不規(guī)則儲(chǔ)油罐容積智能標(biāo)定裝置的研制及應(yīng)用

范慶雄，肖 偉，曹小軍，王 芳，葛蕩蕩，喬 濤

（1. 西安石油大學(xué)，陜西 西安 710061； 2. 延長油田股份有限公司青化砭采油廠， 陜西 延安 716000）

不規(guī)則儲(chǔ)油罐容積智能標(biāo)定裝置的研制及應(yīng)用

范慶雄1*，肖 偉2，曹小軍2，王 芳1，葛蕩蕩2，喬 濤2

（1. 西安石油大學(xué)，陜西 西安 710061； 2. 延長油田股份有限公司青化砭采油廠， 陜西 延安 716000）

準(zhǔn)確的油井資料信息是油田開發(fā)科技水平不斷提高、持續(xù)科學(xué)開發(fā)油田的先決條件，而單井日產(chǎn)液是油田開發(fā)生產(chǎn)中的基礎(chǔ)資料。青化砭采油廠地埋斜底儲(chǔ)油罐因各種原因?qū)е鹿摅w不規(guī)則，如按現(xiàn)用的參考理論值方法計(jì)算誤差較大，致使單井日產(chǎn)液量計(jì)算準(zhǔn)確率低。主要介紹為完成對(duì)不規(guī)則斜底罐的液位、容積精確測量，對(duì)液位計(jì)、流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)選型，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)同步采集處理，上位機(jī)軟件的開發(fā)，野外現(xiàn)場使用儀表及計(jì)算機(jī)的低功耗研究，定制高效可靠的通訊協(xié)議，采用一套科學(xué)的數(shù)字濾波和差值算法等，實(shí)現(xiàn)了快速、高效、準(zhǔn)確的對(duì)不規(guī)則斜底罐容積自動(dòng)化標(biāo)定。

不規(guī)則斜底罐；局部容積；無線傳感器；自動(dòng)化標(biāo)定

青化砭采油廠屬于低滲透油田，平均單井日產(chǎn)液量不足0.4 m3。為了減少夏季原油蒸發(fā)量，避免冬季油稠用明火加溫引發(fā)火災(zāi)事故，同時(shí)也為了降低泵油司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度，從2001年開始推廣使用地埋斜底儲(chǔ)油罐。由于各種原因，油罐的幾何尺寸變得極不規(guī)則，使每日單井產(chǎn)液量的數(shù)據(jù)誤差很大。由于在國內(nèi)多采用幾何計(jì)算或標(biāo)尺進(jìn)行測量，尚無全自動(dòng)的測量設(shè)備，在國內(nèi)某大學(xué)，有類似的工業(yè)控制設(shè)想，尚無成型設(shè)備。但由于使用PLC工業(yè)控制方式，存在諸多問題，采用工業(yè)控制方式，涉及PLC的編程控制，設(shè)備數(shù)量多，成本很高；因?yàn)樵O(shè)備數(shù)量多，成型后體積大，不方便現(xiàn)場使用；需要220 V電源，而很多現(xiàn)場不具備供電條件；操作的安全性也不高?，F(xiàn)場都在油區(qū)，油氣等易燃物存在的情況下，220 V電源的油罐標(biāo)定存在安全隱患。故國內(nèi)未有精確、便攜、低功耗、安全的儲(chǔ)油罐容積標(biāo)定計(jì)量科研成果。

研制地埋斜底儲(chǔ)油罐容積標(biāo)定裝置，為了能準(zhǔn)確計(jì)算單井日產(chǎn)液量，減小單井計(jì)量的誤差。逐步準(zhǔn)確掌握油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，能準(zhǔn)確反映油井的上液情況，能夠及時(shí)反映不上液井，及時(shí)上報(bào)，及時(shí)檢修，減少油井的停產(chǎn)時(shí)間，為油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析提供數(shù)據(jù)。進(jìn)而為油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析、油層改造、注水開發(fā)提供準(zhǔn)確的產(chǎn)量依據(jù)，避免對(duì)油田開發(fā)方案的制定和決策方向產(chǎn)生誤導(dǎo)。

1 解決方案

1.1 標(biāo)罐裝置設(shè)計(jì)思路

標(biāo)罐裝置設(shè)計(jì)思路（圖1），采取對(duì)單井儲(chǔ)油罐“注入”清水的辦法，并即時(shí)記錄計(jì)量罐內(nèi)液位下降和儲(chǔ)油罐內(nèi)液位上升的高度變化，現(xiàn)場準(zhǔn)確計(jì)算出儲(chǔ)罐液每升高1 cm所注入水的體積數(shù)，并自動(dòng)生成“單井儲(chǔ)油罐容積與液位高度對(duì)照表”，作為采油區(qū)隊(duì)、采油工及泵油車司機(jī)計(jì)算單井日產(chǎn)液量的主要依據(jù)。

圖1 容積標(biāo)定原理示意圖Fig. 1 Principle of volume calibration

1.2 原有的技術(shù)方案及現(xiàn)狀

原有的方法是用車載計(jì)量罐與浮球標(biāo)尺標(biāo)定,通過1 m3計(jì)量罐向儲(chǔ)油罐內(nèi)注水，同時(shí)用液位高度測量裝置測出儲(chǔ)油罐內(nèi)液面每升高1 cm時(shí)，計(jì)算出計(jì)量罐液面下降高度所對(duì)應(yīng)的體積，從而人工錄入數(shù)據(jù)繪制出儲(chǔ)油罐液量對(duì)照表。存在效率低，誤差大導(dǎo)致準(zhǔn)確率低等缺點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)我們的技術(shù)要求。

隨后進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，用斯太爾拉水車、流量計(jì)和液位計(jì)裝置代替車載計(jì)量罐與浮球標(biāo)尺標(biāo)定，雖然準(zhǔn)確率有所提高，但由于標(biāo)罐速度快，人反映速度慢，在讀數(shù)時(shí)容易產(chǎn)生漏讀錯(cuò)誤，計(jì)量還存在誤差，液位計(jì)顯示延時(shí)約1～2 s，流量計(jì)讀數(shù)反應(yīng)快，造成流量計(jì)讀數(shù)和液位計(jì)高度不能一一對(duì)應(yīng)，產(chǎn)生錯(cuò)位數(shù)據(jù)，達(dá)不到技術(shù)要求[1]。

1.3 智能化標(biāo)定方案

在原有方法的基礎(chǔ)上，我們一致認(rèn)為必須解決人工讀記數(shù)據(jù)與設(shè)備數(shù)字顯示、設(shè)備與設(shè)備之間響應(yīng)不同步的問題，決定采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)同步采集處理、上位機(jī)軟件的開發(fā)、野外現(xiàn)場使用儀表及計(jì)算機(jī)的低功耗研究、定制高效可靠的通訊協(xié)議，采用一套科學(xué)的數(shù)字濾波和差值算法等，實(shí)現(xiàn)快速、高效、準(zhǔn)確的對(duì)不規(guī)則斜底罐自動(dòng)化標(biāo)定，提高標(biāo)罐效率和標(biāo)罐裝置測量的精度，使標(biāo)定過程實(shí)現(xiàn)智能化。

1.4 各結(jié)構(gòu)的參數(shù)及功能

方案結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

結(jié)構(gòu)1：數(shù)字渦輪流量計(jì)：對(duì)各類高精度渦輪流量計(jì)進(jìn)行精選和測試試驗(yàn)，確定準(zhǔn)確度等級(jí)1.0級(jí)，最大允許誤差±1.0%，寬量程1～30 m3/h、帶無線發(fā)射模塊[2]，流量積算精度為0.001的流量計(jì)。精度等級(jí)、流速、量程均滿足要求，實(shí)現(xiàn)流出液體的體積計(jì)量[3]。

結(jié)構(gòu)2：數(shù)字磁致伸縮液位計(jì)DRCM-2000，自帶無線發(fā)射模塊，每秒傳輸10次數(shù)據(jù)，精度達(dá)1 mm，加裝防液面波動(dòng)護(hù)套，有效克服受液面波動(dòng)影響，滿足技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)注入液體高度的精確測量。

圖2 方案結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of the solution scheme

結(jié)構(gòu)3：設(shè)計(jì)制作無線協(xié)議轉(zhuǎn)換箱，用信號(hào)線連接液位計(jì)、流量計(jì)和協(xié)議箱，并用檢測軟件進(jìn)行檢測[4]，協(xié)議箱將從液位計(jì)和流量計(jì)采集到得RS232信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS485信號(hào)后傳輸給電腦，經(jīng)過數(shù)次測試，協(xié)議箱能快速準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換和輸出穩(wěn)定信號(hào)[5]，符合技術(shù)要求。

結(jié)構(gòu)4：開發(fā)組態(tài)軟件：聯(lián)系西安國儀公司，與軟件開發(fā)人員研討軟件開發(fā)方案，根據(jù)已定方案進(jìn)行軟件程序的編寫，對(duì)軟件的信號(hào)采集、采樣時(shí)間、計(jì)算方法程序進(jìn)行多次測試改進(jìn)，并對(duì)流量計(jì)和液位計(jì)與軟件組態(tài)進(jìn)行測試，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸和軟件的正常運(yùn)行，且能自動(dòng)采集和處理協(xié)議轉(zhuǎn)換箱的數(shù)據(jù)并自動(dòng)生成液位與容積對(duì)照表[6]。

結(jié)構(gòu)5：低功耗筆記本電腦，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定裝置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的顯示和生成二維的液位高度和體積對(duì)照表。

1.5 連接以及標(biāo)定實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過程

將各信號(hào)線與對(duì)應(yīng)設(shè)備連接，將液位計(jì)垂直放入被標(biāo)定的儲(chǔ)油罐內(nèi)，固定好，并打開其信號(hào)發(fā)射器和協(xié)議轉(zhuǎn)換箱電源，然后打開“儲(chǔ)油罐標(biāo)定儀”軟件，錄入罐長、罐寬、油井名稱，待該軟件主界面右側(cè)“液位”字段顯示數(shù)值與流量計(jì)數(shù)值一致，點(diǎn)擊“開始”按鈕后，綠色指示燈閃爍，此時(shí)儲(chǔ)油罐容積標(biāo)定開始，接著打開注水管閥門，此時(shí)該軟件主界面“瞬時(shí)流量”字段、“液量”字段、“液位”字段動(dòng)態(tài)顯示注水流量和液位高度，并自動(dòng)將“液量”值寫入到與“液位”對(duì)應(yīng)的”體積”欄中，待被標(biāo)定儲(chǔ)油罐注滿后，點(diǎn)擊“停止”按鈕，關(guān)閉注水管閥門（圖3）。至此，該儲(chǔ)油罐標(biāo)定完成，點(diǎn)擊“導(dǎo)出EXCEL”按鈕導(dǎo)出該“液量對(duì)照文件”。

2 現(xiàn)場實(shí)施與試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

2.1 現(xiàn)場試驗(yàn)效果

經(jīng)過現(xiàn)場對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)的數(shù)十次驗(yàn)證，所測的數(shù)據(jù)都在允許的誤差范圍內(nèi)，且根據(jù)所標(biāo)定的液位與容積對(duì)照表，計(jì)算單井日產(chǎn)液量準(zhǔn)確率達(dá)95%以上，標(biāo)定一個(gè)儲(chǔ)油罐容積罐平均用時(shí)25 min以內(nèi)。

圖3 地埋斜底儲(chǔ)油罐容積智能標(biāo)定裝置連接及標(biāo)定實(shí)現(xiàn)過程示意圖Fig.3 The junction and process of intelligent volume calibration instruments for irregular buried oil tanks

2.2 技術(shù)評(píng)價(jià)

（1）質(zhì)檢部門對(duì)液位計(jì)與流量計(jì)的精度校驗(yàn)，流量計(jì)精度達(dá)1 L、液位計(jì)高度達(dá)到1 mm。

（2）通過實(shí)際泵運(yùn)原油量與對(duì)照表進(jìn)行比對(duì)，誤差控制在5%以內(nèi)。

（3）現(xiàn)場標(biāo)定記錄單井操作時(shí)間，檢驗(yàn)?zāi)芊衩刻鞓?biāo)定20口以上。

（4）試驗(yàn)區(qū)（井）基本情況：所有油井現(xiàn)場均滿足試驗(yàn)條件。

2.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

使用本設(shè)備能提高5倍以上的標(biāo)定效率，同時(shí)也大幅提高了標(biāo)定的精度。這為油田增長穩(wěn)產(chǎn)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。對(duì)其他應(yīng)用的不標(biāo)準(zhǔn)、不規(guī)則罐體容積也可進(jìn)行精確標(biāo)定。

3 結(jié) 論

（1）地埋斜底儲(chǔ)油罐容積智能標(biāo)定裝置的研究和使用，使單井產(chǎn)液量的測量和計(jì)算簡單化、準(zhǔn)確化，大大的提高了測量精度，為現(xiàn)代油田開發(fā)提供了可靠的基礎(chǔ)資料，為持續(xù)高效的油田開發(fā)提供保障。

（2）極大的提高了油罐容積標(biāo)定的效率，為規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化不規(guī)則罐標(biāo)定提供了高效自動(dòng)化的標(biāo)定方式。

（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究應(yīng)用、超低功耗儀表和便攜設(shè)備的研究應(yīng)用，為野外自動(dòng)化作業(yè)提供便利和思路。

（4）標(biāo)定裝置的研制成功和應(yīng)用使我廠油井單井計(jì)量的準(zhǔn)確率從75.93%提高到95%以上，標(biāo)定一個(gè)儲(chǔ)油罐不到25分鐘即可完成，“儲(chǔ)油罐容積與液位高度對(duì)照表”可由電腦自動(dòng)生成，得到的液位與體積對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)作為我廠計(jì)算單井日產(chǎn)液量得依據(jù)，并為油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析、油層改造、注水開發(fā)等提供了準(zhǔn)確的產(chǎn)量依據(jù)，也可對(duì)任何不規(guī)則容器進(jìn)行標(biāo)定，有很廣泛的實(shí)用性。

［1］ 蔡武昌，馬中元，瞿國芳，等. 電磁流量計(jì)[M]. 北京：中國石化出版社，2004.

［2］ 孫利民. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］ 姜仲霞，姜川濤，劉桂芳，等. 渦輪流量計(jì)[M]. 北京：中國石化出版社，2006.

［4］ 申忠如，郭福田，等. 現(xiàn)代測試技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2009.

［5］ 侯賽因?阿爾斯蘭. 認(rèn)知無線電、軟件定義無線電和自適應(yīng)無線系統(tǒng)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2010.

［6］ 馬國華. 監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.

Development and Application of Intelligent Volume Calibration Instruments for Irregular Buried Oil Tanks

FAN Qing-xiong1, XIAO Wei2, CAO Xiao-jun2, WANG Fang1, GE Dang-dang2, QIAO Tao2
（1. Xi’an Shiyou University, Shaanxi Xi’an 710061,China;
2. Yanchang Oilfield Co.Ltd.Qinghuabian Oil Production Plant , Shaanxi Yan’an 716000, China）

Accurate information of the producing wells is the prerequisite of increasing the scientific and technical level of oilfield development and sustainable exploitation of oilfields, in which the basic one is single well fluid productivity. The oil tank of Qinghuabian oil production plant is irregular for somehow, which can induce large error and low accuracy during volume calculation according to conventional reference value. In this article, approaches to accurately measure fluid level and volume of irregular oil tanks were discussed as well as realizing auto calibration of the volume of irregular oil tanks, such as experimental selections of level meters and flow meters, synchronous data acquisition and processing of the wireless sensor network, development of the upper-computer software, optimal application of digital filter algorithm and difference arithmetic, and so on.

Irregular slopping bottom tanks; Regional volume; Wireless senor; Automatic orientation

TE 42

B

1671-0460（2012）03-0277-03

2011-11-10

范慶雄(1974-)，男，在讀工程碩士，工程師，主要從事油氣田開發(fā)工作。E-m ail: yafqx@163.com。