郭萬(wàn)松 （中石化油田勘探開發(fā)事業(yè)部，北京100029）

董琰 （中石化勝利油田分公司信息化管理中心，山東 東營(yíng)257000）

油井示功圖是油井工作狀態(tài)的重要表征，可以全面反映抽油機(jī)的運(yùn)行狀況及原油的開采情況。隨著大部分油田進(jìn)入特高含水開發(fā)后期，傳統(tǒng)的油井管理模式已經(jīng)不能滿足精細(xì)化生產(chǎn)管理的需求，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

1）現(xiàn)有計(jì)量方式不能滿足抽油機(jī)井連續(xù)自動(dòng)精細(xì)計(jì)量的要求 目前油井計(jì)量產(chǎn)液量采取每3天計(jì)量1次，每次連續(xù)計(jì)量3遍，取均值代表全天產(chǎn)液量的方式。這種方法的弊端是單井的計(jì)量時(shí)間間隔長(zhǎng)，并且是用瞬時(shí)值代表全天值，誤差較大，特別對(duì)于間歇出油井，更不能反映油井的實(shí)際產(chǎn)液量。

2）現(xiàn)有示功圖錄取方式不能滿足工況及時(shí)診斷分析的要求 抽油機(jī)井示功圖每月測(cè)取一次，相應(yīng)的油井工況診斷分析和優(yōu)化措施的制定也是每月一次。因?yàn)楣r診斷間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致優(yōu)化措施不及時(shí)，往往錯(cuò)過(guò)了工況優(yōu)化的最佳時(shí)機(jī)。

3）現(xiàn)有運(yùn)行管理方式不能滿足精細(xì)管理的要求 由于油井生產(chǎn)規(guī)模逐步擴(kuò)大，一線職工人員緊張，造成采油工一人負(fù)責(zé)的油水井超出工作負(fù)荷，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)由于桿、管等問(wèn)題導(dǎo)致的油井異常。這些問(wèn)題少則3～5h，多則3d以后才能被發(fā)現(xiàn)，影響了產(chǎn)量，這與精細(xì)管理的要求相差甚遠(yuǎn)。因此，油田迫切需要建立一套基于物聯(lián)網(wǎng)的抽油機(jī)井示功圖監(jiān)控診斷計(jì)量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機(jī)井產(chǎn)液量連續(xù)自動(dòng)計(jì)量、工況的自動(dòng)診斷，從而進(jìn)一步提高油田勞動(dòng)生產(chǎn)率和精細(xì)化管理水平。

1 示功圖監(jiān)控診斷計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

示功圖監(jiān)控診斷計(jì)量系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層3部分組成。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)傳感器設(shè)備采集抽油機(jī)井示功圖、開停井信息等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理單元RTU，RTU通過(guò)無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理，通過(guò)油田局域網(wǎng)利用統(tǒng)一的生產(chǎn)指揮平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用展示。

1）感知層 安裝載荷傳感器、角位移傳感器（或一體化載荷位移傳感器），定時(shí)采集位移、載荷數(shù)據(jù)，繪制示功圖發(fā)送到數(shù)據(jù)處理單元RTU，再通過(guò)信號(hào)發(fā)送器每個(gè)周期給載荷傳感器一個(gè)開始、結(jié)束信號(hào)，用來(lái)判斷起始點(diǎn)位置，向RTU實(shí)時(shí)發(fā)送開停機(jī)報(bào)警信息。載荷傳感器采用了起點(diǎn)位置加拉線式標(biāo)定獲取位移，保證了準(zhǔn)確性，正常生產(chǎn)井要求每月標(biāo)定一次示功圖；一天內(nèi)出現(xiàn)8個(gè)以上異常示功圖的抽油機(jī)井必須進(jìn)行示功圖標(biāo)定；現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)井生產(chǎn)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)必須進(jìn)行示功圖標(biāo)定；作業(yè)開井工況穩(wěn)定后必須進(jìn)行示功圖標(biāo)定；示功圖計(jì)量液量與分離器計(jì)量液量，誤差超過(guò)±15%時(shí)，必須進(jìn)行示功圖標(biāo)定。

2）傳輸層 井場(chǎng)范圍內(nèi)通過(guò)433MHz、ZigBee無(wú)線方式或RS485有線方式將數(shù)據(jù)傳輸至RTU。RTU至上位機(jī)傳輸分為有線傳輸和無(wú)線傳輸方式，無(wú)線傳輸包括無(wú)線網(wǎng)橋、公網(wǎng)（CDMA、GPRS、WCDMA、3G、4G）等多種方式。

RTU按照“集中井分區(qū)、相鄰井同傳、偏遠(yuǎn)井直傳”的配置原則，密集井區(qū)RTU布置建設(shè)，以覆蓋半徑200m為單位，對(duì)密集井區(qū)劃片，進(jìn)行合理優(yōu)化部署；偏遠(yuǎn)單井RTU布置采用“一對(duì)一”配置模式進(jìn)行部署；單個(gè)RTU可以接收12口油井的示功圖數(shù)據(jù)，為了單井溫度、壓力、電參數(shù)等數(shù)據(jù)的同通道上傳，考慮擴(kuò)容每個(gè)RTU規(guī)劃接收5口油井的示功圖數(shù)據(jù)。

3）應(yīng)用層 示功圖監(jiān)控診斷計(jì)量系統(tǒng)軟件包括示功圖查詢、示功圖量液、工況診斷、監(jiān)控報(bào)警4大功能模塊。

示功圖查詢功能模塊包含：整體示功圖查詢、即時(shí)示功圖查詢、定時(shí)示功圖查詢3個(gè)子功能模塊。整體示功圖查詢功能，可以按照單位、井號(hào)、時(shí)間段查詢選擇范圍內(nèi)油井全部示功圖；即時(shí)示功圖查詢功能，可以查詢指定單位內(nèi)所有油井的最新示功圖；定時(shí)示功圖查詢功能，可以查詢所選單井指定日期內(nèi)指定時(shí)間點(diǎn)的所有示功圖。

示功圖量液功能模塊包含：整體產(chǎn)液量查詢、即時(shí)產(chǎn)液量查詢、日均產(chǎn)液量查詢3個(gè)子功能模塊。整體產(chǎn)液量查詢功能，可以按照單位、井號(hào)、時(shí)間段，查詢選擇范圍內(nèi)油井每小時(shí)的產(chǎn)液量；即時(shí)產(chǎn)液量查詢功能，可以查詢指定單位內(nèi)所選油井最近一次計(jì)量的產(chǎn)液量；日均產(chǎn)液量查詢功能，可以查詢指定日期內(nèi)所選油井的平均日產(chǎn)液量。

工況診斷功能模塊包含：示功圖疊加對(duì)比分析、數(shù)據(jù)曲線對(duì)比分析2個(gè)子功能模塊。示功圖疊加對(duì)比分析功能，可以將單井在某段時(shí)間內(nèi)的示功圖放置到同一個(gè)坐標(biāo)系中，采用不同顏色疊加顯示，進(jìn)行單井工況對(duì)比分析；數(shù)據(jù)曲線對(duì)比分析功能，可以選擇查詢單井在某段時(shí)間內(nèi)的日均產(chǎn)液量、全天產(chǎn)液量、泵效、最大載荷、最小載荷等數(shù)據(jù)曲線，并能夠繪制在同一個(gè)坐標(biāo)軸中顯示。

監(jiān)控報(bào)警功能模塊包含：開井時(shí)率監(jiān)控、報(bào)警設(shè)置、報(bào)警信息查詢3個(gè)子功能模塊。開井時(shí)率監(jiān)控功能模塊，可按照單位、井號(hào)等途徑，自動(dòng)計(jì)算油井開井時(shí)率；報(bào)警設(shè)置功能模塊，可以設(shè)置單井最大載荷、單井最小載荷、示功圖面積、光桿功率報(bào)警范圍；報(bào)警信息查詢功能模塊，可以按照單位、井號(hào)、時(shí)間段等途徑，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)報(bào)警事件名稱、報(bào)警事件采集時(shí)間、報(bào)警事件處理結(jié)果等信息。

1.2 示功圖計(jì)量方法

抽油機(jī)井示功圖計(jì)量方法是根據(jù)示功圖數(shù)據(jù)以及油井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用桿柱、液柱和油管三維振動(dòng)數(shù)學(xué)模型得到井下泵功圖，進(jìn)而建立抽油機(jī)井示功圖計(jì)量的數(shù)學(xué)模型，借助泵功圖識(shí)別技術(shù)計(jì)算抽油機(jī)井產(chǎn)液量。首先建立抽油桿柱波動(dòng)方程，將地面示功圖計(jì)算轉(zhuǎn)化為泵功圖，然后對(duì)此泵功圖進(jìn)行分析，確定泵的有效沖程、充滿程度、氣體影響系數(shù)、泵漏失量等，計(jì)算泵排量，進(jìn)而求出地面折算有效排量，如圖1所示。

1.3 示功圖診斷方法

以桿柱受力分析和三維波動(dòng)方程為基礎(chǔ)，開展抽油機(jī)井地面示功圖應(yīng)用分析研究，綜合考慮原油物性、井身軌跡、桿管組合等因素，建立抽油機(jī)井泵功圖仿真模型。建立連抽帶噴、固定閥卡死（不能打開）、泵嚴(yán)重磨損（不能關(guān)閉）、抽油桿斷脫、氣鎖、完全液擊、氣體影響、供液不足、柱塞脫出工作筒、固定閥漏失、游動(dòng)閥漏失、液體或機(jī)械摩阻、泵筒彎曲、泵上碰、泵下碰、卡泵、泵工作正常等17種工況的示功圖圖譜庫(kù)，實(shí)現(xiàn)不同油藏類型抽油機(jī)示功圖的逐級(jí)仿真、預(yù)警與診斷分析。

圖1 示功圖法計(jì)算單井產(chǎn)液量流程和原理示意圖

2 應(yīng)用效果分析

2.1 實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井產(chǎn)液量自動(dòng)連續(xù)計(jì)量

示功圖監(jiān)控診斷計(jì)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井產(chǎn)液量自動(dòng)連續(xù)計(jì)量后，可以對(duì)油井全天產(chǎn)液量、即時(shí)產(chǎn)液量、日均產(chǎn)液量進(jìn)行查詢。為有效驗(yàn)證抽油機(jī)井示功圖監(jiān)控診斷計(jì)量系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)量產(chǎn)液量的準(zhǔn)確性與可靠性，對(duì)勝利油田勝采九隊(duì)36口抽油機(jī)井日產(chǎn)液量進(jìn)行對(duì)比分析。分離器計(jì)量總液量為1374.22t，示功圖法計(jì)量總液量為1346.14t，日產(chǎn)液量對(duì)比相差－28.08t，平均誤差－2.09%。

以ST3－9C142井為例，分離器計(jì)量日產(chǎn)液量為1.96t，示功圖計(jì)量日產(chǎn)液量2.32t。通過(guò)對(duì)ST3－9C142井地面示功圖（圖2）疊加，可以看出ST3－9C142井間歇出油嚴(yán)重。分離器計(jì)量產(chǎn)液量?jī)H代表了瞬時(shí)產(chǎn)液量，而示功圖計(jì)量產(chǎn)液量是每天24次計(jì)量取平均值，對(duì)該井進(jìn)行計(jì)量車體積法定壓標(biāo)產(chǎn)，求得該井的實(shí)際日產(chǎn)液量為2.36t／d，因此示功圖計(jì)量產(chǎn)液量的準(zhǔn)確性更高。

圖2 ST3－9C142井地面示功圖

2.2 實(shí)現(xiàn)油井工況分析優(yōu)化決策

示功圖監(jiān)控診斷計(jì)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單井工況診斷、井下技術(shù)狀況、油井生產(chǎn)狀況等多角度分析。STT76X17井位于T76斷塊西南部，生產(chǎn)層位X層，生產(chǎn)參數(shù)：泵徑44mm、沖程6m、沖次1.1次／min，日產(chǎn)液量?jī)H1.2t。該井應(yīng)用示功圖監(jiān)控診斷計(jì)量系統(tǒng)跟蹤油井每小時(shí)示功圖變化，優(yōu)化間開周期，及時(shí)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，STT76X17井間開前后生產(chǎn)情況見表1。

STT76X17井間開周期為間隔3d開1d，實(shí)施后日產(chǎn)液量3t，提液?jiǎn)魏挠?38kW·h／t下降到55kW·h／t。示功圖變化見圖3。

通過(guò)對(duì)油井工況分析診斷功能的應(yīng)用，實(shí)施參數(shù)調(diào)整措施，實(shí)現(xiàn)單井的高效、低能耗生產(chǎn)。STT145X10井生產(chǎn)層，實(shí)施優(yōu)化前生產(chǎn)參數(shù)為泵徑56mm、沖程4.8m、沖次2次／min，液量4.5t，該井應(yīng)用油井示功圖監(jiān)控診斷計(jì)量系統(tǒng)跟蹤油井每小時(shí)示功圖變化，制定降低生產(chǎn)參數(shù)措施。

實(shí)施后生產(chǎn)參數(shù)為泵徑56mm、沖程4.8m、沖次1次／min，液量為4.4t，該井示功圖（圖4）面積增加38.7mm2，泵效提高12.7%，耗電量降幅99%，單耗降低21.5kW·h／t（表2），實(shí)現(xiàn)了“降參不降液，降參不降產(chǎn)”的節(jié)能效果。

2.3 實(shí)現(xiàn)功圖載荷報(bào)警及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理功能

示功圖監(jiān)控診斷計(jì)量系統(tǒng)的實(shí)施與應(yīng)用，大大節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的用工量和測(cè)試工的用工量，降低了油田開發(fā)的勞動(dòng)力成本。同時(shí)油井計(jì)量產(chǎn)液量由過(guò)去的每天量液1次轉(zhuǎn)變?yōu)橐惶炝恳?4次，計(jì)量精確度大大提高。通過(guò)示功圖數(shù)據(jù)的資源共享，使技術(shù)人員由過(guò)去的每月對(duì)油井工況進(jìn)行一次診斷轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)時(shí)對(duì)油井工況進(jìn)行診斷，油井故障排除的及時(shí)率和工況優(yōu)化措施制定的及時(shí)率得到了提高。

表1 STT76X17井間開前后生產(chǎn)情況對(duì)比表

圖3 STT76X17井間開前后示功圖變化情況

圖4 STT145X10井降參前后示功圖變化情況

表2 STT145X10井降參前后生產(chǎn)情況對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

抽油機(jī)井示功圖監(jiān)控診斷計(jì)量系統(tǒng)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)信息化技術(shù)，建立了一套抽油機(jī)井從數(shù)據(jù)“采集、傳輸、存儲(chǔ)、應(yīng)用”環(huán)節(jié)完整的管理系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，提升了油氣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的管理水平，變革了傳統(tǒng)的生產(chǎn)組織模式，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，滿足了油田數(shù)字化、數(shù)據(jù)化的需要。

［1］朱益飛，潘道蘭 .油田內(nèi)部油氣計(jì)量技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析 ［J］.中國(guó)計(jì)量，2007，（1）：51～53.

［2］薛國(guó)民，沈毅 .油井計(jì)量方法及關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向 ［J］.工業(yè)計(jì)量，2006，16（4）：14～16.

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