不规则储油罐容积智能标定装置的研制及应用

范庆雄，肖 伟，曹小军，王 芳，葛荡荡，乔 涛

（1. 西安石油大学，陕西 西安 710061； 2. 延长油田股份有限公司青化砭采油厂， 陕西 延安 716000）

不规则储油罐容积智能标定装置的研制及应用

范庆雄1*，肖 伟2，曹小军2，王 芳1，葛荡荡2，乔 涛2

（1. 西安石油大学，陕西 西安 710061； 2. 延长油田股份有限公司青化砭采油厂， 陕西 延安 716000）

准确的油井资料信息是油田开发科技水平不断提高、持续科学开发油田的先决条件，而单井日产液是油田开发生产中的基础资料。青化砭采油厂地埋斜底储油罐因各种原因导致罐体不规则，如按现用的参考理论值方法计算误差较大，致使单井日产液量计算准确率低。主要介绍为完成对不规则斜底罐的液位、容积精确测量，对液位计、流量计的实验选型，无线传感器网络的数据同步采集处理，上位机软件的开发，野外现场使用仪表及计算机的低功耗研究，定制高效可靠的通讯协议，采用一套科学的数字滤波和差值算法等，实现了快速、高效、准确的对不规则斜底罐容积自动化标定。

不规则斜底罐；局部容积；无线传感器；自动化标定

青化砭采油厂属于低渗透油田，平均单井日产液量不足0.4 m3。为了减少夏季原油蒸发量，避免冬季油稠用明火加温引发火灾事故，同时也为了降低泵油司机劳动强度，从2001年开始推广使用地埋斜底储油罐。由于各种原因，油罐的几何尺寸变得极不规则，使每日单井产液量的数据误差很大。由于在国内多采用几何计算或标尺进行测量，尚无全自动的测量设备，在国内某大学，有类似的工业控制设想，尚无成型设备。但由于使用PLC工业控制方式，存在诸多问题，采用工业控制方式，涉及PLC的编程控制，设备数量多，成本很高；因为设备数量多，成型后体积大，不方便现场使用；需要220 V电源，而很多现场不具备供电条件；操作的安全性也不高。现场都在油区，油气等易燃物存在的情况下，220 V电源的油罐标定存在安全隐患。故国内未有精确、便携、低功耗、安全的储油罐容积标定计量科研成果。

研制地埋斜底储油罐容积标定装置，为了能准确计算单井日产液量，减小单井计量的误差。逐步准确掌握油井生产动态，能准确反映油井的上液情况，能够及时反映不上液井，及时上报，及时检修，减少油井的停产时间，为油井生产动态分析提供数据。进而为油井生产动态分析、油层改造、注水开发提供准确的产量依据，避免对油田开发方案的制定和决策方向产生误导。

1 解决方案

1.1 标罐装置设计思路

标罐装置设计思路（图1），采取对单井储油罐“注入”清水的办法，并即时记录计量罐内液位下降和储油罐内液位上升的高度变化，现场准确计算出储罐液每升高1 cm所注入水的体积数，并自动生成“单井储油罐容积与液位高度对照表”，作为采油区队、采油工及泵油车司机计算单井日产液量的主要依据。

图1 容积标定原理示意图Fig. 1 Principle of volume calibration

1.2 原有的技术方案及现状

原有的方法是用车载计量罐与浮球标尺标定,通过1 m3计量罐向储油罐内注水，同时用液位高度测量装置测出储油罐内液面每升高1 cm时，计算出计量罐液面下降高度所对应的体积，从而人工录入数据绘制出储油罐液量对照表。存在效率低，误差大导致准确率低等缺点，不能实现我们的技术要求。

随后进行了技术改进，用斯太尔拉水车、流量计和液位计装置代替车载计量罐与浮球标尺标定，虽然准确率有所提高，但由于标罐速度快，人反映速度慢，在读数时容易产生漏读错误，计量还存在误差，液位计显示延时约1～2 s，流量计读数反应快，造成流量计读数和液位计高度不能一一对应，产生错位数据，达不到技术要求[1]。

1.3 智能化标定方案

在原有方法的基础上，我们一致认为必须解决人工读记数据与设备数字显示、设备与设备之间响应不同步的问题，决定采用无线传感器网络的数据同步采集处理、上位机软件的开发、野外现场使用仪表及计算机的低功耗研究、定制高效可靠的通讯协议，采用一套科学的数字滤波和差值算法等，实现快速、高效、准确的对不规则斜底罐自动化标定，提高标罐效率和标罐装置测量的精度，使标定过程实现智能化。

1.4 各结构的参数及功能

方案结构示意图如图2。

结构1：数字涡轮流量计：对各类高精度涡轮流量计进行精选和测试试验，确定准确度等级1.0级，最大允许误差±1.0%，宽量程1～30 m3/h、带无线发射模块[2]，流量积算精度为0.001的流量计。精度等级、流速、量程均满足要求，实现流出液体的体积计量[3]。

结构2：数字磁致伸缩液位计DRCM-2000，自带无线发射模块，每秒传输10次数据，精度达1 mm，加装防液面波动护套，有效克服受液面波动影响，满足技术要求，实现注入液体高度的精确测量。

图2 方案结构示意图Fig.2 The structure of the solution scheme

结构3：设计制作无线协议转换箱，用信号线连接液位计、流量计和协议箱，并用检测软件进行检测[4]，协议箱将从液位计和流量计采集到得RS232信号经转换器转换为RS485信号后传输给电脑，经过数次测试，协议箱能快速准确的转换和输出稳定信号[5]，符合技术要求。

结构4：开发组态软件：联系西安国仪公司，与软件开发人员研讨软件开发方案，根据已定方案进行软件程序的编写，对软件的信号采集、采样时间、计算方法程序进行多次测试改进，并对流量计和液位计与软件组态进行测试，实现了信号的准确传输和软件的正常运行，且能自动采集和处理协议转换箱的数据并自动生成液位与容积对照表[6]。

结构5：低功耗笔记本电脑，实现标定装置数据转换的显示和生成二维的液位高度和体积对照表。

1.5 连接以及标定实现的整个过程

将各信号线与对应设备连接，将液位计垂直放入被标定的储油罐内，固定好，并打开其信号发射器和协议转换箱电源，然后打开“储油罐标定仪”软件，录入罐长、罐宽、油井名称，待该软件主界面右侧“液位”字段显示数值与流量计数值一致，点击“开始”按钮后，绿色指示灯闪烁，此时储油罐容积标定开始，接着打开注水管阀门，此时该软件主界面“瞬时流量”字段、“液量”字段、“液位”字段动态显示注水流量和液位高度，并自动将“液量”值写入到与“液位”对应的”体积”栏中，待被标定储油罐注满后，点击“停止”按钮，关闭注水管阀门（图3）。至此，该储油罐标定完成，点击“导出EXCEL”按钮导出该“液量对照文件”。

2 现场实施与试验效果评价

2.1 现场试验效果

经过现场对标定数据的数十次验证，所测的数据都在允许的误差范围内，且根据所标定的液位与容积对照表，计算单井日产液量准确率达95%以上，标定一个储油罐容积罐平均用时25 min以内。

图3 地埋斜底储油罐容积智能标定装置连接及标定实现过程示意图Fig.3 The junction and process of intelligent volume calibration instruments for irregular buried oil tanks

2.2 技术评价

（1）质检部门对液位计与流量计的精度校验，流量计精度达1 L、液位计高度达到1 mm。

（2）通过实际泵运原油量与对照表进行比对，误差控制在5%以内。

（3）现场标定记录单井操作时间，检验能否每天标定20口以上。

（4）试验区（井）基本情况：所有油井现场均满足试验条件。

2.3 技术经济效益分析

使用本设备能提高5倍以上的标定效率，同时也大幅提高了标定的精度。这为油田增长稳产提供准确的数据，提高了生产效率，降低了生产成本。对其他应用的不标准、不规则罐体容积也可进行精确标定。

3 结 论

（1）地埋斜底储油罐容积智能标定装置的研究和使用，使单井产液量的测量和计算简单化、准确化，大大的提高了测量精度，为现代油田开发提供了可靠的基础资料，为持续高效的油田开发提供保障。

（2）极大的提高了油罐容积标定的效率，为规模化、标准化不规则罐标定提供了高效自动化的标定方式。

（3）无线传感器网络的研究应用、超低功耗仪表和便携设备的研究应用，为野外自动化作业提供便利和思路。

（4）标定装置的研制成功和应用使我厂油井单井计量的准确率从75.93%提高到95%以上，标定一个储油罐不到25分钟即可完成，“储油罐容积与液位高度对照表”可由电脑自动生成，得到的液位与体积对应数据作为我厂计算单井日产液量得依据，并为油井生产动态分析、油层改造、注水开发等提供了准确的产量依据，也可对任何不规则容器进行标定，有很广泛的实用性。

［1］ 蔡武昌，马中元，瞿国芳，等. 电磁流量计[M]. 北京：中国石化出版社，2004.

［2］ 孙利民. 无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2005.

［3］ 姜仲霞，姜川涛，刘桂芳，等. 涡轮流量计[M]. 北京：中国石化出版社，2006.

［4］ 申忠如，郭福田，等. 现代测试技术与系统设计[M]. 西安：西安交通大学出版社，2009.

［5］ 侯赛因•阿尔斯兰. 认知无线电、软件定义无线电和自适应无线系统[M]. 西安：西安交通大学出版社，2010.

［6］ 马国华. 监控组态软件及其应用[M]. 北京：清华大学出版社，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

范庆雄(1974-)，男，在读工程硕士，工程师，主要从事油气田开发工作。E-m ail: yafqx@163.com。