淺論功圖法油井計量技術在油田的應用

鄭秀海

摘 要：研究油區由于滲透率低、地形復雜，地面建設困難，單井計量采用雙管流程、站內雙容積計疊，計量系統投資巨大。為簡化流程，減少計量管戈，降低建設投資，滿足低滲透油田經濟高效的開定要求，油田油氣工藝研究院積極探索開發出了一種新的油井計量方法—抽油機井功圖法油井計量技術。該技術現已成為油田改進工藝模式的主體技術之一。

關鍵詞：功圖法；油井；計量技術；生產數據；故障診斷

從功圖法油井計量技術的技術原理、抽油桿系統模型、示功圖有效沖程識別、計算結果修正四個方面對該技術進行了詳細闡述。通過利用計算機信息網絡資源，在油田建立于基于生產數據管理的功圖法油井計量監控系統，實現了生產數據實時采集、產量自動計量、油井遠程監控、油井故障診斷、報表自動生成等功能，簡化了工藝流程，降低了投資，減少了用工總量，提高了油田數字化管理水平，為建設數字化油田搭建了平臺。

1功圖法油井計量技術

（1）技術原理。功圖法油井計量技術是依據抽油機井深井泵工作狀態與油井產液量變化關系，把定向井有桿泵抽油系統視為1個復雜的三維振動系統（包含抽油桿、油管和液柱3個振動子系統），該系統在一定的邊界條件和一定的初始條件（如周期條件）下，對外部激勵（地面功圖）產生響應（泵功圖）。因此，首先需建立定向井有桿泵抽油系統的力學、數學模型，該模型能計算出給定系統在不同井口示功圖激勵下的泵功圖響應，然后對此泵功圖進行分析，確定泵的有效沖程，進而求出地面折算有效排量（見圖1）。

圖1功圖法油井計量技術示意圖

（2）有桿抽油系統數學模型。把定向井有桿泵系統視為1個復雜的三維振動系統，考慮抽油桿、液柱及油管3個子系統在三維空間的振動藕合，以及與抽油桿位移、速度、應變、應力和載荷之間隨時間變化的因素，建立相關模型：①建立了抽油桿、液柱和油管3個振動系統的空間三維模型；②考慮了3個子系統在三維空間的振動藕合及液柱可壓縮性；③用有限元法及有限差分法將抽油桿及油管結構離散化，建立了油管、桿振動的有限元方程，以及與有限差分法結合的計算模型及方法。（3）泵功圖有效沖程識別模型。有效沖程的識別對計量結果起著至關重要的作用。為了提高有效沖程的識別精度，首先采用多邊形逼近法對泵功圖進行預處理，再用特征矢量法進行故障識別，充分考慮其他影響因素判斷泵有效沖程，然后根據判斷的有效沖程計算產液量。具體過程如下：

第一步，泵功圖多邊形逼近。由于計算得到的泵功圖數據點很多，而泵功圖的幾何特征僅僅集中在某些點上，其他點對泵功圖的幾何特征影響不大，因此采用多邊形逼近法對泵功圖數據點進行預處理，過濾掉某些對泵功圖的幾何特征影響不大的數據點。第二步，利用矢量特征法識別泵有效沖程。將預處理過的泵功圖標準化（無因次化），再用一系列連續的矢量把它描述出來，即建立該泵功圖的矢量鏈，把它和標準故障矢量鏈庫中矢量鏈對比，判別出1個或多個故障。（4）泵功圖的計算算法。經多年現場試驗證實，利用上述抽油桿有限元分析模型計算精度高，但該方法用于功圖法油井計量系統，由于數據運算量大、計算速度慢，不適應于在現場實時處理大量油井數據。因此，在不影響計算精度的前提下，對抽油桿有限元模型進行了改進，將抽油桿的受力分解為兩個部分：一部分為抽油桿所受的側向力，一部分為抽油桿軸向力。側向力采用有限元模型，軸向力采用波動方程，使運算量大幅度減少。經實踐證實，其計算精度能夠滿足現場使用的要求。

2功圖法油井計量監測系統研制

在功圖法油井計量技術研究的基礎上，開發了集功圖法油井計量技術、測試技術、通信技術和計算機技術為一體的抽油機井功圖法油井自動計量與監測系統，實現了生產數據實時采集、產量自動計量、工況遠程監測、油井故障診斷、報告自動生成、故障實時預警等功能。

通過安裝在每口油井抽油機上的載荷位移傳感器，獲取光桿的載荷和位移數據，將采集的光桿示功圖數據傳輸至RTU，經過網絡鏈路將數據傳輸到站點。站點安裝了數據接收裝置、系統監測軟件和功圖法油井計量分析軟件，接收從各井場采集的光桿示功圖數據，進行計算、處理。（1）系統組成。功圖法油井計量技術采用數據分散采集、集中處理結構，由多個數據采集點和數據處理點（數據控制中心）組成，分別完成數據的采集和處理。數據采集點由安裝在抽油機井口的負荷傳感器、位移傳感器、數據采集控制器、數據處理模塊、通訊模塊等組成，完成示功圖的采集，并將采集的數據傳輸到數據處理點。數據采集點的主要功能是全天候自動示功圖數據采集，及時將采集數據傳輸到數據處理點和控制中心。數據處理點是對各數據采集點（抽油井）進行信息交換處理的平臺，通過對數據采集點測試示功圖數據的收集，及時準確掌握油井的生產情況，利用油井計量分析軟件完成油井工況的診斷、油井產量的計算功能，最后輸出報表。采用小型計算機控制，原則上1個數據控制點管理40口井，一般設置在轉油站或聯合站。數據處理點主要由中心天線、中心控制器（數據處理器、遠距離通訊模塊、服務器等）、計算機、系統監測軟件、油井計量分析軟件等組成。

（2）實現的主要功能。采用功圖法油井計量監控系統進行油井的日常管理，并依托局域網，實現了三級控制：①實時數據采集與遠程工況監測，生產狀況巡檢周期為10 min，每30 s刷新一次，監測參數有載荷、位移、電流、電壓等；②產液量計量，實時采集計產、單量分析計產、某一時段分析計產、多（單）井計產、批量分析計產、定時報表計產等；③油井工況診斷，實時采集工況分析、功圖疊加工況分析、工況提示、診斷結果報告；④實時故障報警，遙測系統故障，抽油機停機超載，電機工作過流、過載、缺相，井場停電等故障報警提示；⑤自動生成報表，生成報表包括開機時率報表、停機匯總報表、功圖計產產量匯總報表、其他生產數據匯總報表等。

3現場應用情況

從應用的情況看，功圖法油井計量技術的應用效果明顯，工況診斷結果的符合率達到85%以上，計量結果的符合率達到90%以上，達到了系統設計和現場應用的要求：①以全天候10 min 1個實測示功圖作為數據源，計算油井平均產量，更加真實地反映油井實際出液情況；②系統運行穩定，進站總液量與功圖法計產對比，誤差較小，油井診斷分析結果準確，滿足現場生產需要；③與傳統計量技術相比，配合其他工藝技術應用，使單井綜合人井比由0. 94人/井減少到0. 5 5人/井，是計量方式的一次變革，簡化了流程、降低了投資、減少了用工總量。

4 結語

（1）功圖法計量技術的成功應用，是建立適應低滲透油田和復雜井況的定向井的功圖法計量模型的結果，是對硬件及軟件不斷調整完善的結果，是精細管理的結果。 （2）功圖法油井計量技術以全天候每10min 1個實測示功圖作為數據源計算產液量，真實反映油井出液情況，取消了計量間，使油井計量、生產管理工作實現了自動化、數字化。（3）隨時監測油井工況，為站點技術人員提供油井異常情況的三級預警，發現問題及時上報調控中心，縮短油井故障處理周期，提升了油井管理的智能化水平。（4）功圖法油井計量系統通過信息網絡平臺，使油井所有數據實現共享，為技術管理人員提供及時準確的數據，為生產判斷、油藏狀況的把握和生產方案的制定提供依據，提升了油井的管理水平。

參考文獻：

[1] 示功圖量液技術在塔河油田十二區的應用初探[J]. 王波. 內蒙古石油化工. 2019（02）