淺論功圖法油井計量技術(shù)在油田的應(yīng)用

鄭秀海

摘 要：研究油區(qū)由于滲透率低、地形復(fù)雜，地面建設(shè)困難，單井計量采用雙管流程、站內(nèi)雙容積計疊，計量系統(tǒng)投資巨大。為簡化流程，減少計量管戈，降低建設(shè)投資，滿足低滲透油田經(jīng)濟高效的開定要求，油田油氣工藝研究院積極探索開發(fā)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(shù)。該技術(shù)現(xiàn)已成為油田改進工藝模式的主體技術(shù)之一。

關(guān)鍵詞：功圖法；油井；計量技術(shù)；生產(chǎn)數(shù)據(jù)；故障診斷

從功圖法油井計量技術(shù)的技術(shù)原理、抽油桿系統(tǒng)模型、示功圖有效沖程識別、計算結(jié)果修正四個方面對該技術(shù)進行了詳細闡述。通過利用計算機信息網(wǎng)絡(luò)資源，在油田建立于基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理的功圖法油井計量監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集、產(chǎn)量自動計量、油井遠程監(jiān)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(shù)字化管理水平，為建設(shè)數(shù)字化油田搭建了平臺。

1功圖法油井計量技術(shù)

（1）技術(shù)原理。功圖法油井計量技術(shù)是依據(jù)抽油機井深井泵工作狀態(tài)與油井產(chǎn)液量變化關(guān)系，把定向井有桿泵抽油系統(tǒng)視為1個復(fù)雜的三維振動系統(tǒng)（包含抽油桿、油管和液柱3個振動子系統(tǒng)），該系統(tǒng)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(chǎn)生響應(yīng)（泵功圖）。因此，首先需建立定向井有桿泵抽油系統(tǒng)的力學、數(shù)學模型，該模型能計算出給定系統(tǒng)在不同井口示功圖激勵下的泵功圖響應(yīng)，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(shù)示意圖

（2）有桿抽油系統(tǒng)數(shù)學模型。把定向井有桿泵系統(tǒng)視為1個復(fù)雜的三維振動系統(tǒng)，考慮抽油桿、液柱及油管3個子系統(tǒng)在三維空間的振動藕合，以及與抽油桿位移、速度、應(yīng)變、應(yīng)力和載荷之間隨時間變化的因素，建立相關(guān)模型：①建立了抽油桿、液柱和油管3個振動系統(tǒng)的空間三維模型；②考慮了3個子系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)果起著至關(guān)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(yù)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(jù)判斷的有效沖程計算產(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)點進行預(yù)處理，過濾掉某些對泵功圖的幾何特征影響不大的數(shù)據(jù)點。第二步，利用矢量特征法識別泵有效沖程。將預(yù)處理過的泵功圖標準化（無因次化），再用一系列連續(xù)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(jīng)多年現(xiàn)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(tǒng)，由于數(shù)據(jù)運算量大、計算速度慢，不適應(yīng)于在現(xiàn)場實時處理大量油井數(shù)據(jù)。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(cè)向力，一部分為抽油桿軸向力。側(cè)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(jīng)實踐證實，其計算精度能夠滿足現(xiàn)場使用的要求。

2功圖法油井計量監(jiān)測系統(tǒng)研制

在功圖法油井計量技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了集功圖法油井計量技術(shù)、測試技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)為一體的抽油機井功圖法油井自動計量與監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集、產(chǎn)量自動計量、工況遠程監(jiān)測、油井故障診斷、報告自動生成、故障實時預(yù)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(shù)據(jù)，將采集的光桿示功圖數(shù)據(jù)傳輸至RTU，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)鏈路將數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸军c。站點安裝了數(shù)據(jù)接收裝置、系統(tǒng)監(jiān)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(shù)據(jù)，進行計算、處理。（1）系統(tǒng)組成。功圖法油井計量技術(shù)采用數(shù)據(jù)分散采集、集中處理結(jié)構(gòu)，由多個數(shù)據(jù)采集點和數(shù)據(jù)處理點（數(shù)據(jù)控制中心）組成，分別完成數(shù)據(jù)的采集和處理。數(shù)據(jù)采集點由安裝在抽油機井口的負荷傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集控制器、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理點。數(shù)據(jù)采集點的主要功能是全天候自動示功圖數(shù)據(jù)采集，及時將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理點和控制中心。數(shù)據(jù)處理點是對各數(shù)據(jù)采集點（抽油井）進行信息交換處理的平臺，通過對數(shù)據(jù)采集點測試示功圖數(shù)據(jù)的收集，及時準確掌握油井的生產(chǎn)情況，利用油井計量分析軟件完成油井工況的診斷、油井產(chǎn)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(shù)據(jù)控制點管理40口井，一般設(shè)置在轉(zhuǎn)油站或聯(lián)合站。數(shù)據(jù)處理點主要由中心天線、中心控制器（數(shù)據(jù)處理器、遠距離通訊模塊、服務(wù)器等）、計算機、系統(tǒng)監(jiān)測軟件、油井計量分析軟件等組成。

（2）實現(xiàn)的主要功能。采用功圖法油井計量監(jiān)控系統(tǒng)進行油井的日常管理，并依托局域網(wǎng)，實現(xiàn)了三級控制：①實時數(shù)據(jù)采集與遠程工況監(jiān)測，生產(chǎn)狀況巡檢周期為10 min，每30 s刷新一次，監(jiān)測參數(shù)有載荷、位移、電流、電壓等；②產(chǎn)液量計量，實時采集計產(chǎn)、單量分析計產(chǎn)、某一時段分析計產(chǎn)、多（單）井計產(chǎn)、批量分析計產(chǎn)、定時報表計產(chǎn)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(jié)果報告；④實時故障報警，遙測系統(tǒng)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(chǎn)產(chǎn)量匯總報表、其他生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯總報表等。

3現(xiàn)場應(yīng)用情況

從應(yīng)用的情況看，功圖法油井計量技術(shù)的應(yīng)用效果明顯，工況診斷結(jié)果的符合率達到85%以上，計量結(jié)果的符合率達到90%以上，達到了系統(tǒng)設(shè)計和現(xiàn)場應(yīng)用的要求：①以全天候10 min 1個實測示功圖作為數(shù)據(jù)源，計算油井平均產(chǎn)量，更加真實地反映油井實際出液情況；②系統(tǒng)運行穩(wěn)定，進站總液量與功圖法計產(chǎn)對比，誤差較小，油井診斷分析結(jié)果準確，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需要；③與傳統(tǒng)計量技術(shù)相比，配合其他工藝技術(shù)應(yīng)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(jié)語

（1）功圖法計量技術(shù)的成功應(yīng)用，是建立適應(yīng)低滲透油田和復(fù)雜井況的定向井的功圖法計量模型的結(jié)果，是對硬件及軟件不斷調(diào)整完善的結(jié)果，是精細管理的結(jié)果。 （2）功圖法油井計量技術(shù)以全天候每10min 1個實測示功圖作為數(shù)據(jù)源計算產(chǎn)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(chǎn)管理工作實現(xiàn)了自動化、數(shù)字化。（3）隨時監(jiān)測油井工況，為站點技術(shù)人員提供油井異常情況的三級預(yù)警，發(fā)現(xiàn)問題及時上報調(diào)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(tǒng)通過信息網(wǎng)絡(luò)平臺，使油井所有數(shù)據(jù)實現(xiàn)共享，為技術(shù)管理人員提供及時準確的數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)判斷、油藏狀況的把握和生產(chǎn)方案的制定提供依據(jù)，提升了油井的管理水平。

參考文獻：

[1] 示功圖量液技術(shù)在塔河油田十二區(qū)的應(yīng)用初探[J]. 王波. 內(nèi)蒙古石油化工. 2019（02）