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功图法油井计量技术在长庆油田的应用


油 气 田地 面 工 程 第 2 卷 第 2期 ( O 0 2 9 2 1. )  

5  5

d i1 . 9 9 j i n 1 0 — 8 6 2 1 . 2 0 9 o : 0 3 6 /.s . 0 66 9 . 0 0 0 . 2   s

功 图法 油 井 计 量 技 术 在 长 庆 油 田的应 用 <

br />杨 瑞 黄 伟  辛宏  王永 全  李 明 江    
( 庆 油 田公 司 油 气 院 ) 长   摘 要 :从 功 图 法 油 井计 量 技 术 的 技 术 原 理 、抽 油杆 系 统 模 型 、 示 功 图 有 效 冲 程 识 别 、计 算 结  果 修 正 四 个 方 面 对 该 技 术 进 行 了详 细 阐 述 。通 过 利 用计 算 机 信 息 网络 资 源 ,在 长 庆 油 田 建 立 了基 
于 生 产 数 据 管 理 的 功 图 法 油 井计 量 监 控 系统 , 实现 了 生 产 数 据 实 时 采 集 、 产 量 自动 计 量 、 油 井 远 

程监控 、油 井故障诊 断 、报 表 自动 生成 等 功 能 ,简化 了工 艺 流程 ,降低 了投 资 ,减 少 了 用工 总 
量 ,提 高 了 油 田 数 字 化 管 理 水 平 , 为 建 设 数 字 化 油 田搭 建 了平 台 。   关 键 词 :功 图 法 ; 油 井 计 量 ;远 程 监 控 ; 抽 油 杆 系 统 ;工 况 诊 断 ;数 字 化  长 庆 油 田是 一 个 典 型 的 低 渗 、 特 低 渗 油 田 , 单  井 产 量 低 , 加 之 油 区 内 地 形 复 杂 ,地 面 建 设 困 难 ,   油 井 单 井 计 量 全 部 采 用 双 管 流 程 、 站 内 双 容 积 计  计 量 技 术 。 该 技 术 现 已 成 为 长 庆 油 田 工 艺 模 式 的 主  体 技术 之 一 。20 0 8年 , 功 图 法 油 井 计 量 装 置 获 得  国家发 明专 利 和 “ 团 公 司 20 集 0 8年 自 主 创 新 重 要 
产 品 ”认 证 。  

量 ,计 量系 统投 资 巨大 。为简 化流程 ,减少 计量 管  线 ,降低 建设 投 资 ,满足低 渗 透油 田经 济高效 的开 
发 要 求 ,长 庆 油 田油 气 T 艺 研 究 院 积 极 探 索 开 发 出  了 一 种 新 的 油 井 计 量 方 法 — — 抽 油 机 井 功 图 法 油 井 
l ■{   t    l  ‘ 1 E ,‘ t   E ‘ ■  ●   I ,{  ; , 

1 功 图 法 油 井 计 量 技 术   
( ) 技 术 原 理 。 功 图法 油 井 计 量 技 术 是 依 据 抽  1
-  

, I 4 t  E , ‘ *  ‘ ‘   t    " 

更 深 入 、 更 科 学 的 分 析 ,并 将 分 析 结 果 和 建 议 快 速 

单位 基地 ,然 后再 由单 位汇报 给有 关各 方 ,既费 时  又 费 力 ,每 次 现 场 汇 报 一般 就 需 要 2 ~ 3  i ; 0 0 r n  a 其 他 施工单 位若 要 了解现 场 的情况 ,还 要动用 车辆  到现 场 。现在 通过数 据远 程传 输 ,每天 一般 只需要 
2 3ri 可 将 现 场 的 所 有 汇 报 数 据 及 相 关 资 料  ~   n就 a

地 反馈 给现场 决策 和施 工人 员 , 以减 少或 避免 井下  复杂 事故 的发 生 ,为 T程安全 、高效提 供 强有力 的 
技术 保 障 。  

( )提高 录井信 息 资料 的利 用范 围 。 由于综 合  3 录井远 程传 输 系统使 用 了先进 的网络技 术来 实现 数  据 信 息的集 成 和共享 ,可 以使 录井 、钻 井 和 甲方 等  同时共 享现 场传 回的信息 ,为 企业 的决 策层 提供 准  确 而 有效 的数据 信息 ,使 各个 层 面都可 以及 时 了解  生 产信 息和 动态 ,并 迅速 对数 据信 息进 行解 释或 提 
供 决 策 ,扩 展 了 信 息 资 料 的 应 用 范 围 。   资 料 应 用 范 围 的 扩 展 主 要 表 现 在 以 下 几 个 方  面 :① 解 决 了 “ 息 孤 岛 ” 问 题 ,使 各 公 司 、各 部  信 门 之 间 的 数 据 信 息 可 以 进 行 交 流 和 共 享 ,提 高 r资 

传 回公 司基地 ,同时 ,南于传 回基地 的 数据 一经 接 
收 ,系统立 刻 就 在 we b服 务 器 上 进 行 发 布 共 享 ,   使 各 个 客 户 端 能 在 第 一 时 间 同 时 获 取 数 据 ,提 高 了   现 场 信 息 的 时 效 性 。 这 样 不 但 节 约 了 大 量 的通 讯 费 

用 ,而 且 由于传 回基 地 的数据 已不仅 仅是 井深 、钻 
时 及 气 体 组 分 这 些 基 本 数 据 , 而 是 包 含 了 综 合 录 井  采 集 参 数 的 较 为 全 面 的 数 据 信 息 。 因 此 ,在 很 多 情  况 下 ,各 单 位 基 地 的 管 理 人 员 不 用 亲 自到 录 井 现 场  就 可 较 全 面 地 掌 握 现 场 录 井 信 息 ,从 某 种 程 度 上 也 
减 少 了施 工 过 程 中 的 交 通 费 用 。  

料 的综 合解 释及应 用 能 力 ;② 数据信 息 不但 可 以在 
公 司 内部 进 行 交 流 和 共 享 ,而 且 还 可 以 通 过 局 域 网 

4 结 语   
( ) 远 程 传 输 在 录 井 生 产 上 的 应 用 实 现 了 录 井  1
牛 产 的 自动 汇 报 与 管 理 ,提 高 了 生 产 资 料 获 取 与 运 

为 其 他 相 关 的 单 位 和 部 门 ( 钻 井 、 测 井 等 ) 提 供  如

信 息共享 ,进 一 步地 提 高 了数 据 信 息 的应 用 价 值 ;  
③为 管理 和决 策层 提供 快捷 、及 时 、全方 位 的数据  信息 ,能 够及 时地 了解 生产 动态 ,为 快速 地做 出决  策提供 强 大 的数 据 信息支 持 。  
( ) 提 高 信 息 的 时 效 性 , 降 低 通 讯 及 交 通 费  4

用 的及时 性 、准确 性 、全 面性 。   ( ) 缩 短 了生 产 管 理 与 现 场 工 作 的 时 空 距 离 , 2  

节约 了人 力 、物力 等调 度成本 ,是 数 字化 时代 的必 
然结 果 。  
( 目主 持 栏 关梅 君 )  

用 。在 未进 行数 据远 程传输 之 前 ,现场 每天 需要 汇 

报 的数 据都 必须先 用 电 台 、电话 等 汇报 到其 所 属 的  

5  6

油 气 田地 面 工 程 第 2 9卷第 2期 ( 0 0 2 2 1. 

油机井深 井泵工 作状态 与油井产 液量 变化关 系 ,把  定 向井有杆 泵抽 油系统视 为 1 复杂 的三维振 动系  个 统 ( 包含 抽 油 杆 、油 管 和 液 柱 3个 振 动 子 系 统 )  , 该 系统在一定 的边界 条件 和一定 的初始条 件 ( 周  如
期 条 件 ) 下 , 对 外 部 激 励 ( 面 功 图 ) 产 生 响 应  地 ( 功 图 ) 因此 ,首 先 需 建 立 定 向井 有 杆 泵 抽 油 系  泵 。 统 的力 学 、数 学 模 型 ,该 模 型 能 计 算 出 给 定 系 统 在  不 同井 口示 功 图 激 励 下 的 泵 功 网 响 应 ,然 后 对 此 泵 

预 处 理 过 的 泵 功 图 标 准 化 ( 因 次 化 ) 再 用 一 系  无 ,

列连续 的矢 量把 它描述 出来 ,即建 立该泵 功 图的矢 

量链 ,把它 和标准 故障矢量 链库 中矢量链 对 比 ,判 
别 出 1 或 多个故 障 。 个   ( )泵 功 图 的 计算 算 法 。经 多 年 现 场试 验 证  4 实 ,利用 上述抽 油 杆 有 限元 分析 模 型计 算 精度 高 ,   但 该方法 用 于功图法 油井计 量系统 ,由于数 据运算  量 大 、计 算速度慢 ,不适 应 于在现场 实时处理 大量  油 井数据 。 因此 ,在不影 响计算 精度 的前提下 ,对 

功 图进 行分析 ,确定泵 的有效 冲程 ,进 而求 出地 面  折算有效 排量 ( 见图 1 。 ) 

抽油 杆有 限元模 型进行 了改进 ,将 抽油 杆的受力分 
解 为两个部 分 :一 部分 为抽油杆 所受 的侧 向力 ,一  部分 为抽油 杆轴 向力 。侧 向力采用 有 限元 模型 ,轴  向力采用 波动 方程 ,使运算 量大 幅度减少 。经实践  证 实 ,其 计算精 度 能够 满足 现场使用 的要求 。  

( )油井产 液量 的计 算 。根据泵 的有效 冲程计  5
算产 液量 ,则油 井井 口产 液量 为 
q  一 1 1 1× d S n Bl  3   /  

式 中  为泵 径 ( ;   有 效 冲程 ( ; m) S 为 m)  为 冲次 ( / n ;  为原油 体积系 数 ,无 因次 。 次 mi) B   ( )计算 结果 修正 。考虑到 不 同区块 原油物 性  6

不 同 ,溶解气 含量不 同 ,含 气原油脱 气体 积收缩 引  
图 1 功 图 法 油 井计 量 技 术 示 意 图   

起 的地 层原油 与地 面原油 的体积差 ,在每个 区块应 

用前 应选取 一些 井进行 油井测试 ,然后 经对 比分 析 
得 出这个 区块对 功 图计算 结果 的修正值 。  
K. 生 二  一
qy  

( ) 有 杆 抽 油 系 统 数 学 模 型 。把 定 向井 有 杆 泵  2 系 统 视 为 1 复 杂 的 三 维 振 动 系 统 ,考 虑 抽 油 杆 、 个   液 柱 及 油 管 3个 子 系 统 在 三 维 空 间 的 振 动 耦 合 , 以  

及 与抽油杆 位移 、速 度 、应 变 、应 力和 载荷之 间随 
时 间 变 化 的 因 素 ,建 立 相 关 模 型 :① 建 立 了 抽 油 

K 一 2   K 
n   1 i  

杆 、液柱和 油管 3 振动系 统的空 间三维模 型 ;②  个 考虑 了 3个 子系统在 三维空 间的振动 耦合及 液柱可 
压 缩 性 ;③ 用 有 限 元 法 及 有 限 差 分 法 将 抽 油 杆 及 油 

Q — Kq  g

式 中 Q 为油 井 产 量 ( / ) m。d ;K 为修 正 系 数 ,  
无 因 次 ;  为 泵 功 图 产 量 ( / )  q m。d 。

管结 构离 散 化 ,建 立 了油 管 、杆 振 动 的有 限元 方  程 ,以及 与有 限差分法 结合 的计算模 型及方 法 。   ()泵 功 图有 效冲程识 别模 型 。有效 冲程 的识  3

利用 泵上 、下 冲程 静载荷 线修正 。泵上 、下冲  程静 载荷线 是在 油井产 液 的前 提下求解 出来 的 ,如  果考 虑摩擦后 计算 出的泵 功图厚 度小于泵 上 、下 冲 

别对 计量结 果起着 至关重要 的作用 。为 了提高有 效 
冲程 的识别精 度 ,首 先采用 多边形 逼近法对 泵功 图 
进 行 预 处 理 ,再 用 特 征 矢 量 法 进 行 故 障 识 别 ,充 分  

程静 载荷线之 差 的某个百 分 比 ,就必须修 正识别结  果 ,因为这时 泵 的工 况可 能处 于油杆柱 断脱 等故 障 
状 态 ,具体故 障还要 视泵 功图 的垂直位 置而定 。   用光 杆马力 修正 。根据有 效 冲程 可 以计算 出产  量 ,进 而得 出抽 油系统 的水 马力 。从 能量角度 来分 

考虑其他 影响 因素判 断泵有效 冲程 ,然后根 据判断  的有效 冲程计算 产液量 。具体 过程 如下 :   第一 步 ,泵功 图多边 形逼 近 。由于计 算得 到的  泵 功 图数 据点很 多 ,而泵 功 图的几何特 征仅仅 集 中  

析 ,由于油 井各个 环 节的效 率 必须小 于 1 ,这个 水  马力 肯定是 小 于光杆 马力 的。因此 ,如果按 照识别 
出的泵有效 冲程计 算 出的水马力 大 于光 杆马力 的某 

在 某些点 上 ,其 他 点 对 泵 功 图 的 几 何 特 征 影 响 不  大 ,因此 采用多边 形逼近 法对泵 功 图数据 点进行 预 
处 理 ,过 滤 掉 某 些 对 泵 功 图 的 几 何 特 征 影 响 不 大 的 

个百 分 比 ,就必须 修正识 别结果 。  

数据点 。  

2 功 图 法 油 井 计 量 监 测 系 统 研 制   
在 功图法 油井计 量技术 研究 的基础上 ,开发 了 

第 二步 ,利用矢量 特征法 识别泵 有效 冲程 。将 

油气 田地 面 工 程 第 2 9卷 第 2期 ( 0 0 2 2 i. )  

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集 功 图法油 片计量 技 术 、测 试技 术 、通 信技 术和 计  算机 技术 为一 体 的抽油 机井 功 图法油 井 自动计 量 与 
监 测 系 统 ,实 现 了 生 产 数 据 实 时 采 集 、产 量 自动 计  量 、T 况 远 程 监 测 、 油 井 故 障 诊 断 、 报 告 自 动 生 

3 现场 应 用 情 况和 效果 评 价   
截至 20 0 9年 5月 底 , 长 庆 油 田 各 采 油 厂 7个 
油 田共 建 功 同法 计 量 系 统 数 据 处 理 点 1 O个 ,管 理   2

成 、故 障实时预 警 等功能 。  
通 过 安 装 在 每 口油 井 抽 油 机 上 的 载 荷 位 移 传 感  器 , 获 取 光 杆 的 载 荷 和 位 移 数 据 ,将 采 集 的 光 杆 示 

油井 47 0多 口 。其 中西 峰油 田数据 处理 点 2  0 5个 ,  
监 测 油 井 I6 i口 , 除 部 分 边 远 单 井 拉 油 点 未 安 装   2
外 ,覆 盖 面 近 1 0 。 0   

功 图数据传 输 至 R TU,经 过 网 络链 路 将 数 据 传 输  到站点 。站 点安 装 了数据 接收 装置 、系统监 测软 件 
和 功 图 法 油 井 计 量 分 析 软 件 ,接 收 从 各 井 场 采 集 的  光 杆 示 功 图 数 据 ,进 行 计 算 、 处 理 。  

从 应 用 的情 况 看 ,功 图法 油 井 计 量 技 术 的 应 用 

效 果 明  ,工况 诊断 结果 的符合 率 达 到 8  以上 , 5  
计 量 结 果 的 符 合 率 达 到 9  以 上 ,达 到 了 系 统 设  O 计 和 现 场 应 用 的 要 求 :① 以 全 天 候 i  n 1个 实  0 mi 

( ) 系统组 成 。功 冈法油 井计 量技 术采 用数 据  1 分 散采 集 、集 中处理结 构 ,F 多个 数据采 集 点和数  } 1
据 处 理 点 ( 据 控 制 中 心 ) 组 成 ,分 别 完 成 数 据 的  数 采 集和 处理 。  

测 示功 图作 为数 据源 ,计算 油井 平 均产量 ,更 加真 
实 地 反 映 油 井 实 际 m液 情 况 ;② 系 统 运 行 稳 定 ,进 

站 总液量 与功 图法 计产 对 比 ,误 差较 小 ,油井诊 断  分 析结果 准确 ,满 足现 场生 产需 要 ;③适 应 了 “ 大 
油 田 管 理 、大 规 模 建 设 ” 和 快 速 发 展 的 新 形 势 ,与 

数 据 采 集 点 由安 装 在 抽 油 机 井 口 的负 荷 传 感 
器 、位 移 传 感 器 、 数 据 采 集 控 制 器 、 数 据 处 理 模  块 、通 讯 模 块 等 组 成 ,完 成 示 功 网 的 采 集 , 并 将 采  集 的 数 据 传 输 到 数 据 处 理 点 。数 据 采 集 点 的 主 要 功 

传统 计 量技术 相 比,配 合其 他工 艺技 术应 用 ,使 单 
井 综 合 人 井 比 由 0 9 人 / 减 少 到 0 5 人 / ,是  .4 井 .5 井

计量 方式 的一 次 变革 ,简化 了流 程 、降 低 了投 资 、  
减 少 了用 工 总 量 。  

能是 全 天候 自动示 功 图数据 采集 ,及 时将 采集 数据  传输 到数 据处 理点 和控 制 中心 。  
数 据 处 理 点 是 对 各 数 据 采 集 点 ( 油 井 ) 进 行  抽

4 结 语   
( ) 功 网 法 计 量 技 术 的成 功 应 用 .是 建 立 适 应  1 低 渗 透 油 田和 复 杂 井 况 的 定 向 井 的 功 图法 计 量 模 型  的 结 果 , 是 对 硬 件 及 软 件 不 断 调 整 完 善 的 结 果 ,是  精 细 管理 的结果 。   ( ) 功 图 法 油 井 计 量 技 术 以 全 天 候 每 i  i 1 2 0r n   a  

信 息交换 处理 的平 台 ,通过 对数 据采 集点 测试 示功 
图 数 据 的 收 集 ,及 时 准 确 掌 握 油 井 的生 产 情 况 ,利 

用油 井计 量分 析软 件完 成油井 T 况 的诊 断 、油井 产 
量 的 计 算 功 能 ,最 后 输 出 报 表 。采 用 小 型 计 算 机 控  制 , 原 则 上 1个 数 据 控 制 点 管 理 4 口井 ,一 般 设  O 置 在 转 油 站 或 联 合 站 。 数 据 处 理 点 主 要 由 中 心 天  线 、 中 心 控 制 器 ( 据 处 理 器 、远 距 离 通 讯 模 块 、 数   服 务 器 等 ) 计 算 机 、 系 统 监 测 软 件 、 油 井 计 量 分  、 析软 件等组 成 。   ( ) 实 现 的 主 要 功 能 。 目前 长 庆 油 田 主 要 采 用  2 功 图 法 油 井 计 量 监 控 系 统 进 行 油 井 的 E常 管 理 ,并  l 依 托 局 域 网 ,实 现 了 厂 、 作 业 区 、 站 对 油 井 的 j 级  控 制 ,实 现 了 以 下 几 方 面 的 功 能 : ① 实 时 数 据 采 集 
与 远 程 工 况 监 测 , 生 产 状 况 巡 检 周 期 为 1  i   0 r n, a 每 3   刷 新 一 次 ,监 测 参 数 有 载 荷 、 位 移 、 电 流 、 0S  

个实 测示 功 图作 为数据 源计算 产 液量 ,真实 反映油 
井 出 液 情 况 , 取 消 了 计 量 问 ,使 油 井 计 量 、 生 产 管  理 工 作 实 现 了 自动 化 、 数 字 化 。  

( )随时 监测 油井 丁况 ,为站 点技术 人 员提供  3
油 井 异 常 情 况 的 三 级 预 警 ,发 现 问 题 及 时 上 报 调 控 

中心 ,缩 短油 井故 障处 理周期 ,提升 了油井 管理 的 
智 能化 水平 。  

( ) 实现 了油井 的无 人值 守 , 由传 统人 工巡井  4
转 变 为 电子巡井 ,大大减 轻 了员工 的劳 动强 度 。  

( )功 图 法 油 井 计 量 系 统 通 过 信 息 网 络 平 台 , 5  

电压 等 ;② 产液 量计 量 ,实 时采 集计产 、单 量分 析  计 产 、某一 时段 分析计 产 、多 ( 单)井计 产 、批 量 
分 析 计 产 、 定 时 报 表 计 产 等 ;③ 油 井 ] 况 诊 断 ,实  _ 时 采 集 ]况 分 析 、功 图 叠 加 二 况 分 析 、 T 况 提 示 、 _ = r   诊 断 结 果 报 告 ;④ 实 时 故 障 报 警 ,遥 测 系 统 故 障 ,   抽 油 机 停 机 超 载 , 电 机 T 作 过 流 、 过 载 、缺 相 ,井 

使 油 井所 有数 据实 现共 享 ,为技 术管理 人 员提供及  时准确 的数 据 ,为生 产 判断 、油藏 状况 的把 握和 生  产 方 案 的制定 提供依 据 ,提 升 了油井 的管理 水平 。   ( )功 图法 计量 系统 仍 旧需要 补充 完善 ( 6 主要 

是 对 连喷带 抽井 、油管 上 部 漏 失 井 的计 量 ) ,需 要 
进 一 步提 高系 统 的稳 定性 ,可靠性 ,数 据读 取和传 
输 速度 。  
( 目主持 栏 关梅君)  

场停 电等故 障报警 提示 ;⑤ 自动生成 报表 ,生成 报 

表包 括 开机 时率报 表 、停机 汇 总报 表 、功 图计 产产 
量 汇总报 表 、其他 生产 数据 汇总 报表 等 。  


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