示功图监控诊断计量系统的建立与应用

2015-12-03郭万松中石化油田勘探开发事业部北京100029

长江大学学报(自科版) 2015年5期

郭万松（中石化油田勘探开发事业部，北京100029）

董琰（中石化胜利油田分公司信息化管理中心，山东东营257000）

油井示功图是油井工作状态的重要表征，可以全面反映抽油机的运行状况及原油的开采情况。随着大部分油田进入特高含水开发后期，传统的油井管理模式已经不能满足精细化生产管理的需求，主要表现在以下几方面。

1）现有计量方式不能满足抽油机井连续自动精细计量的要求目前油井计量产液量采取每3天计量1次，每次连续计量3遍，取均值代表全天产液量的方式。这种方法的弊端是单井的计量时间间隔长，并且是用瞬时值代表全天值，误差较大，特别对于间歇出油井，更不能反映油井的实际产液量。

2）现有示功图录取方式不能满足工况及时诊断分析的要求抽油机井示功图每月测取一次，相应的油井工况诊断分析和优化措施的制定也是每月一次。因为工况诊断间隔时间过长，导致优化措施不及时，往往错过了工况优化的最佳时机。

3）现有运行管理方式不能满足精细管理的要求由于油井生产规模逐步扩大，一线职工人员紧张，造成采油工一人负责的油水井超出工作负荷，无法及时发现由于杆、管等问题导致的油井异常。这些问题少则3～5h，多则3d以后才能被发现，影响了产量，这与精细管理的要求相差甚远。因此，油田迫切需要建立一套基于物联网的抽油机井示功图监控诊断计量系统，能够实现抽油机井产液量连续自动计量、工况的自动诊断，从而进一步提高油田劳动生产率和精细化管理水平。

1 示功图监控诊断计量系统的设计

1.1 整体设计

示功图监控诊断计量系统由感知层、传输层和应用层3部分组成。通过现场传感器设备采集抽油机井示功图、开停井信息等数据，并将数据传送到数据处理单元RTU，RTU通过无线或有线网络将数据传输到服务器，服务器对上传的数据进行计算、处理，通过油田局域网利用统一的生产指挥平台进行应用展示。

1）感知层安装载荷传感器、角位移传感器（或一体化载荷位移传感器），定时采集位移、载荷数据，绘制示功图发送到数据处理单元RTU，再通过信号发送器每个周期给载荷传感器一个开始、结束信号，用来判断起始点位置，向RTU实时发送开停机报警信息。载荷传感器采用了起点位置加拉线式标定获取位移，保证了准确性，正常生产井要求每月标定一次示功图；一天内出现8个以上异常示功图的抽油机井必须进行示功图标定；现场抽油机井生产参数发生变化时必须进行示功图标定；作业开井工况稳定后必须进行示功图标定；示功图计量液量与分离器计量液量，误差超过±15%时，必须进行示功图标定。

2）传输层井场范围内通过433MHz、ZigBee无线方式或RS485有线方式将数据传输至RTU。RTU至上位机传输分为有线传输和无线传输方式，无线传输包括无线网桥、公网（CDMA、GPRS、WCDMA、3G、4G）等多种方式。

RTU按照“集中井分区、相邻井同传、偏远井直传”的配置原则，密集井区RTU布置建设，以覆盖半径200m为单位，对密集井区划片，进行合理优化部署；偏远单井RTU布置采用“一对一”配置模式进行部署；单个RTU可以接收12口油井的示功图数据，为了单井温度、压力、电参数等数据的同通道上传，考虑扩容每个RTU规划接收5口油井的示功图数据。

3）应用层示功图监控诊断计量系统软件包括示功图查询、示功图量液、工况诊断、监控报警4大功能模块。

示功图查询功能模块包含：整体示功图查询、即时示功图查询、定时示功图查询3个子功能模块。整体示功图查询功能，可以按照单位、井号、时间段查询选择范围内油井全部示功图；即时示功图查询功能，可以查询指定单位内所有油井的最新示功图；定时示功图查询功能，可以查询所选单井指定日期内指定时间点的所有示功图。

示功图量液功能模块包含：整体产液量查询、即时产液量查询、日均产液量查询3个子功能模块。整体产液量查询功能，可以按照单位、井号、时间段，查询选择范围内油井每小时的产液量；即时产液量查询功能，可以查询指定单位内所选油井最近一次计量的产液量；日均产液量查询功能，可以查询指定日期内所选油井的平均日产液量。

工况诊断功能模块包含：示功图叠加对比分析、数据曲线对比分析2个子功能模块。示功图叠加对比分析功能，可以将单井在某段时间内的示功图放置到同一个坐标系中，采用不同颜色叠加显示，进行单井工况对比分析；数据曲线对比分析功能，可以选择查询单井在某段时间内的日均产液量、全天产液量、泵效、最大载荷、最小载荷等数据曲线，并能够绘制在同一个坐标轴中显示。

监控报警功能模块包含：开井时率监控、报警设置、报警信息查询3个子功能模块。开井时率监控功能模块，可按照单位、井号等途径，自动计算油井开井时率；报警设置功能模块，可以设置单井最大载荷、单井最小载荷、示功图面积、光杆功率报警范围；报警信息查询功能模块，可以按照单位、井号、时间段等途径，自动统计报警事件名称、报警事件采集时间、报警事件处理结果等信息。

1.2 示功图计量方法

抽油机井示功图计量方法是根据示功图数据以及油井基础数据，应用杆柱、液柱和油管三维振动数学模型得到井下泵功图，进而建立抽油机井示功图计量的数学模型，借助泵功图识别技术计算抽油机井产液量。首先建立抽油杆柱波动方程，将地面示功图计算转化为泵功图，然后对此泵功图进行分析，确定泵的有效冲程、充满程度、气体影响系数、泵漏失量等，计算泵排量，进而求出地面折算有效排量，如图1所示。

1.3 示功图诊断方法

以杆柱受力分析和三维波动方程为基础，开展抽油机井地面示功图应用分析研究，综合考虑原油物性、井身轨迹、杆管组合等因素，建立抽油机井泵功图仿真模型。建立连抽带喷、固定阀卡死（不能打开）、泵严重磨损（不能关闭）、抽油杆断脱、气锁、完全液击、气体影响、供液不足、柱塞脱出工作筒、固定阀漏失、游动阀漏失、液体或机械摩阻、泵筒弯曲、泵上碰、泵下碰、卡泵、泵工作正常等17种工况的示功图图谱库，实现不同油藏类型抽油机示功图的逐级仿真、预警与诊断分析。

图1 示功图法计算单井产液量流程和原理示意图

2 应用效果分析

2.1 实现抽油机井产液量自动连续计量

示功图监控诊断计量系统实现抽油机井产液量自动连续计量后，可以对油井全天产液量、即时产液量、日均产液量进行查询。为有效验证抽油机井示功图监控诊断计量系统自动计量产液量的准确性与可靠性，对胜利油田胜采九队36口抽油机井日产液量进行对比分析。分离器计量总液量为1374.22t，示功图法计量总液量为1346.14t，日产液量对比相差－28.08t，平均误差－2.09%。

以ST3－9C142井为例，分离器计量日产液量为1.96t，示功图计量日产液量2.32t。通过对ST3－9C142井地面示功图（图2）叠加，可以看出ST3－9C142井间歇出油严重。分离器计量产液量仅代表了瞬时产液量，而示功图计量产液量是每天24次计量取平均值，对该井进行计量车体积法定压标产，求得该井的实际日产液量为2.36t／d，因此示功图计量产液量的准确性更高。

图2 ST3－9C142井地面示功图

2.2 实现油井工况分析优化决策

示功图监控诊断计量系统实现了单井工况诊断、井下技术状况、油井生产状况等多角度分析。STT76X17井位于T76断块西南部，生产层位X层，生产参数：泵径44mm、冲程6m、冲次1.1次／min，日产液量仅1.2t。该井应用示功图监控诊断计量系统跟踪油井每小时示功图变化，优化间开周期，及时进行参数调整，STT76X17井间开前后生产情况见表1。

STT76X17井间开周期为间隔3d开1d，实施后日产液量3t，提液单耗由138kW·h／t下降到55kW·h／t。示功图变化见图3。

通过对油井工况分析诊断功能的应用，实施参数调整措施，实现单井的高效、低能耗生产。STT145X10井生产层，实施优化前生产参数为泵径56mm、冲程4.8m、冲次2次／min，液量4.5t，该井应用油井示功图监控诊断计量系统跟踪油井每小时示功图变化，制定降低生产参数措施。

实施后生产参数为泵径56mm、冲程4.8m、冲次1次／min，液量为4.4t，该井示功图（图4）面积增加38.7mm2，泵效提高12.7%，耗电量降幅99%，单耗降低21.5kW·h／t（表2），实现了“降参不降液，降参不降产”的节能效果。

2.3 实现功图载荷报警及生产现场管理功能

示功图监控诊断计量系统的实施与应用，大大节省了现场数据采集的用工量和测试工的用工量，降低了油田开发的劳动力成本。同时油井计量产液量由过去的每天量液1次转变为一天量液24次，计量精确度大大提高。通过示功图数据的资源共享，使技术人员由过去的每月对油井工况进行一次诊断转变为实时对油井工况进行诊断，油井故障排除的及时率和工况优化措施制定的及时率得到了提高。