中国石油长庆油田分公司第七采油厂数字化与科技信息中心 凌 冰

功图法在油田开发中的应用

中国石油长庆油田分公司第七采油厂数字化与科技信息中心 凌 冰

通过对“功图法”计量监测系统原理、组成、功能的描述以及对其在白豹油田的应用评价，证明“功图法”计量监测系统测试的油井产液量值与实际单量值基本接近，比较能够反映油井的实际产液能力，满足油井计量的精度要求，为今后油田油井功图法计量系统的推广提供了保证。

功图法；事故罐计量；计量监测系统

1.概述

随着计算机技术、电子测试技术的不断发展，自动测试技术已日趋完善。油井“功图法”监测系统有三个等级的方案可供选择，分别是便携式抽油井单井测试计量系统、移动存储式油井自动监测计量系统和无线传输式油井自动监测计量系统。针对长庆油田的特点，使用低成本投入、高可靠性和易维护、可拓展的抽油机“功图法”单井计量自动监测系统，替代并简化了计量流程，降低了产建投入和运行成本。功图法计量系统是用于全天候实时测试抽油机示功图参数的无人值守自动监测系统。由一个数据处理点（中央处理单元）和多个数据采集点（井口监测单元）组成，数据处理点与数据采集点间的数据通讯根据白豹油田的地形地貌特征选用移动存储方式来实现。

2.系统原理

2.1 固定式载荷传感器技术原理

为了便于安装，载荷传感器设计为开口形式，如图1所示。

在两个对称的不锈钢弹性元件表面分别贴了两个应变计，如图2。

其中R1和R3这两个应变计的敏感栅方向与载荷方向平行，R2和R4与载荷方向垂直。其中R2和R4这两个应变计用于消除横向效应，并用于温度补偿。把这四个应变计接成如图3的惠斯顿电桥，则经放大后的载荷信号正比于载荷大小，也就是说测到该信号的电压值就得到载荷值。

2.2 加速度计式位移传感器技术原理

本系统方案应用加速度传感器实现游梁角度测量，进而换算为光杆位移，如图4。

在图4中，L为前臂长度，R为驴头弧面半径。驴头弧面的圆弧运动变为悬点的直线运动。设直线运动的位移用y(t)表示，y0为初始位移，α0为驴头弧面半径初始角度（此时游梁为水平位置，即游梁倾角为0°，若t时刻游梁倾角为α(t)单位为rad），则

设到达下死点时游梁角度为α1，则下死点位移

那么相对于下死点的相对位移为

设上死点游梁角度为α2，则冲程为

那么t时刻的相对位移为

表一 功图法计量与事故灌单量数据对比表

图1 载荷传感器安装示意图

图2 应变计承载弹性元件示意图

图3 应变计差动放大正比于载荷大小示意图

y’(t)＝s［α(t)-α1］/(α2-α1)

在一个冲次之内测到相对位移和载荷即得到光杆示功图。设游梁角度为α(t)，如图5。设重力加速度为g(m/s2)，当游梁处于水平位置，则加速度计输出a1＝0m/s2，当游梁垂直，则a2=1m/s2。在t时刻有

得到角度即可换算出光杆位移。

3.系统组成及功能

油井“功图法”计量系统主要由有杆泵抽油系统、功图法油井计量分析软件系统和测试系统三部分组成。

3.1 数据采集点

每个抽油机上安装的数据采集点由固定式载荷传感器、加速度计式位移传感器和数据监测单元（数据采集控制器）、数据传输天线等组成，通过数据监测单元（RTU模块）与数据处理点（中央处理单元）进行远程数据通讯传输。

3.2 数据监测单元

图4 加速度传感器测量游梁角度示意图

图5 相对位移和载荷示意图

图6 实物安装图

主要由工业级单片计算机(CPU)、12位A/D、8KB缓存、RS485通讯板及电源板组成。安装在抽油机支架中段。井场RTU接收到监测软件定时(10min一次)发送的采集指令后，中心CPU通过A/D转换通道读取经过放大后的载荷、位移信号，并经数据处理后得到系统实时的载荷、位移、冲程、冲次等参数，存入缓冲内存；然后再通过RS485通讯板、数转电台向中心控制器发送参数数据。

3.3 数据处理点（中央处理单元）

数据处理点由数据采集服务器、监测平台（监测软件、油井计量软件等）、微机及室外设备（中心天馈线）等组成，通过数据采集服务器接收数据采集点采集的示功图测试参数。监测软件按规定格式提供有效数据给油井液量分析功能模块（油井计量软件），进而实现抽油机井单井计量分析、工况诊断等功能，数据处理点的功能包括测试数据（示功图）的收集、处理和分析。

表2 白豹油田几个井组的功图法计量与单量液量对比效果

表3 一些不正常井的功图法计量与单量对比效果

3.4 数据采集服务器

数据采集服务器内置工业级单片计算机(CPU)、8KB缓存、RS232通讯口、交流/直流稳压电源、存储读写模块，主要功能是设置存储盘的工作指令，读取存储盘传输的示功图采集数据，并通过串行接口与微机串行接口交换数据。

3.5 监测平台

监测平台运行在P4微机上，由监测软件、单井计量分析软件等模块组成。监测软件由以下几个部分构成：井号维护，数据维护，采集数据，功图显示，液量计算等。

本系统按每10min测试一次的频率设置油井示功图参数的采集方案，每天每口井可采集144组数据，模块按井号和日期进行检索，可储存、累计、显示当前和历史数据。

3.6 系统技术性能指标

(1)固定式载荷传感器：量程0-150KN，精度0.5%，采用开口三柱式设计方案；

(2)位移模块：角度量程0-150°，精度0.5%，应用加速度传感原理实现（集成板）；

(3)光杆冲程：量程0-10m，精度0.5%；

(4)移动存储盘：容量2×64M，双盘设计，满足储存2880组示功图数据要求。

3.7 监测软件及油井计量软件运行操作

在windows2000平台下运行监测软件，首次使用或油井调参、作业后应先进行系统特定参数设置或修改，然后启动采集数据模块。进入主界面后，先进行井号维护功能。点击井号维护进入该功能，井号维护是由系统管理员来进行的工作，其他人无权进行。当此工作完成后，点击保存来保存数据。

3.8 监测计量系统主要功能

根据现场要求，设定地面示功图数据采集时间及间隔。在数据处理点，通过监测与计量分析软件，直接进行设定参数操作。

3.8.1 实现全天候数据采集

在抽油井井口安装负荷传感器，在抽油机游梁支架上安装角位移传感器，分别测量光杆的负荷变化及抽油机运行周期变化，经过信号转换，测出抽油机的地面示功图。

3.8.2 实现采集数据远距离传输

将各数据采集点油井实测功图数据，通过数传电台传送给数据处理点。数据处理点可直接观察到每口井的测试功图及油井工况，如发现异常情况可及时提醒管理人员采取相应措施。同时系统将采集数据自动保存到数据库。

3.8.3 实现油井产液量自动计量

通过《功图法油井计量分析软件》，对地面示功图采集数据进行分析、工况诊断、计算油井产液量。

3.8.4 实现油井自动化管理

系统建立了油井、示功图及相关数据库，实现示功图数据查询、油井产液量计算及生产报表的生成，等无线网络建成后可将油井产液量数据直接上报。

4.系统应用分析及评价

该功图法计量系统在白豹油田共安装303套。经调试，各功能模块（单元）通讯良好，功图采集较准确，系统运行正常，达到设计要求。

表2是白豹油田几个井组的功图法计量与单量液量对比效果。

经过对油井单量与功图法计量液量的对比，各井组的平均误差为7%，其误差值小于10%，完全满足功图法计量系统精度的要求，能够起到很好的指导生产作用。

经过长时间的运行，随着安装井数的增加，油井工况的复杂多变，系统计量的误差也随之变大。应用功图法计量软件对白豹作业区六个数据采集点（计量站点）225口油井采集的数据进行油井产液量计算，并与同期事故罐单量结果相对比，其平均全天偏差为29.08m3/d，平均全天误差为19.13%，总体误差值有所偏大。对比数据资料如表1。

对此经过认真分析后，发现一些井场存在有少量不正常井（如间出井、漏失井、参数不及时更新的油井等），这些油井的计量液量远远高于实际产液量，影响了功图法计量产量的精度，表3是一些不正常井的功图法计量与单量对比效果。

经过以上数据分析，这些不正常井组影响了功图法计量的准确性，致使计量误差有所偏大；但这些不正常井通常占有很少的比例，对整体区块的影响不是很明显，下步将通过研究这些油井的实际功况，进行措施治理，调整区块计量系数，使其达到最佳计量状态。

5.几点认识和建议

（1）油井自动监测与计量系统能准确、实时采集示功图数据，实现抽油机远程自动监测、工况诊断、产液量计算等功能。具有安装时间短、投资低、操作方便、自动化程度高、能与事故罐计量具有同步性等特点。

（2）应用加速度计式传感器测量光杆的冲程、冲次，实现位移的无绳测量是计量系统的创新技术，能精确、同步测试示功图，为单井计量软件的应用提供了真实可靠的数据源。系统的应用要求是能够按规定的采集周期自动监测油井的示功图参数，通过监测软件和单井计量软件计算分析油井的单井产量、诊断油井的工作状况。

（3）系统是按每10分钟巡检一次的频率设置油井示功图参数的采集方案，每天每口井可采集144组数据，完全满足单井计量分析软件对数据源的精度要求。通过进行事故罐单量对比试验，经调试，数据采集、通讯良好，功图数据采集较精确，系统运行基本正常，各项技术指标达到了设计要求。采用自动数据采集，首先保证了资料的客观性和准确性；其次可以实现连续不间断测试，提高计量精度；再次是可以减少人力成本，提高测试的可靠性和准确性，同时可进一步实现油井自动化管理、科学管理，达到简化地面计量流程，降低油田开发投资，提高油井管理水平和开发效益的目的。

（4）油井的基础参数必须及时更新，如油压、套压、含水、动液面杆柱组合、泵径、泵挂和冲程等参数进行更新。

（5）应加强井筒分析，井筒不正常的油井应及时采取相应措施，保证油井生产正常，功图法计量准确。

（6）在系统安装正常后请勿对软件所在目录的文件进行随意删除和增添，拒绝使用外来磁盘。

（7）功图法油井计量技术具有一定的局限性

计量软件对错误功图自动剔除功能还不健全，对气油比大的区块、及间歇性出液的油井计量误差较大；影响了计量精度。