郑秀海

摘 要：研究油区由于渗透率低、地形复杂，地面建设困难，单井计量采用双管流程、站内双容积计叠，计量系统投资巨大。为简化流程，减少计量管戈，降低建设投资，满足低渗透油田经济高效的开定要求，油田油气工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计量技术。该技术现已成为油田改进工艺模式的主体技术之一。

关键词：功图法；油井；计量技术；生产数据；故障诊断

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，在油田建立于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。

1功图法油井计量技术

（1）技术原理。功图法油井计量技术是依据抽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个复杂的三维振动系统（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（如周期条件）下，对外部激励（地面功图）产生响应（泵功图）。因此，首先需建立定向井有杆泵抽油系统的力学、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图响应，然后对此泵功图进行分析，确定泵的有效冲程，进而求出地面折算有效排量（见图1）。

图1功图法油井计量技术示意图

（2）有杆抽油系统数学模型。把定向井有杆泵系统视为1个复杂的三维振动系统，考虑抽油杆、液柱及油管3个子系统在三维空间的振动藕合，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建立了抽油杆、液柱和油管3个振动系统的空间三维模型；②考虑了3个子系统在三维空间的振动藕合及液柱可压缩性；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。（3）泵功图有效冲程识别模型。有效冲程的识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数据点。第二步，利用矢量特征法识别泵有效冲程。将预处理过的泵功图标准化（无因次化），再用一系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个或多个故障。（4）泵功图的计算算法。经多年现场试验证实，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。

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，开发了集功图法油井计量技术、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、工况远程监测、油井故障诊断、报告自动生成、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，将采集的光杆示功图数据传输至RTU，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。（1）系统组成。功图法油井计量技术采用数据分散采集、集中处理结构，由多个数据采集点和数据处理点（数据控制中心）组成，分别完成数据的采集和处理。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，完成示功图的采集，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（抽油井）进行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工况的诊断、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40口井，一般设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（数据处理器、远距离通讯模块、服务器等）、计算机、系统监测软件、油井计量分析软件等组成。

（2）实现的主要功能。采用功图法油井计量监控系统进行油井的日常管理，并依托局域网，实现了三级控制：①实时数据采集与远程工况监测，生产状况巡检周期为10 min，每30 s刷新一次，监测参数有载荷、位移、电流、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油井工况诊断，实时采集工况分析、功图叠加工况分析、工况提示、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，电机工作过流、过载、缺相，井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。

3现场应用情况

从应用的情况看，功图法油井计量技术的应用效果明显，工况诊断结果的符合率达到85%以上，计量结果的符合率达到90%以上，达到了系统设计和现场应用的要求：①以全天候10 min 1个实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出液情况；②系统运行稳定，进站总液量与功圖法计产对比，误差较小，油井诊断分析结果准确，满足现场生产需要；③与传统计量技术相比，配合其他工艺技术应用，使单井综合人井比由0. 94人/井减少到0. 5 5人/井，是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。

4 结语

（1）功图法计量技术的成功应用，是建立适应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。 （2）功图法油井计量技术以全天候每10min 1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，取消了计量间，使油井计量、生产管理工作实现了自动化、数字化。（3）随时监测油井工况，为站点技术人员提供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。（4）功图法油井计量系统通过信息网络平台，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。

参考文献：

[1] 示功图量液技术在塔河油田十二区的应用初探[J]. 王波. 内蒙古石油化工. 2019（02）