功圖法在油田開發(fā)中的應用

中國石油長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)中的應用

中國石油長慶油田分公司第七采油廠數(shù)字化與科技信息中心 凌 冰

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

功圖法；事故罐計量；計量監(jiān)測系統(tǒng)

1.概述

隨著計算機技術、電子測試技術的不斷發(fā)展，自動測試技術已日趨完善。油井“功圖法”監(jiān)測系統(tǒng)有三個等級的方案可供選擇，分別是便攜式抽油井單井測試計量系統(tǒng)、移動存儲式油井自動監(jiān)測計量系統(tǒng)和無線傳輸式油井自動監(jiān)測計量系統(tǒng)。針對長慶油田的特點，使用低成本投入、高可靠性和易維護、可拓展的抽油機“功圖法”單井計量自動監(jiān)測系統(tǒng)，替代并簡化了計量流程，降低了產建投入和運行成本。功圖法計量系統(tǒng)是用于全天候實時測試抽油機示功圖參數(shù)的無人值守自動監(jiān)測系統(tǒng)。由一個數(shù)據(jù)處理點（中央處理單元）和多個數(shù)據(jù)采集點（井口監(jiān)測單元）組成，數(shù)據(jù)處理點與數(shù)據(jù)采集點間的數(shù)據(jù)通訊根據(jù)白豹油田的地形地貌特征選用移動存儲方式來實現(xiàn)。

2.系統(tǒng)原理

2.1 固定式載荷傳感器技術原理

為了便于安裝，載荷傳感器設計為開口形式，如圖1所示。

在兩個對稱的不銹鋼彈性元件表面分別貼了兩個應變計，如圖2。

其中R1和R3這兩個應變計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這兩個應變計用于消除橫向效應，并用于溫度補償。把這四個應變計接成如圖3的惠斯頓電橋，則經放大后的載荷信號正比于載荷大小，也就是說測到該信號的電壓值就得到載荷值。

2.2 加速度計式位移傳感器技術原理

本系統(tǒng)方案應用加速度傳感器實現(xiàn)游梁角度測量，進而換算為光桿位移，如圖4。

在圖4中，L為前臂長度，R為驢頭弧面半徑。驢頭弧面的圓弧運動變?yōu)閼尹c的直線運動。設直線運動的位移用y(t)表示，y0為初始位移，α0為驢頭弧面半徑初始角度（此時游梁為水平位置，即游梁傾角為0°，若t時刻游梁傾角為α(t)單位為rad），則

設到達下死點時游梁角度為α1，則下死點位移

那么相對于下死點的相對位移為

設上死點游梁角度為α2，則沖程為

那么t時刻的相對位移為

表一 功圖法計量與事故灌單量數(shù)據(jù)對比表

圖1 載荷傳感器安裝示意圖

圖2 應變計承載彈性元件示意圖

圖3 應變計差動放大正比于載荷大小示意圖

y’(t)＝s［α(t)-α1］/(α2-α1)

在一個沖次之內測到相對位移和載荷即得到光桿示功圖。設游梁角度為α(t)，如圖5。設重力加速度為g(m/s2)，當游梁處于水平位置，則加速度計輸出a1＝0m/s2，當游梁垂直，則a2=1m/s2。在t時刻有

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

3.1 數(shù)據(jù)采集點

每個抽油機上安裝的數(shù)據(jù)采集點由固定式載荷傳感器、加速度計式位移傳感器和數(shù)據(jù)監(jiān)測單元（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)測單元（RTU模塊）與數(shù)據(jù)處理點（中央處理單元）進行遠程數(shù)據(jù)通訊傳輸。

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測單元

圖4 加速度傳感器測量游梁角度示意圖

圖5 相對位移和載荷示意圖

圖6 實物安裝圖

主要由工業(yè)級單片計算機(CPU)、12位A/D、8KB緩存、RS485通訊板及電源板組成。安裝在抽油機支架中段。井場RTU接收到監(jiān)測軟件定時(10min一次)發(fā)送的采集指令后，中心CPU通過A/D轉換通道讀取經過放大后的載荷、位移信號，并經數(shù)據(jù)處理后得到系統(tǒng)實時的載荷、位移、沖程、沖次等參數(shù)，存入緩沖內存；然后再通過RS485通訊板、數(shù)轉電臺向中心控制器發(fā)送參數(shù)數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)處理點（中央處理單元）

數(shù)據(jù)處理點由數(shù)據(jù)采集服務器、監(jiān)測平臺（監(jiān)測軟件、油井計量軟件等）、微機及室外設備（中心天饋線）等組成，通過數(shù)據(jù)采集服務器接收數(shù)據(jù)采集點采集的示功圖測試參數(shù)。監(jiān)測軟件按規(guī)定格式提供有效數(shù)據(jù)給油井液量分析功能模塊（油井計量軟件），進而實現(xiàn)抽油機井單井計量分析、工況診斷等功能，數(shù)據(jù)處理點的功能包括測試數(shù)據(jù)（示功圖）的收集、處理和分析。

表2 白豹油田幾個井組的功圖法計量與單量液量對比效果

表3 一些不正常井的功圖法計量與單量對比效果

3.4 數(shù)據(jù)采集服務器

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

3.5 監(jiān)測平臺

監(jiān)測平臺運行在P4微機上，由監(jiān)測軟件、單井計量分析軟件等模塊組成。監(jiān)測軟件由以下幾個部分構成：井號維護，數(shù)據(jù)維護，采集數(shù)據(jù)，功圖顯示，液量計算等。

本系統(tǒng)按每10min測試一次的頻率設置油井示功圖參數(shù)的采集方案，每天每口井可采集144組數(shù)據(jù)，模塊按井號和日期進行檢索，可儲存、累計、顯示當前和歷史數(shù)據(jù)。

3.6 系統(tǒng)技術性能指標

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

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

(3)光桿沖程：量程0-10m，精度0.5%；

(4)移動存儲盤：容量2×64M，雙盤設計，滿足儲存2880組示功圖數(shù)據(jù)要求。

3.7 監(jiān)測軟件及油井計量軟件運行操作

在windows2000平臺下運行監(jiān)測軟件，首次使用或油井調參、作業(yè)后應先進行系統(tǒng)特定參數(shù)設置或修改，然后啟動采集數(shù)據(jù)模塊。進入主界面后，先進行井號維護功能。點擊井號維護進入該功能，井號維護是由系統(tǒng)管理員來進行的工作，其他人無權進行。當此工作完成后，點擊保存來保存數(shù)據(jù)。

3.8 監(jiān)測計量系統(tǒng)主要功能

根據(jù)現(xiàn)場要求，設定地面示功圖數(shù)據(jù)采集時間及間隔。在數(shù)據(jù)處理點，通過監(jiān)測與計量分析軟件，直接進行設定參數(shù)操作。

3.8.1 實現(xiàn)全天候數(shù)據(jù)采集

在抽油井井口安裝負荷傳感器，在抽油機游梁支架上安裝角位移傳感器，分別測量光桿的負荷變化及抽油機運行周期變化，經過信號轉換，測出抽油機的地面示功圖。

3.8.2 實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)遠距離傳輸

將各數(shù)據(jù)采集點油井實測功圖數(shù)據(jù)，通過數(shù)傳電臺傳送給數(shù)據(jù)處理點。數(shù)據(jù)處理點可直接觀察到每口井的測試功圖及油井工況，如發(fā)現(xiàn)異常情況可及時提醒管理人員采取相應措施。同時系統(tǒng)將采集數(shù)據(jù)自動保存到數(shù)據(jù)庫。

3.8.3 實現(xiàn)油井產液量自動計量

通過《功圖法油井計量分析軟件》，對地面示功圖采集數(shù)據(jù)進行分析、工況診斷、計算油井產液量。

3.8.4 實現(xiàn)油井自動化管理

系統(tǒng)建立了油井、示功圖及相關數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)示功圖數(shù)據(jù)查詢、油井產液量計算及生產報表的生成，等無線網絡建成后可將油井產液量數(shù)據(jù)直接上報。

4.系統(tǒng)應用分析及評價

該功圖法計量系統(tǒng)在白豹油田共安裝303套。經調試，各功能模塊（單元）通訊良好，功圖采集較準確，系統(tǒng)運行正常，達到設計要求。

表2是白豹油田幾個井組的功圖法計量與單量液量對比效果。

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

經過長時間的運行，隨著安裝井數(shù)的增加，油井工況的復雜多變，系統(tǒng)計量的誤差也隨之變大。應用功圖法計量軟件對白豹作業(yè)區(qū)六個數(shù)據(jù)采集點（計量站點）225口油井采集的數(shù)據(jù)進行油井產液量計算，并與同期事故罐單量結果相對比，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。對比數(shù)據(jù)資料如表1。

對此經過認真分析后，發(fā)現(xiàn)一些井場存在有少量不正常井（如間出井、漏失井、參數(shù)不及時更新的油井等），這些油井的計量液量遠遠高于實際產液量，影響了功圖法計量產量的精度，表3是一些不正常井的功圖法計量與單量對比效果。

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

5.幾點認識和建議

（1）油井自動監(jiān)測與計量系統(tǒng)能準確、實時采集示功圖數(shù)據(jù)，實現(xiàn)抽油機遠程自動監(jiān)測、工況診斷、產液量計算等功能。具有安裝時間短、投資低、操作方便、自動化程度高、能與事故罐計量具有同步性等特點。

（2）應用加速度計式傳感器測量光桿的沖程、沖次，實現(xiàn)位移的無繩測量是計量系統(tǒng)的創(chuàng)新技術，能精確、同步測試示功圖，為單井計量軟件的應用提供了真實可靠的數(shù)據(jù)源。系統(tǒng)的應用要求是能夠按規(guī)定的采集周期自動監(jiān)測油井的示功圖參數(shù)，通過監(jiān)測軟件和單井計量軟件計算分析油井的單井產量、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)，完全滿足單井計量分析軟件對數(shù)據(jù)源的精度要求。通過進行事故罐單量對比試驗，經調試，數(shù)據(jù)采集、通訊良好，功圖數(shù)據(jù)采集較精確，系統(tǒng)運行基本正常，各項技術指標達到了設計要求。采用自動數(shù)據(jù)采集，首先保證了資料的客觀性和準確性；其次可以實現(xiàn)連續(xù)不間斷測試，提高計量精度；再次是可以減少人力成本，提高測試的可靠性和準確性，同時可進一步實現(xiàn)油井自動化管理、科學管理，達到簡化地面計量流程，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）油井的基礎參數(shù)必須及時更新，如油壓、套壓、含水、動液面桿柱組合、泵徑、泵掛和沖程等參數(shù)進行更新。

（5）應加強井筒分析，井筒不正常的油井應及時采取相應措施，保證油井生產正常，功圖法計量準確。

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

（7）功圖法油井計量技術具有一定的局限性

計量軟件對錯誤功圖自動剔除功能還不健全，對氣油比大的區(qū)塊、及間歇性出液的油井計量誤差較大；影響了計量精度。