)功圖載荷報警及生產現(xiàn)場管理功能

示功圖監(jiān)控診斷計量系統(tǒng)的實施與應用，大大節(jié)省了現(xiàn)場數(shù)據采集的用工量和測試工的用工量，降低了油田開發(fā)的勞動力成本。同時油井計量產液量由過去的每天量液1次轉變?yōu)橐惶炝恳?4次，計量精確度大大提高。通過示功圖數(shù)據的資源共享，使技術人員由過去的每月對油井工況進行一次診斷轉變?yōu)閷崟r對油井工況進行診斷，油井故障排除的及時率和工況優(yōu)化措施制定的及時率得到了提高。

表1 STT76X17井間開前后生產情況對比表

圖3 STT76X17井間開前后示功圖變化情況

圖4 STT145X10井降參前后示功圖變化情況

表2 STT145X10井降參前后生產情況對比

3 結語

抽油機井示功圖監(jiān)控診斷計量系統(tǒng)，應用物聯(lián)網信息化技術，建立了一套抽油機井從數(shù)據“采集、傳輸、存儲、應用”環(huán)節(jié)完整的管理系統(tǒng)，通過現(xiàn)場實際應用表明，該系統(tǒng)達到了預期設計目標，提升了油氣生產現(xiàn)場的管理水平，變革了傳統(tǒng)的生產組織模式，提高了勞動生產率，滿足了油田數(shù)字化、數(shù)據化的需要。

［1］朱益飛，潘道蘭 .油田內部油氣計量技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析 ［J］.中國計量，2007，（1）：51～53.

［2］薛國民，沈毅 .油井計量方法及關鍵技術發(fā)展方向 ［J］.工業(yè)計量，2006，16（4）：14～16.

［3］劉明德 .示功圖計算產量簡易法 ［J］.石油鉆采工藝，1991，13（3）：75～79.