郝世彥 樊平天 張新濤

(延長油田股份有限公司,陜西延安 716001)

延長油田位于鄂爾多斯盆地,年生產(chǎn)能力已達到1 000×104t的規(guī)模,是我國重要的能源基地。但陜北地區(qū)地形復(fù)雜,油井遍布于高山深谷、丘壑峰巒之中,交通不便,再加上油井多、車輛少、人員緊缺,無法及時了油井運行情況,液量計算不準確,給油井生產(chǎn)、日常管理、液量計量帶來很多不便,在很大程度上制約了油田的發(fā)展速度。為此,延長油田選取24口抽油機井安裝了油井遠程監(jiān)控、液量自動計量及分析優(yōu)化系統(tǒng),采用油井遠程監(jiān)控與計量技術(shù)監(jiān)控油井生產(chǎn)情況,計量油井產(chǎn)液量。油井遠程監(jiān)控與計量技術(shù)以單井工況監(jiān)測和產(chǎn)量計量為核心,輔以油井?dāng)?shù)據(jù)的分析診斷,以達到簡化地面流程、提高油井系統(tǒng)效率的目的。

1 油井遠程監(jiān)控計量系統(tǒng)原理

油井遠程監(jiān)控計量系統(tǒng)通過高精度的數(shù)據(jù)采集器[1-3],獲取安裝在油井上的負荷和位移傳感器的數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)電臺將其傳送到數(shù)據(jù)處理點,利用油井監(jiān)測和計量分析系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理,實時顯示示功圖、分析油井工況、計算油井產(chǎn)液量。

該油井自動監(jiān)控系統(tǒng)主要采用集中管理分散控制結(jié)構(gòu)(見圖1)。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理點和數(shù)據(jù)采集點組成。數(shù)據(jù)處理點是各數(shù)據(jù)采集對象(抽油井)進行信息交換的平臺,主要由中心天線、數(shù)據(jù)處理器、遠距離無線傳輸模塊、服務(wù)器、計算機、系統(tǒng)軟件及油井計量分析軟件組成。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 油井遠程監(jiān)測技術(shù)原理

由于井下工況復(fù)雜多樣,泵示功圖表現(xiàn)出多種形狀特征。典型泵示功圖是指某一因素影響十分明顯,其形狀代表該因素影響下的基本特征[4-6]。雖然實際情況中有多種因素在影響示功圖的形狀,但總有主要因素。因此,示功圖的形狀也反映了主要因素影響下的特征,如圖2所示。

圖2中(1)～(5)分別對應(yīng)自噴、固定閥卡死、泵筒內(nèi)壁嚴重磨損、抽油桿斷脫、氣鎖的情況,(6)、(8)對應(yīng)抽油泵充不滿的情況,(7)是泵內(nèi)氣體影響下的示功圖,(9)對應(yīng)柱塞脫出泵筒的情況,(10)、(11)分別對應(yīng)固定閥、游動閥漏失的情況,(12)對應(yīng)系統(tǒng)摩阻過大的情況,(13)對應(yīng)泵筒彎曲的情況,(14)、(15)對應(yīng)上碰泵、下碰泵的情況,(16)對應(yīng)卡泵情況,(17)、(18)分別對應(yīng)正常工況下油管不錨定、錨定的情況。

圖2 油井典型泵示功圖

示功圖量油方法主要針對圖2中的(6)～(15), (17)、(18)對應(yīng)泵況下的產(chǎn)液量計算問題,對于其他泵況下的計量問題,需用其他手段實現(xiàn)。

1.2 油井計量技術(shù)原理

圖3 理論計算流程

“功圖法”油井計量技術(shù)[7-8]是依據(jù)抽油機井深井泵工作狀態(tài)與油井產(chǎn)液量變化關(guān)系,把有桿泵抽油系統(tǒng)視為一個復(fù)雜的振動系統(tǒng)(三維振動系統(tǒng)包括抽油桿、油管和液柱3個振動系統(tǒng)),該系統(tǒng)在一定的邊界條件和初始條件(如周期條件)下,對外部激勵(地面示功圖)產(chǎn)生響應(yīng)(泵示功圖),計算流程見圖3。利用該技術(shù)能計算出給定系統(tǒng)在不同井口示功圖激勵下的泵示功圖響應(yīng),然后對泵示功圖進行分析,確定泵有效沖程,進而求出地面折算有效排量,其計算公式為:

式中,Qg為地面折算有效排量,m3/d;N為沖次, min-1;Se為有效沖程,m;d為泵徑,m;fw為含水率;Bo為原油體積系數(shù);Bw為水體積系數(shù)。

同時考慮到不同區(qū)塊的原油物性不同,溶解氣含量不同,含氣原油脫氣體積收縮引起地層原油與地面原油的體積差,在每個區(qū)塊應(yīng)用前應(yīng)選一些井進行測試,然后經(jīng)過對比分析得出這個區(qū)塊對示功圖計算結(jié)果的修正值,對示功圖計算結(jié)果進行修正。

式中,qy現(xiàn)場測試產(chǎn)液量,m3/d;Q為修正后的地面產(chǎn)液量,m3/d。

1.3 柱塞有效沖程的計算

柱塞有效沖程應(yīng)該主要依據(jù)泵示功圖上閥開閉點的位置來確定。一般情況下,柱塞有效沖程Se通過游動閥的開閉點位置計算,如圖4中(1)、(2)、(3)所示,A、D兩點間的水平距離即為柱塞有效沖程。然而在某些情況下,柱塞有效沖程Se必須通過固定閥的開閉點位置計算,如圖4中(4)所示柱塞脫出泵筒的情況下,B、C兩點間的水平距離即為柱塞有效沖程?？偟恼f來,柱塞有效沖程Se取游動閥或固定閥開閉點對應(yīng)的柱塞位置差絕對值的較小值。

圖4 泵示功圖與閥開閉點位置的關(guān)系

1.3.1 泵示功圖的預(yù)處理

為了便于使用程序計算有效沖程,在計算之前還需作一定的處理,主要處理步驟為:

1)考慮到泵示功圖的載荷值范圍遠遠大于位移值范圍,有必要將泵示功圖原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理,歸一化載荷比記為Rf、行程比記為Rs;

2)將歸一化后的泵示功圖按照柱塞行程距離展開,就是將柱塞行程在區(qū)間S∈[0,1]上的閉合曲線轉(zhuǎn)換成在區(qū)間S∈[0,2]上的單值曲線F(s);

3)在此基礎(chǔ)上進行等ΔS取點,消除數(shù)據(jù)點的細微波動及疏密程度對曲率計算精度的影響。

1.3.2 泵示功圖曲率計算模型

泵示功圖曲線上任意一點 Pi的曲率 Ki可根據(jù)與其相鄰的 4個數(shù)據(jù)點 Pi-2(si-2,fi-2)、Pi-1(si-1,fi-1)、Pi+1(si+1,fi+1)、Pi+2(si+2,fi+2)之間的幾何關(guān)系計算,如圖5所示。

圖5 離散點曲率計算示意

Pi點的曲率為:

式中,Δ θi是直線 Pi-2Pi到直線 PiPi+2的有向旋轉(zhuǎn)角度,其計算公式為:

弧長Δli的近似計算公式為:

則 Pi點處的曲率變化量δKi可根據(jù) Pi、Pi+1兩點的曲率 Ki、Ki+1計算:

泵示功圖曲線是通過數(shù)值方法計算得到的,曲線中含有復(fù)雜的曲率成分。在實際計算中,為了降低或消除其引起的曲率變化量的波動,一般采用相鄰5點取平均值的方法計算中間點的曲率變化量δK′i,以提高計算精度,即:

1.3.3 閥開閉點的位置與柱塞有效沖程確定

在泵示功圖的高載荷段找出曲率變化最大的兩個尖峰點,位移小者為固定閥開啟點、反之為固定閥關(guān)閉點;在低載荷段找出曲率變化最大的兩個點,位移小者為游動閥關(guān)閉點、反之為游動閥開啟點。分別計算固定閥開閉點的位置差Sfoc和游動閥開閉點的位置差Smoc,則柱塞有效沖程Se為其中的較小者。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

從2008年11月份開始,延長油田在24口油井上安裝了油井遠程智能示功圖測試及診斷分析優(yōu)化系統(tǒng)。

2.1 油井運行情況實時監(jiān)控

利用該系統(tǒng)可實時監(jiān)控油井運行情況,對油井運行狀態(tài)做出準確的診斷,在油井出現(xiàn)故障時報警。

該系統(tǒng)根據(jù)定1137井的示功圖(圖6)計算出該井不產(chǎn)液,結(jié)合該井的示功圖判斷該井抽油桿斷脫。技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)后及時去油井核實,發(fā)現(xiàn)油井確實不產(chǎn)液,修井時發(fā)現(xiàn)抽油桿斷脫。

圖6 定1137井的示功圖

2.2 油井產(chǎn)液量變化

該系統(tǒng)能夠準確反映出油井產(chǎn)液、產(chǎn)油情況,并通過示功圖反映油井產(chǎn)液量的變化。如定1123井2009年4月17日、4月20日液量變化較大,該井在這兩日的實測示功圖有效沖程部分變化明顯(圖7),準確反映了該變化情況。

2.3 液量計量

所安裝的油井中(24口油井,統(tǒng)計23口,1口因停井未統(tǒng)計)日產(chǎn)液量計量的符合率都在93%以上,平均相對誤差3.72%,說明產(chǎn)液量的計量準確。

圖7 定1123井的地面示功圖

3 結(jié) 論

1)應(yīng)用遠程監(jiān)控、液量自動計量系統(tǒng),生產(chǎn)管理人員可以隨時了解油井的生產(chǎn)情況以及設(shè)備的運行情況。在出現(xiàn)故障時,能及時發(fā)現(xiàn)并排除,使油井在最短的時間內(nèi)恢復(fù)生產(chǎn),提高油井生產(chǎn)時效。

2)采用功圖法量液技術(shù),產(chǎn)液量的計算精度接近甚至超過相同工藝條件下的一般量液技術(shù),能準確計量出非疑難井的單井產(chǎn)量;同時,通過遠傳示功圖數(shù)據(jù)的批量計算,能夠較好地確定單井的時段產(chǎn)液量、累計產(chǎn)液量和平均產(chǎn)液量。

3)遠程監(jiān)控、液量自動計量系統(tǒng)在延長油田的應(yīng)用,充分體現(xiàn)了其優(yōu)越性,彌補了巡井難、計量難的不足,并為油田的高速發(fā)展和現(xiàn)代化管理提供了強有力的技術(shù)支持。

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