（机械电子工程专业论文）油井功图法自动计量与监测技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 油井功图法自动计量与监测技术研究 机械电子工程 杨伟( 签名) 吴伟( 签名) 魏航信( 签名) 摘要 油井产量计量是油田生产管理工作中的一个重要环节，功图法计量技术是一项低成 本、高可靠性、易维护的油井计量新技术。但在华庆油田属低渗、超低渗油田，存在着 产液量低、间歇出油、气油比高等特殊井况，使得功图法计量技术在实际应用中的误差 较大。为了解决这一问题，本文主要进行了以下几个方面的工作： 结合低渗油区的出油特点，对功图法计量原理进行研究，建立杆柱系统数学模型和 波动方程，根据地面示功图预测井下泵功图；以泵功图为基础，利用五点平均曲率法计 算柱塞有效冲程，得到井下理想产液量；并通过分析井下多相液体的物性参数，计算出 井口实际产液量。 利用v i s u a lb a s i c 编制了油井功图法自动计量软件系统，软件包括数据输入、油井产 能预测、中间数据输出等模块，软件界面和操作更加方便，符合用户要求。采用运算速 度更快的波动方程求解方法，提高了功图法软件的计量效率。 研制了适用于低渗透油田的移动式井口分离计量装置，其优点是体积小、便于安装、 计量精度高。 利用研制出的移动式井口分离计量装置与功图法自动计量软件的计量结果进行对比 分析，对功图法的计量结果进行适当修正，以提高功图法的计量精度。 对华庆油田元2 9 5 5 1 、元3 0 1 5 2 1 和元2 9 6 5 0 等3 口井进行了现场对比验证试验， 实验结果表明：功图法自动计量软件系统的平均相对误差小于5 ，证明该方法可以满 足华庆油田低渗透油井的生产计量要求。 关键词：抽油机井；产液量；功图法计量；示功图；单井计量装置 论文类型：应用研究 一 n 英文摘要 s u b j e c t ：t h es t u d yo fa u t o m a t i s mm e a s u r ea n dm o n i t o r i n gt e c h n i q u eb yd y n a m o m e t e r c a r do f o i lw e h s s p e c i a l i t y ： m e c h a n i c a le e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ： y a n gw e i ( s i g n a t u r e ) ! 豳垃丛 i n s t r u c t o r ：w uw e i ( s i g n a t u r e ) 遄坠型丛 w e ih a n g x i n ( s i g n a t u r e ) 堂旦呼丝生一 a b s t r a c t t h em e a s u r e m e n to fw e l lp r o d u c t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h em a n a g e m e n to fo i l f i e l d p r o d u c t i o n t h em e a s u r et e c h n i q u eo fd y n a m o m e t e rc a r di sal o w c o s t ，h i g hr e l i a b i l i t y , e a s y m a i n t e n a n c ea n dn e w t e c h n o l o g yi nt h ew e l lm e a s u r e m e n t h o w e v e r , s p e c i a lc a s e se x i s t e di n l o wo i lp e n e t r a t i o na r e aa n dh y p e r - l o wp e n e t r a t i o na r e ao fh u a q i n go i lf i e l ds u c ha sl o w l i q u i dy i e l d ，i n t e r m i t t e n tf l o wo fo i l ，h i g hg a s o i lr a t i o ，w h i c hm a d et h em e a s u r et e c h n i q u eo f d y n a m o m e t e rc a r dh a v el a r g ee r r o r si np r a c t i c e i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h ef o l l o w w o r kw a sd o n ei nt h i sp a p e r ： t a k i n gt h eo i l p r o d u c i n gc h a r a c t e r i s t i c si nl o wo i lp e n e t r a t i o na r e ai n t oa c c o u n t ，t h e d y n a m o m e t e rc a r dm e a s u r ep r i n c i p l ew a ss t u d i e d t h em a t h e m a t i cm o d e lo fr o dp u m p i n g s y s t e ma n dw a v ee q u a t i o nw e r ee s t a b l i s h e d b a s e do nt h eg r o u n dd y n a m o m e t e rc a r d ，t h e u n d e r g r o u n dp u m pd i a g r a mw a sp r e d i c t e d ，a n dam e t h o do ff i v ep o i n ta v e r a g ec u r v a t u r ew a s u s e dt oc o m p u t et h ea v a i l a b l ep u m ps t r o k el e n g t ha n dg e tt h ei d e a lu n d e r g r o u n dl i q u i dy i e l d f u r t h e r m o r e ，i tc a nc o m p u t es u r f a c el i q u i dy i e l dt h r o u g ha n a l y z i n gt h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so f u n d e r g r o u n dm u l t i p h a s el i q u i d t h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n ts o rs y s t e mo fo i lw e l ld y n a m o m e t e rc a r dh a sb e e nd e s i g n e d b yv i s u a lb a s i ct h es o f ti n c l u d e sm o d u l e so fd a t ae n t r y , w e l lp r o d u c t i v i t yp r e d i c t i o n ， i n t e r m e d i a t ed a t ao u t p u t ，w h i c hm a k et h es of t w a r ei n t e r f a c ea n do p e r a t i o nm o r ec o n v e n i e n t ， a n dm e e tt h eu s e rr e q u i r e m e n t s i ti m p r o v e dt h ec a l c u l a t i o ne f f i c i e n c yo fd y n a m o m e t e rc a r d t h r o u g ht a k i n gt h em e t h o do fm o r eq u i c k l yc a l c u l a t i o nw a v e e q u a t i o n t ob es u i t a b l ef o rt h el o wo i lp e n e t r a t i o no i l f i e l d ，t h ep o r t a b l e t y p es u r f a c es e p a r a t i o n m e t e r i n gd e v i c eh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h o s ea d v a n t a g e sa r es m a l ls i z e ，e a s yt oi n s t a l la n dh i g h a c c u r a c y t h ec o m p u t a t i o nr e s u l to fd y n a m o m e t e rc a r dw a sc o m p a r e dw i t ht h a ta c h i e v e db yh i g h d e g r e ep o r t a b l e - t y p es u r f a c es e p a r a t i o nm e t e r i n gd e v i c e s o m er e s u l t so fy i e l dm e a s u r e m e n t u s i n gd y n a m o m e t e rc a r dw e r ep r o p e r l ym o d i f i e d ，w h i c hc o u l di m p r o v et h ea c c u r a c yo f c a l c u l a t i o n t h ec o n t r a s tv a l i d a t i o ne x p e r i m e n t sw e r et a k e ni nw e l l2 9 5 51 ，w e l l3 0 1 5 21a n dw e l l 2 9 6 - 5 0o fh u aq i n go i l f i e l d ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o ro f i i i 英文摘要 c a l c u l a t i o ns h o u l db ec o n t r o l l e dw i t h i n5 u s e dt h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n ts o f ts y s t e mo f d y n a m o m e t e rc a r d ，w h i c hv e r i f i e st h i sm e t h o dc o u l ds a t i s f yt h ep r o d u c t i o nm e a s u r e m e n to f l o wo i lp e n e t r a t i o nw e l li nh u aq i n go i lf i e l d k e y w o r d s ：p u m p i n gw e l l ；l i q u i dy i e l d ；y i e l dm e a s u r e m e n tu s i n gd y n a m o m e t e rc a r d ； d y n a m o m e t e rc a r d ；o i lw e l lm e t e r i n gd e v i c e t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 功图法计量油井产量技术的背景和研究意义 1 1 1 功图法计量油井产量技术的研究意义 石油作为一种不可再生资源，对于国家的政治、经济、军事有着不可替代的战略意 义。中国石油安全问题严峻，存在着一些重大风险和挑战：随着我国经济持续、稳定、 快速的发展，石油消费也持续增长，原油需求持续上升，石油供需缺口有增大的趋势， 并逐渐成为制约我国经济发展的重要因素之一。截止2 0 0 9 年底，中国石油探明剩余可采 储量为2 7 9 亿吨，剩余可采储量储采比为1 4 8 ，然而在这些剩余可采储量中，石油资源 储量品质较差，低渗、特低渗或超低渗油、稠油和埋深大于3 5 0 0 m 的石油资源超过5 0 ， 不仅开发勘探难度在逐渐加大，开发成本增加，而且老油区综合含水高，普遍进入产量 递减阶段【1 1 。面对这样的严峻形势，各油田企业都意识到了提高原油生产效率的重要性， 并在降低投资、节约成本、提高油田数字化管理水平等方面做了大量的努力。其中，油 井产量计量自动化是油田生产数字化管理的一个重要体现【2 j 。 油井产量计量是油田生产管理工作中的一个重要环节，及时准确的油井产量资料是 考察油井单位时间的产量、跟踪掌握地下油藏区块的动态信息、预测和评价油井区块的 开发潜力、总体分析和把握油田的全局产能情况、合理制定油田生产方案的重要依据【3 羽。 尤其是对于长庆油田庆阳地区这一类超低渗油区，不仅产量低，气油比高，而且普遍存 在间歇出液现象，间歇时间长短不一，产液量波动较大，且没有规律可循，造成短时计 量很难得出油井的真实产量，从而使抽油机长期处于低效工作状态，造成能量的浪费、 设备的无效磨损、经济效益的损失。因此，及时准确的油井产量资料能够有效的反馈单 井的生产情况，判断间歇出液现象的出现及持续时间，根据这些信息改变抽油机的工作 状态，利用间歇抽油的生产方式提高泵效，最终实现节能增产的目标。总之，努力通过 各种手段提高抽油机的单井产量计量水平对提高油田生产管理水平有着非常重要的现实 意义。 1 1 2 功图法计量油井产量技术背景 为了降低投资，节约成本，提高油田管理水平，国内各大油田采取了一系列建设数 字化油田的新举措，把优化工艺流程、优化地面设施、优化管理模式作为一项长期的、 系统的工作进行开展。以长庆油田数字化建设为例，按照提升工艺过程的监控水平、提 升生产管理过程的智能化水平的设计思路，逐步完成了井场一增压点一接转站一联合站 的数字化设计，利用数据采集、数据判识、智能巡护和远程控制，达到强化安全、过程 监控、节约人力资源、降低建设投资和提高效益的目标【2 】。其中，针对抽油机的单井产 量计量问题，长庆油田从1 9 9 9 年起开展了“低渗透油田油井计量建模与测试系统研究 西安石油大学硕士学位论文 和攻关，积极探索一种新的井口计量技术一抽油机井功图法油井计量技术。 抽油机井功图法油井计量技术( 或称为示功图量油技术、方法或功图法计量技术、 方法) 是一项无需铺设管线，无需现场分离装置，无需地面站，具有低成本、高可靠性、 易维护、可拓展等特点，并能满足连续、实时、自动要求的新的油井计量技术。示功图 量油技术最早可以追溯到上世纪8 0 年代初，经过几十年的发展，这一理论技术也从定性 逐渐发展到定量，并且在大庆、长庆等油田进行试验与推广，在提高单井计量管理水平， 节约计量成本方面产生了良好的效果【6 】。尽管功图法在实际应用过程中，体现出诸多优 势，也有着相当广阔的应用前景，但是目前对该技术的研究仍处于比较初级的阶段，在 计量精度和稳定性方面还不能完全满足油井计量要求，尤其是在一些超低渗产油区，由 于存在气油比高、间歇出油、产液量波动较大等特殊井况，导致功图法在计量精度方面 还存在一些问题。导致产生这些问题的原因有三个方面：1 数据采集方面：由于传感器 的精度及元器件的稳定性，测试方法、测试条件、测试环境等因素造成的影响，将产生 计量误差；2 模型选取方面：在建立抽油机系统的模型过程中，不可避免的要对系统进 行简化处理，其中一些参数也是由经验公式计算得到的，与实际情况相差较大，不能准 确地反映出抽油机井系统的动力学特性，从而造成计量误差；3 泵功图识别方面：由于 井下工况复杂，得到的泵示功图形状各异，现有的柱塞有效冲程计算方法不能对其进行 准确的识别和计算，尤其是对于一些特殊的问题工况，例如出现油井漏失、柱塞松晃、 泵卡等现象时，就有可能导致对工况进行错误的判断，并最终导致井口产液量的计算误 差较大。面对这些问题，要做到从根本上提高示功图量油方法的精确度和稳定性，必须 从以下几个方面入手：1 通过适当提高载荷与位移传感器的精度，并对传感器进行定期 标定等措施，提高原始地面功图数据的精确度；2 研究抽油机井系统的动力学特性，建 立更加合理的抽油杆柱系统模型；3 建立或选用普适性好、便于修正的模型参数计算公 式或方法；4 建立更准确的柱塞有效冲程计算模型和方法；5 利用移动式计量装置进行对 比试验，通过分离计量的数据，对原油物性参数等数据进行修正，提高功图法计量精度。 本文将分析华庆油田低渗透、超低渗油区的产油特点，针对气油比高、间歇出油、 产液量波动较大等问题，对功图法计量技术进行分析，系统阐述和研究抽油机井功图法 计量技术的具体方法，通过对抽油机井系统( 垂直井) 的动力学特性的分析与研究，建 立更加准确和行之有效的杆柱力学模型及柱塞有效冲程的计算模型和方法，并在此理论 基础上，开发一套面向抽油机单井产量计量的功图法计量软件，并与移动式单井计量装 置对比使用，结合现场生产数据对功图法中的相关参数进行修正，在此过程中提高其精 度，为油田生产管理服务。 1 2 国内外油井产量计量技术发展与现状 油田生产中油井产量计量是油井生产的基础，随着科技的发展和油田生产管理水平 的提高，油井产量计量技术水平也在不断提高，落后的手工操作计量正在逐渐被仪表化、 2 第一章绪论 自动化计量技术所取代。 1 2 1 传统的油井产量计量技术 在早期的油井产量计量方法中，主要是以两相分离器或三相分离器配备相应的仪表 来进行对油、气、水的计量。各国在该计量方式上的区别主要是： 1 ) 分离装置：气液两相分离( 前苏联) 、油气水三相分离( 美国) 、两、三相分离( 中 国) ； 2 ) 液体流量计的选取：前苏联使用涡轮流量计；美国是以涡轮流量计为主，同时使 用弹性刮板流量计；中国则是以玻璃管液面计为主，也用到了涡轮流量计； 3 ) 气体流量计的选取：前苏联以涡轮流量计为主，也使用孔板流量计；美国则是以 涡轮流量计为主，也使用孔板流量计和气罗茨流量计；中国则仅仅使用孔板流量计； 4 ) 含水测量：前苏联和美国使用含水分析仪；中国则还是以人工取样化验为主，也 部分采用含水分析仪。 在这种传统的油井产量计量方式比较中，美国的计量装置在整体工艺水平和自动化 水平上相对领先，而我国的计量技术的整体水平偏低【7 明。 1 2 2 当前的油井产量计量技术 经过近十几年技术的引进和我国自身的研究与发展，针对不同的工况，出现了很多 不同的计量方式：计量间计量、翻斗计量、计量车、差压式计量、软件计量和新型智能 多相流量计等。 1 ) 计量间计量：这种计量方法仍属于传统分离器测量方法，这种方法主要用于增压 站一类的集输点的产油计量，针对不同的计量要求，分离器采用立式气液分离器和三相 分离器等不同装置对产油进行分离。 2 ) 翻斗计量：常规翻斗量油装置的密闭容器内安装有两个对称的翻斗，原油进入装 置后，经过油气分离器将原油中的伴生气和产液进行分离，伴生气上升，原油则通过漏 斗流入其中一个计量翻斗中，随着翻斗中液面的不断升高，计量装置的重心开始偏移， 当液面接近上沿时，其重心偏移所产生的力矩使翻斗装置沿顺时针旋转4 5 。，其中的液 体流出；同时另一个翻斗开始进油，类似的，当液面接近上沿时，重心偏移产生的力矩 使翻斗装置沿逆时针旋转4 5 。如此往复，翻斗每翻动1 次计数器记1 次数，根据翻斗 的容积、翻动的次数及计量的时间就可以折算出产液量。目前针对翻斗计量装置在计量 过程中存在的频繁碰撞、卡翻等问题，在现场使用中对这种装置进行了一些改良，包括 减震设计、磁传导设计等，以提高装置的使用寿命【l 0 1 。 3 ) 计量车：计量车计量方式是一种移动式计量，目前常见的有称重式计量车，其工 作原理是：用计量车将称重罐串入生产管线中，模拟计量间单井集中计量的工艺流程， 用压缩气体模拟单井油压，当压力与生产管线压力平衡后，油井的气液进入容器罐，用 西安石油大学硕士学位论文 称重法计量出一定时间内产出液的质量，折算成日产量。计量完成后将计量罐中的原油 通过压缩机压入集油汇管，再进行下一次的计型引。 4 ) 差压式计量：这种测量方法是与分离器结合，通过在分离器玻璃管的上下两端安 装三通，各安装l 块精密压力传送器。用压差值代替原来玻璃管的液位变化值。当进行 计量时，油井产出液进入分离器，玻璃管上下两端的压力变送器进行测量，对压力信号 进行采集，传输至电脑后进行产液量计算，并排出液体。 5 ) 软件计量：主要有功图量油法和液面恢复法。其中，液面恢复法主要原理是停止 抽油，油井内液面上升，通过回声测井仪测量油井内液面的上升速度即可计算出相应的 产液量 3 1 。 功图量油法则是充分利用抽油机自身的运动特性并结合油井的生产数据来对油井产 量进行计量的一种方法【l 。所谓功图，就是一条反映在一个汲取周期里悬点载荷与悬点 位移关系的封闭曲线，它能够反映泵的工作状态，不仅能用来进行油井状态的诊断，而 且能结合油井的生产数据，最终实现对油井产液量的计量。目前获取功图的方法很多， 但在数字化油田建设模式下，主要是通过安装在抽油机悬绳器上的载荷传感器和安装在 抽油机游梁上的位移传感器来实现的。功图法计量的基本模式如图1 - 1 ，这种模式有着 一些明显的优势：1 通过使用传感器和无线有线数据传输，可以实现远程、实时、连续、 自动计量：2 具备一定的通用行，便于在油区复制、推广使用；3 除了初装、定期维护与 检修之外，基本不需要人员到现场进行操作，节约了大量人力、物力，有利于降低使用 成本，尤其是在油井分散的井区，这种优势更为明显。但尽管功图量油法优点众多，但 其在计量精度和稳定性方面存在的问题仍有待解决。 图1 - 1 功图法计量技术基本模式 4 第一章绪论 6 ) 新型智能多相流量计：通常采用各相不分离计量和部分分离计量两种。其中，不 分离计量原理如图卜2 所示，通过多个传感器对整个多相流进行测量3 1 。 油气来流混合器 相含率监测 汇管 【压力、温度】 智能微机系统卜啼 单相流量计 图1 - 2 不分离计量原理图 部分分离计量原理如图1 - 3 所示，其基本原理是将产油进行气液分离，进而对两种 流体分别计量。这两种计量方式对比而言，前者体积小，便于使用，但成本高；后者技 术成熟，容易实现，但是体积和重量会部分限制其应用环境【3 1 。 图1 - 3 部分分离计量原理图 油井计量是多相流的计量，尽管目前有多种方法可以实现，但首先进行气液分离然 后分别计量的方式仍占主体。分离计量方式包括几项主要的技术：分离器、流量计、相 含水仪表等，设计适应性更强、结构更简单、尺寸更小、成本更低、精度更高的分离计 量系统是未来的研究方向【l2 1 。 综上所述，油井计量技术经过不断的发展和改进，针对不同的计量环境和计量要求， 出现了很多新的方法：传统的计量技术和设备可能在逐渐被淘汰，但是先分离后计量的 计量模式却仍然在使用，小型化、仪表化、自动化、高精度是其发展的趋势；新型的软 件计量模式，在使用和推广上存在一定的优势，但精度和稳定性是亟待解决的问题；新 型的智能多相流计量模式，使用方便，但是对技术要求比较高，成本也相对较剐1 3 】。总 之，随着计量技术的不断发展，可以选择的计量方式也会越来越多，在实际应用中，必 须根据油区的实际情况和经济效益进行取舍。 西安石油大学硕士学位论文 1 3 课题的来源及主要研究内容 1 3 1 题目来源 本题目来源于中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司超低渗第二项目部与西 安石油大学签订的华庆油田油井计量配套工艺技术项目合同，该项目主要针对功图 法计量技术在华庆油田应用中的精度偏差较大问题而立项。造成这一问题的主要原因是： 庆阳大部分油区都属于低渗、超低渗油区，存在着产液量低、间歇出油、气油比高等特 殊井况，使得功图法计量技术难以准确的反映油井的实际生产情况。针对这一问题，结 合华庆油田超低渗油区产液量低、气油比高、出油不规律等特点，通过应用和修正数字 化功图计产技术，并研究配套单井计量工艺技术，最终实现油井产量精确计量的研究目 标。 1 3 2 研究内容 以提高功图法量油技术的精度与稳定性为目标，本文将做以下几个方面的主要工作： 1 ) 研究功图计产原理，对抽油机井系统的动力学特性进行分析，建立较为合理的多 级抽油杆柱模型，并对其计算方法进行改进； 2 ) 研究柱塞有效冲程与阀开闭点的位置之间的关系，通过建立泵示功图曲线曲率计 算模型，对柱塞有效冲程进行计算： 3 ) 通过分析和运用功图计产原理，使用v i s u a lb a s i c6 0 工具，在w i n d o w s 平台上， 开发功图量油软件，并与移动式单井计量装置进行对比试验； 4 ) 配套制作适合于华庆油田油井特点的简易式两相单井计量装置，实现井场单井计 量，并与功图法软件进行对比试验； 5 ) 根据超低渗油井产液情况及现场比对试验结果，找出产生计量误差的原因，对功 图法算法进行适当修正，以提高计量精度。 1 3 3 创新点 1 ) 针对低渗透油田的特点对功图法计量油井产量技术进行理论研究，并对计量结果 进行适当的修正，以提高低渗、低产油井的计量精度； 2 ) 通过对功图法计量技术的分析，结合功图法计量原理，完成了功图法预测油井产 量软件系统的编制； 3 ) 通过对单井计量装置的研究，选择计量精度更高、更稳定的移动式井口分离计量 装置作为标定工具，与功图法量油软件的计量结果进行对比，对单井的瞬时产量进行计 量，及时地反应单井的生产情况并辅助功图法计量软件的调整。 1 3 4 章节安排 6 第一章绪论 本文由七章构成，结构如图1 - 4 所示： 图1 - 4 论文结构图 7 西安石油大学硕士学位论文 第二章功图法计量油井产量技术的工作原理 功图法计量技术最早可以追溯到上世纪8 0 年代初，在随后的几十年里，功图法计量 技术先后经历了“拉线法”一“面积法 一“液量迭代法一“有效冲程法 的过程， 理论技术也逐渐从定性发展到定型1 4 】。近年来，功图法计量技术在国内也得到了重视和 发展，其具有的优势使得它在提高油井计量数字化水平和经济效益方面有着广阔的前景。 2 1 功图法计量技术的形成与发展 1 9 8 2 年，陈宪侃提出可以用示功图求出抽油机井产液量【l5 1 。产液量用井下泵效乘以 理论排量减去泵在工作压力下的日漏失量等进行计算。据目前资料显示，这是示功图量 油概念在国内首次提出。1 9 8 6 年，b m 卡西扬诺夫在其发表的杆式深井泵装置工作的 诊断与优化一文中，论述了产液量计算公式的三种示功图的计算方法：1 人工拉线方 法处理实测示功图，该方法考虑了泵筒内间隙引起的活塞漏失和稠油的影响及抽油杆的 弹性伸缩因素，通过将功图的封闭曲线简化为平行四边形并进行手动的平移来确定活塞 在井下真正做功的大小，进而推算油井日产液量，尽管误差较大，但作为一种大胆的探 索，在功图法计量技术的发展历程中功不可没；2 面积法是在拉线法基础上的改进，它 将地面功图简化为理论示功图( 平行四边形) ，再通过数学方法将理论示功图转换为泵功 图，进而求得油井日产液量，此法在泵功图的处理上得到质的跨越；3 液量迭代法是借 助于泵的漏失量，对估算出的产液量进行迭代法循环处理，在计算过程中，得到的液量 越来越准确，但此法在功图处理上仍然采用人工拉线的处理方法，因而也大大限制该方 法的使用范卧1 6 】。 在国内，功图法计量技术的发展也经历一个由理论逐渐变成现实的过程：1 9 9 0 年， 王淑梅用数学方法将地面示功图转换成泵示功副r 7 1 ，并首次将抽油机井计算机故障诊断 技术【l8 】与示功图定量解释技术相结合，借助于微机手段实现了地面示功图向井下泵示功 图的转换计算，再结合泵功图按照一定的公式计算出抽油机井产液量。这种通过对泵示 功图的分析、计算得到抽油机井的产液量的方法，为功图法量油概念的技术化做出了重 大贡献。1 9 9 6 年，石在虹在考虑气体压缩多变过程的情况下，通过采用迭代法循环处理 来计算出抽油机井的产液量 i9 1 。2 0 0 4 年，张兴华等人在有杆抽油系统的有限元模型基础 上，将计算程序植入井e 1 仪器，以实测悬点示功图数据为输入，求得井口产液量【2 0 】。据 论文显示，精度基本满足油田生产精度要求，但计量结果需要现场工作人员定期去井口 读取，不能满足连续计量的要求，因此未见推广。但是他指出：将功图量油方法与远程 传输技术相结合，是功图法计量技术的发展趋势。2 0 0 5 年以来，大港油田进行了抽油机 井功图法计量技术研究与先导试验【2 1 1 ，形成了一套功图法量油理论和方法，其技术关键 是示功图特征的识别、阀开闭点位置的确定、柱塞有效冲程、泵的充满系数和漏失量的 计算。与此同时，安塞油田也进行了油井集群功图法计量监测系统的试验，实现了全天 第二章功图法计量油井产量技术的工作原理 候实时测试抽油机示功图参数的无人值守自动监测。2 0 0 6 年，严长亮等人对功图法计量 技术做了较全面的介绍并建立了确定泵示功图上阀开闭点位置的数学模型，为柱塞有效 冲程的计算提供了新的思路【2 2 1 。 经过多年来的努力探索，示功图量油概念得到了丰富与充实，并逐步清晰起来。随 着油田数字化系统的引入，更促进了功图法计量技术的推广，相对于传统计量方式来说， 示功图量油方法在集输工艺、投资造价、自动化管理等方面具有明显优势，与此同时， 面对传统计量方式精度更高、设计更合理的趋势，功图法在精确度和稳定性上的要求也 更高。但对于低渗透、间歇出油的油井，功图法计量还存在较大误差，因此，本文将主 要针对这方面问题开展研究。 2 2 功图法计量技术的工作原理 2 2 1 抽油机井示功图分类及特点 示功图作为功图法计量技术的重要基础数据来源，包含了有杆抽油系统运行情况的 丰富信息，是工况诊断和相关计算的基础。它是一条描述抽油机在一个汲取周期内，抽 油杆某个截面处载荷与位移的大小、变化规律及其对应关系的闭合曲纠2 3 1 。在工况诊断 与产量计量研究中应用最多的是实测悬点示功图和泵示功图： ( 1 ) 悬点示功图 悬点示功图，又称地面示功图，是一条描述抽油杆悬点处载荷与位移的变化关系曲 线，是油田现场采集的第一手资料，如图2 1 所示： 地面功图悬点载荷曲线悬点位移曲线 图2 - 1 悬点示功图 如图所示，a 点、c 点分别是悬点运动的下死点、上死点。其中，悬点的上行程是 从a 到b 再到c 点的过程：由a 点到b 点的过程中，油管卸载而缩短，抽油杆加载而 拉长，所以a b 段悬点载荷迅速增d i ( 女n f l t2 1 ( 2 ) 所示) ，但是悬点位移变化较小( 如图2 1 ( 3 ) 所示) ；由b 点到c 点的过程中，油管与抽油杆的静态变形完毕，柱塞开始相对于泵简 9 西安石油大学硕士学位论文 向上移动，这一阶段载荷总体变化较小，但是载荷振动特性较为明显。而悬点的下行程 是从c 到d 再到a 点的过程：由c 点到d 点的过程中，抽油杆卸载而缩短，油管加载 而拉长，悬点载荷变化明显( 如图2 1 ( 2 ) 所示) ，但是悬点位移变化较小( 如图2 1 ( 3 ) 所示) ； 由d 点到a 点的过程中，油管与抽油杆的静态变形完毕，柱塞开始相对于泵筒向下移动， 这一阶段载荷总体变化较小，但载荷振动特性较为明显【2 4 】。 ( 2 ) 泵示功图 泵示功图，又称井下示功图，是一条描述抽油杆柱最下端载荷与位移的变化关系曲 线。通常情况下，泵示功图不能直接通过测量获得，而基本上都是通过杆柱系统模型及 波动方程计算得到的。如图2 2 所示，与实测悬点示功图相比，泵示功图有以下几个方 面的特征： 泵示功图柱塞载荷曲线柱塞位移曲线 ( 1 )( 2 ) ( 3 ) 图2 - 2 泵示功图 1 ) 泵示功图中抽油杆的弹性变形被消去了，体现在a b 段相对于纵坐标轴整体的倾 斜度明显变小，如图2 1 ( 1 ) 与2 - 2 ( 1 ) 所示； 2 ) 经过比较，悬点冲程明显大于柱塞冲程，如图2 1 ( 1 ) 与2 - 2 ( 1 ) 所示； 3 ) 在载荷振动特性方面，悬点振动载荷振幅相对于柱塞较大，柱塞的载荷相对平稳， 如图2 1 ( 2 ) 与2 - 2 ( 2 ) 所示； 4 ) 悬点运动滞后于柱塞运动，如图2 1 ( 3 ) 与2 - 2 ( 3 ) 所示。 由于井下工况复杂多样，泵示功图表现出多种形状特征。如图2 3 所示，是一些能 够反映井下不同工况的比较典型的泵示功图，图中：图( 1 ) ( 5 ) 分别对应自喷、固定阀卡 死、泵筒内壁严重磨损、抽油杆断脱、气锁的情况；图( 6 ) 、( 8 ) 对应抽油泵充不满的情况； 图( 7 ) 对应泵内有气体影响的情况；图( 9 ) 对应柱塞脱出泵筒的情况；图( 1 0 ) 、( 1 1 ) 分别对 应固定阀、游动阀漏失的情况；图( 1 2 ) 对应系统磨阻过大的情况；图( 1 3 ) 对应泵筒弯曲的 情况；图( 1 4 ) 、( 1 5 ) 分别对应上碰泵、下碰泵的情况；图( 1 6 ) 对应卡泵情况；图( 1 7 ) 、( 1 8 ) 分别对应正常工况下，油管不锚定、锚定情况。而功图法计量技术主要是针对其中的图 1 0 第二章功图法计量油井产量技术的工作原理 ( 6 ) ( 1 5 ) 、( 1 7 ) 、( 1 8 ) 对应泵况下的产液量计量问题，对于其他泵况下的计量问题，则需 要采用其他手段来实现【2 4 1 。 ! = |f ：7 1 。、 品。；2 。 品d 。情况：这种情况的出现主要与泵充不满、泵内充气、固定阀漏失等故障 的出现有关，下面分别对这几种情况进行介绍。 在泵充不满、泵内充气的情况下( 如图3 - 6 所示) ，下行程开始柱塞由于压缩泵腔空间 而相对于泵筒走过一段距离，直到泵内压力增大到一定程度才顶开游动阀开始排液， 第三章功图法计量技术理论研究 因此会造成s i o 。 岛。的情况，也就是柱塞在泵吸入过程中走过的距离大于在泵排出过程 中走过的距离，此时，柱塞有效冲程等于品口：。 在固定阀漏失的情况下( 如图3 - 6 所示) ，由于固定阀的漏失，使得吸入过程中泵内压 力增加相对缓慢，以比正常情况低的压力进入泵排出阶段，使得当柱塞向下运动时，泵 内压力不能马上顶开游动阀，而要让柱塞走过一定距离后，泵内压力在增大到足以 顶开游动阀才开始排液，致使s e o 。 s m 刚也就是柱塞在泵排出过程中走过的距离有所损 失，此时，柱塞有效冲程等于品刚 泵充不满、泵内充气情况 固定阀漏失情况 图h 泵充不满、泵内充气及固定阀漏失情况 2 ) s f o 。 岛。情况：这种情况的出现主要与柱塞脱出泵筒、游动阀漏失等故障的出现 有关，下面对这两种情况分别进行介绍。 在柱塞脱出泵筒情况下( 如图3 7 所示) ，由于柱塞在泵吸入过程的后半段脱出泵筒， 致使油管与泵筒联通，油管内液体进入泵筒，在液体的压力作用下，固定阀提前关闭， 泵的吸入过程提前结束，油管与抽油杆的拉长变形提前完成。因此，在下行程中，由于 泵腔内已充满液体，所以游动阀在一开始就被打开，提前开始了泵的排出过程。由于泵 吸入过程提前结束，泵排出过程提前开始，使得s e o 。 品d 。，此时，柱塞有效冲程等于。 在游动阀漏失情况下( 如图3 7 所示) ，由于柱塞在上行程中游动阀的漏失，使得泵腔 内压力下降相对缓慢，以比正常情况高的压力进入泵吸入阶段，泵内外的压力差不足以 使井底压力顶开固定阀，而要让柱塞相对于泵筒走过一段距离品腩后，增大的压力差才 能使井底压力顶开固定阀开始吸液。由于泵吸入过程受漏失影响而导致泵吸入行程损失， 使得s i o 。 品。出现的情况下，柱塞有效冲程品产品。；而在s l o 。 j ，。】 6 5 6 8 = - 7 6 7 4 1 1 0 - 5 , _ 6 1 6 8 7 1 0 - 7 , 2 4 0 8 0 1 0 - 2 , - 9 2 6 0 2 1 0 8 式中b o ：原油在p ，乃条件下的体积系数，m 3 m 3 ； p ：井下压力，k p a ； t ：井下温度，； 劭：泡点压力，k p a ； 玩6 ：原油在泡点压力下的体积系数，m 3 m 3 ； 其中，泡点压力挪( 亦称饱和压力) 可通过s t a n d i n g 方法计算： 胪2 肿4 6 枷倒一1 0 0 删畔川5 儡 ( 3 - 4 。) 式中n s ：原油在p ，乃条件下的溶解汽油比，m 3 m 3 。 3 7 3 溶解汽油比的计算 溶解汽油比n s 是指在p ，乃条件下，井下单位体积原油中所含天然气的溶解量，可根 据v a s q u e z 公式5 8 】【5 9 1 计算： 驴叫8 4 5 c 。5 脚p ) c 2 e 冲( c ，器 ( 3 - 4 ) 式中n s ：原油在0 ，d 条件下的溶解汽油比，m 3 m 3 ； p ：井下压力，m p a ； t ：井下温度，； 3 9 西安石油大学硕士学位论文 站：天然气在6 8 9 5 k p a 下的相对密度； d 。：原油在( 硌b 瓦f ) 条件下的相对密度； 吒哦 1 + 5 9 2 1 x 1 0 - 5 半( 1 8 t s t + 3 2 懒9 聊) p 4 2 ， 系数c ，、o 、o 的取值见表3 - 2 ： 表3 2 系数另、良岛的值 系数 c jc 2c 3 6 。 0 8 7 6 2 o 0 1 7 81 1 8 7 02 3 9 3 1 0 以0 8 7 6 20 0 3 6 21 0 9 3 7 2 5 7 2 4 3 7 4 水的体积系数的计算 体积系数b 。是指在p ，d 条件下，油田水在泵出口处的体积与其在地面的体积之比， 可通过下列公式【5 8 】【5 9 1 计算： b 。= c o + c l ( 1 4 5 0 3 p ) + c 2 ( 1 4 5 0 3 p ) 2 ( 3 4 3 ) 式中p ：井下压力，m p a 。式中系数已、o 、c 2 可通过下式确定： c t = a o + a l o + a 2 0 2 ( 3 - 4 4 ) 式中口：井下温度，f ，0 = - 1 8 t + 3 2 ；式中系数a d 、a j 、a 2 的取值如表3 3 ： 表3 - 3 系数鼽膏，、动的值 a o口，a 2 c 0 9 9 4 7 1 0 。15 8x1 0 61 0 2 1 0 。6 脱气水 c l 一4 2 2 8 x1 0 - 61 8 3 7 6 1 0 86 7 7 1 0 l l c 2 1 3 1 0 。1 01 3 8 5 5 1 0 。1 24 2 8 5 1 0 。1 5 天然气c o 9 9 1 1x1 0 16 3 5 l o 6o 8 5 1 0 石 饱和水 c 1 1 0 9 3 1 0 击0 3 4 9 7 1 0 - 8o 4 5 7 1 0 1 1 c 2 o 5 0x1 0 1 0o 6 4 2 9 1 0 1 21 4 3x1 0 。1 5 本软件所用的数据均按天然气饱和水算。 3 8 功图法在低渗透油田应用中的修正 本文所研究的功图法计量技术主要应用在华庆油田，由于其大部分油区都属于低渗、 超低渗油区，存在着产液量低、间歇出油、气油比高等特殊井况，使得功图法计产在该 地区应用时常常出现计量精度偏差较大的问题。针对超低渗油田产量低、气油比高，出 油不规律等这些特点，在功图法计量技术的使用过程中，要进行适当的修正，以满足在 特殊井况下，也能使计量结果对采油生产具有实际应用价值。 第三章功图法计量技术理论研究 3 8 1 功图法计量技术在低渗透油田中预测油井产量的误差分析 功图法计量技术在使用过程中产生误差的影响因素主要有： 1 ) 抽油杆三维振动模型波动方程求解时的误差； 2 ) 抽油杆机械性能、几何参数误差( e ，d ) ； 3 ) 井下高压物性参数的误差：油层中深、原油粘度、油层温度、含水率、生产气液 比( 气油比) 、油相对密度； 4 ) 生产数据的误差：冲程、冲次、泵挂深度、井口油压、井口套压、动液面； 5 ) 井下抽油泵：柱塞直径、泵漏失( 由泵塞间隙等造成) ； 6 ) 高生产气油比( 气液比) 导致泵内生产气液比大，造成泵有效冲程误差； 7 ) 超低渗油田存在间歇出油现象，如采集功图周期过大，也会影响产量预测精度。 3 8 2 功图法计量技术在低渗透油田中的修正 根据对功图法计量误差影响因素的分析，当预测产量和实际产量存在误差时，需要 对模型进行修正，以提高低渗透、高气液比油田的产量预测精度。其中误差分析中1 ) 6 ) 项的主要修正算法如下： 1 ) 当抽油杆振动模型波动方程求解存在误差时，泵功图行程误差对产量预测精度 影响最大。此项误差可以通过以下两种方法进行修正： 1 调整波动方程中傅里叶系数的项数( 3 1 3 ) ，软件操作界面如图3 1 l 所示： 参数调整( 调试用) 墨直麴圈慢里幽理! ! ! ! ! l ! ! 垂功图预测波动方程傅里叶系数币 项( 3 “1 3 ) i 图3 - - 11 傅里叶系数的项数调节 2 调节抽油杆的阻尼系数。 2 ) 当抽油杆机械性能、几何参数存在误差时，会影响抽油泵柱塞的有效行程的计算。 此项误差可以通过调整程序中的相应变量值进行修正。具体程序代码如下： r o d a r = ( 0 2 5 木3 1 4 1 5 9 2 6 木w h r o d