低沖次示功儀的研究與應用分析

吳 斌，李兵元，殷 潔，鄒 婕

（新疆油田公司數據公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

國內部分油田進入開發后期，地層能量遞減，低產井增多，出于對原油的需求，其下泵的深度屢創新低。同時，稠油、邊際的油田開發逐漸受到開發商的重視，促使采油技術迅速發展和推進。在產量并不樂觀的油田中使用低沖次采集，可以降本增效并有效避免空抽，減少原油開采的浪費。使用效果顯示，各地區在原油開采的過程中，對于長沖程、低沖次抽油機的需求量正在高幅度上升。目前，油田傳統一體化無線示功儀由于技術制約，在低沖次井上普遍存在所采集功圖亂，沖程、沖次算不準，圖形不標準等問題。為適應油田生產發展需求，急需開發一種適用于低沖次采油井的無線一體化示功儀。

1 低沖次示功儀概述

低沖次示功儀是一種能夠通過檢測抽油機驢頭在低速、緩慢的運動狀態下的載荷測量、位移測量、無線射頻等數據的儀器。由于新疆油田生產規模大，以及科技的不斷創新和發展，其油田不僅有彩南等地自動化油田，還有自動化程度有待加強的老油田開發區。隨著提高采收率難度不斷增大，針對油井供液不足、特低產井、稠油井等現象，新疆油田低沖次采油井越來越普及，并且市面上普通的示功儀由于算法及電路設計等問題無法對這些低沖次采油井進行檢測，因此低沖次示功儀在油田市場上會得到越來越廣泛的應用。

2 低沖次示功儀的使用現狀

示功儀是測量油井懸繩器上兩夾板之間的應力荷載及驢頭間往復的沖程和沖次，然后根據這些參數繪制出荷載與位移之間的關系曲線圖，進而通過圖示能夠得出油井下泵的實際工作情況的一種儀器。同時，通過示功圖的顯示和計算能夠得出實際的原油產量，因此示功儀成為油田測試的重要手段之一[1]。

2.1 國外技術現狀和技術發展趨勢

國外的生產通常是依靠各種信息技術實現的，油田的生產和監管也在很早之前就實施了信息技術，并由此形成了集散且分布的檢測，相應示功儀的研究也已達到了較高的水平。例如，斯倫貝謝公司通過實時監控或按期修復油井的方式，可以及時發現油氣藏及油井的實際問題，進而可以采取相應的措施，以此在完善油井建設的同時，提升油井的生產質量。采集和控制單元可以控制一個單一的接口，進而提供現場數據采集和傳輸。

2.2 國內技術現狀和技術發展趨勢

相較于國外油田的控制和發展，我國的油田在自動化控制方面有待加強。在近20 年的生產和技術引進中，我國能夠將相對先進的自動化技術和設備應用于實際的油田生產中。隨著我國科技的不斷革新，我國油田的生產和監管也逐漸朝著聯網性、智能性的自動化方向更新和推進。例如，新疆彩南油田是我國第一個自動化油田，其通過自動化生產系統的運用已經在我國油田生產行業中占據了獨特的地位。通過自動化技術的運用，其石油工人的人數相較于同一類型和規模的油田少了2 000 多名，但是其年人均產油量可以高達1 萬多噸，相較于其他油田，該油田的生產效率提高了十幾倍。

2.3 新疆油田企業的技術現狀

新疆是提供原油的重要產地之一。其不僅有自動化油田，還有自動化有待完善的老油田生產區。由于采收率難度大，針對油井供液不足、特低產井、稠油井等現象，新疆油田低沖次采油井越來越普及，包括采油一廠、彩南在內的幾大作業區，現存低沖次采油井442 口，另外規劃中的低沖次采油井多達772 口。但需要注意的是，目前此類低沖次采油井均存在一個相同問題：現有市場所使用的示功儀無法采集示功圖，這個問題嚴重影響了“智能油田”這一戰略發展的進程。

3 低沖次示功儀研究與設計

3.1 研究內容

為應對低沖次采油井大量應用所帶來的一系列問題，本次主要對低沖次示功儀硬件及低功耗電路進行設計，通過對示功儀硬件技術進行升級，結合算法研究，利用快速傅里葉算法將所得到的原始數據進行初步處理，并研究加速度運動采集算法對運動中的示功儀進行加速度測量，用測得的加速度積分算出速度和位移，通過對比計算誤差值，進而計算出位移精度，從而解決目前油田現場低沖次采油井無線一體化示功儀在低沖次井上存在的功圖亂，沖程、沖次算不準，圖形不標準等問題。

3.2 總體設計

3.2.1 低功耗硬件設計

本硬件電路設計采用了硬件電路低功耗設計，模塊連線之間添加中斷硬件，當某個模塊不再進行工作時，中斷硬件，切斷電源供給，防止模塊跑電、漏電[2]。為此，我們設計了以下部分：降低芯片工作電壓，關斷部分時鐘，采用不同速度的標準單元，多電壓域設計，同時計劃采用模塊化設計，便于后續的升級。

3.2.2 低功能損耗的最優算法

算法優化可分為兩個層次說明：實現結構和實現方法[3]。

第一個層面就是結構。這就需要設計一個最優化的算法實現結構，以此達到結構的最優化，進而減少資源的占用，使得功率損耗降到最低。例如，在選擇采用流水線結構還是狀態機結構時，流水線結構同一時間所有的狀態都在持續工作，而狀態機結構只有一個狀態是工作的，顯而易見流水線結構的功耗更多，但其數據吞吐率和系統性能更優，因此需要合理選其一，確保系統能在面積和速度之間保持平衡。

第二層就是方法。在設計中，時鐘是吸收功能消耗的主要因素。首先，可以適當考慮時鐘樹的反轉。時鐘能夠阻止寄存器產生不必要的反轉，進而時鐘樹會產生翻轉，使得功率產生消耗。其次，隔離時鐘能夠使用最少數量的信號區，使得時鐘樹不會產生翻轉現象，進而減少時鐘網絡的負載。除此之外，可先劃分一個取樣周期，如1 s，在這個時間段之內測一次加速度，根據速度的記錄和位置得出前一秒內的總位移、終點速度。如此反復計算可以得到動態零點校正和確定積分邊界條件，試驗結果表明這種測量方法是有效的。

3.2.3 加速度運動采集算法

在采集示功圖的過程中難免受到周圍環境影響，導致所繪制圖形并不理想。此次開發時，應利用加速度運動采集算法對所得到的原始數據進行初步處理。

3.2.4 架構設計及原理

本系統主要由通信模塊、電源模塊、存儲模塊、處理器模塊、傳感器模塊組成，主要實現流程為數據采集、數據過濾、周期預測、計算。示功儀是一種反應油井井下泵工作情況的儀器，一般由中央處理器（Central Processing Unit，CPU）板、濾波放大板、無線收發模塊、顯示器和電源組成，載荷傳感器將力信號變成示功儀所識別的電壓或電流信號，經放大處理，位移傳感器將沖程的變化情況通過電阻等信號處理，再轉換為載荷和沖程、沖次等多組數據，繪制出泵的功圖，其需要具有數據測試、存儲、通訊、查詢等功能[4]。

4 應用分析

隨著低沖次示功儀的研究與應用，采集低沖次井的功圖以及準確獲取井下數據成為可能，從而加強對現場低沖次單井運行狀態的實時掌控。可通過優化抽油機的工作模式，合理調參，避免空抽，降低油井故障率，達到節能增效的目的，這不僅可以為原油開采過程控制提供數據支持，還能為功圖量油提供參數，推動數字油田進一步發展。因此，新疆油田現在及未來必將大量在低沖次油井上部署低沖次示功儀[5]。

5 低沖次示功儀展望

我國主力油田進入開發的中后期，地層能量遞減，低效井數量不斷增加。對低產井使用低沖次采集可以降本增效并有效避免空抽。完善低沖次無線一體化示功儀的開發可以有效解決現有示功儀在低沖次油井上功圖不準、無法指導生產的問題。研究抽油機低沖次示功儀，開發能夠實現低沖次位移采集的示功儀，通過軟硬件技術升級，結合算法研究，從而解決目前油田現場低沖次采油井無線一體化示功儀在低沖次井上可能存在的功圖亂，沖程、沖次算不準，圖形不標準等問題。