油井远程监控与计量技术在延长油田的应用

郝世彦 樊平天 张新涛

(延长油田股份有限公司,陕西延安 716001)

延长油田位于鄂尔多斯盆地,年生产能力已达到1 000×104t的规模,是我国重要的能源基地。但陕北地区地形复杂,油井遍布于高山深谷、丘壑峰峦之中,交通不便,再加上油井多、车辆少、人员紧缺,无法及时了油井运行情况,液量计算不准确,给油井生产、日常管理、液量计量带来很多不便,在很大程度上制约了油田的发展速度。为此,延长油田选取24口抽油机井安装了油井远程监控、液量自动计量及分析优化系统,采用油井远程监控与计量技术监控油井生产情况,计量油井产液量。油井远程监控与计量技术以单井工况监测和产量计量为核心,辅以油井数据的分析诊断,以达到简化地面流程、提高油井系统效率的目的。

1 油井远程监控计量系统原理

油井远程监控计量系统通过高精度的数据采集器[1-3],获取安装在油井上的负荷和位移传感器的数据,通过数据电台将其传送到数据处理点,利用油井监测和计量分析系统对数据进行处理,实时显示示功图、分析油井工况、计算油井产液量。

该油井自动监控系统主要采用集中管理分散控制结构(见图1)。该系统由数据处理点和数据采集点组成。数据处理点是各数据采集对象(抽油井)进行信息交换的平台,主要由中心天线、数据处理器、远距离无线传输模块、服务器、计算机、系统软件及油井计量分析软件组成。

图1 监测系统结构

1.1 油井远程监测技术原理

由于井下工况复杂多样,泵示功图表现出多种形状特征。典型泵示功图是指某一因素影响十分明显,其形状代表该因素影响下的基本特征[4-6]。虽然实际情况中有多种因素在影响示功图的形状,但总有主要因素。因此,示功图的形状也反映了主要因素影响下的特征,如图2所示。

图2中(1)～(5)分别对应自喷、固定阀卡死、泵筒内壁严重磨损、抽油杆断脱、气锁的情况,(6)、(8)对应抽油泵充不满的情况,(7)是泵内气体影响下的示功图,(9)对应柱塞脱出泵筒的情况,(10)、(11)分别对应固定阀、游动阀漏失的情况,(12)对应系统摩阻过大的情况,(13)对应泵筒弯曲的情况,(14)、(15)对应上碰泵、下碰泵的情况,(16)对应卡泵情况,(17)、(18)分别对应正常工况下油管不锚定、锚定的情况。

图2 油井典型泵示功图

示功图量油方法主要针对图2中的(6)～(15), (17)、(18)对应泵况下的产液量计算问题,对于其他泵况下的计量问题,需用其他手段实现。

1.2 油井计量技术原理

图3 理论计算流程

“功图法”油井计量技术[7-8]是依据抽油机井深井泵工作状态与油井产液量变化关系,把有杆泵抽油系统视为一个复杂的振动系统(三维振动系统包括抽油杆、油管和液柱3个振动系统),该系统在一定的边界条件和初始条件(如周期条件)下,对外部激励(地面示功图)产生响应(泵示功图),计算流程见图3。利用该技术能计算出给定系统在不同井口示功图激励下的泵示功图响应,然后对泵示功图进行分析,确定泵有效冲程,进而求出地面折算有效排量,其计算公式为:

式中,Qg为地面折算有效排量,m3/d;N为冲次, min-1;Se为有效冲程,m;d为泵径,m;fw为含水率;Bo为原油体积系数;Bw为水体积系数。

同时考虑到不同区块的原油物性不同,溶解气含量不同,含气原油脱气体积收缩引起地层原油与地面原油的体积差,在每个区块应用前应选一些井进行测试,然后经过对比分析得出这个区块对示功图计算结果的修正值,对示功图计算结果进行修正。

式中,qy现场测试产液量,m3/d;Q为修正后的地面产液量,m3/d。

1.3 柱塞有效冲程的计算

柱塞有效冲程应该主要依据泵示功图上阀开闭点的位置来确定。一般情况下,柱塞有效冲程Se通过游动阀的开闭点位置计算,如图4中(1)、(2)、(3)所示,A、D两点间的水平距离即为柱塞有效冲程。然而在某些情况下,柱塞有效冲程Se必须通过固定阀的开闭点位置计算,如图4中(4)所示柱塞脱出泵筒的情况下,B、C两点间的水平距离即为柱塞有效冲程。总的说来,柱塞有效冲程Se取游动阀或固定阀开闭点对应的柱塞位置差绝对值的较小值。

图4 泵示功图与阀开闭点位置的关系

1.3.1 泵示功图的预处理

为了便于使用程序计算有效冲程,在计算之前还需作一定的处理,主要处理步骤为:

1)考虑到泵示功图的载荷值范围远远大于位移值范围,有必要将泵示功图原始数据进行归一化处理,归一化载荷比记为Rf、行程比记为Rs;

2)将归一化后的泵示功图按照柱塞行程距离展开,就是将柱塞行程在区间S∈[0,1]上的闭合曲线转换成在区间S∈[0,2]上的单值曲线F(s);

3)在此基础上进行等ΔS取点,消除数据点的细微波动及疏密程度对曲率计算精度的影响。

1.3.2 泵示功图曲率计算模型

泵示功图曲线上任意一点 Pi的曲率 Ki可根据与其相邻的 4个数据点 Pi-2(si-2,fi-2)、Pi-1(si-1,fi-1)、Pi+1(si+1,fi+1)、Pi+2(si+2,fi+2)之间的几何关系计算,如图5所示。

图5 离散点曲率计算示意

Pi点的曲率为:

式中,Δ θi是直线 Pi-2Pi到直线 PiPi+2的有向旋转角度,其计算公式为:

弧长Δli的近似计算公式为:

则 Pi点处的曲率变化量δKi可根据 Pi、Pi+1两点的曲率 Ki、Ki+1计算:

泵示功图曲线是通过数值方法计算得到的,曲线中含有复杂的曲率成分。在实际计算中,为了降低或消除其引起的曲率变化量的波动,一般采用相邻5点取平均值的方法计算中间点的曲率变化量δK′i,以提高计算精度,即:

1.3.3 阀开闭点的位置与柱塞有效冲程确定

在泵示功图的高载荷段找出曲率变化最大的两个尖峰点,位移小者为固定阀开启点、反之为固定阀关闭点;在低载荷段找出曲率变化最大的两个点,位移小者为游动阀关闭点、反之为游动阀开启点。分别计算固定阀开闭点的位置差Sfoc和游动阀开闭点的位置差Smoc,则柱塞有效冲程Se为其中的较小者。

2 现场应用

从2008年11月份开始,延长油田在24口油井上安装了油井远程智能示功图测试及诊断分析优化系统。

2.1 油井运行情况实时监控

利用该系统可实时监控油井运行情况,对油井运行状态做出准确的诊断,在油井出现故障时报警。

该系统根据定1137井的示功图(图6)计算出该井不产液,结合该井的示功图判断该井抽油杆断脱。技术人员发现后及时去油井核实,发现油井确实不产液,修井时发现抽油杆断脱。

图6 定1137井的示功图

2.2 油井产液量变化

该系统能够准确反映出油井产液、产油情况,并通过示功图反映油井产液量的变化。如定1123井2009年4月17日、4月20日液量变化较大,该井在这两日的实测示功图有效冲程部分变化明显(图7),准确反映了该变化情况。

2.3 液量计量

所安装的油井中(24口油井,统计23口,1口因停井未统计)日产液量计量的符合率都在93%以上,平均相对误差3.72%,说明产液量的计量准确。

图7 定1123井的地面示功图

3 结 论

1)应用远程监控、液量自动计量系统,生产管理人员可以随时了解油井的生产情况以及设备的运行情况。在出现故障时,能及时发现并排除,使油井在最短的时间内恢复生产,提高油井生产时效。

2)采用功图法量液技术,产液量的计算精度接近甚至超过相同工艺条件下的一般量液技术,能准确计量出非疑难井的单井产量;同时,通过远传示功图数据的批量计算,能够较好地确定单井的时段产液量、累计产液量和平均产液量。

3)远程监控、液量自动计量系统在延长油田的应用,充分体现了其优越性,弥补了巡井难、计量难的不足,并为油田的高速发展和现代化管理提供了强有力的技术支持。

[1] 王建华,李璞.GPRS通信在油井远程监控系统中的应用[J].石油钻探技术,2004,32(2):67-70.

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