（石油与天然气工程专业论文）油井远程自动监测与工况分析技术应用研究.pdf

摘要 刘钦( 石油与天然气工程) 指导教师：王海文教授段永强高级工程师 在抽油机井生产过程中，需要不断地监测悬点载荷与悬点位移。随着自动监 测技术、通讯技术和计算机技术的高速发展，采用准确、高效、实时的抽油机井 工况自动监控技术，及时发现抽油机井故障，把传统的事后维修变为故障提前预 警，正确分析判断抽油井系统的工况，提供维护管理的有效措施，降低无功消耗， 提高开井时率。在此基础上，利用功图法对悬点载荷与悬点位移进行分析，计算 井口产液量，实现油井产液量实时、连续、自动计量，能解决串并井计量问题， 确定合理的工作制度；优化自动监控技术，达到“操作简单、长期稳定、信息准 确、快速及时”的目的，具有十分重要的意义。本文开展油井远程自动监测与工 况分析以及示功图量油技术研究，主要工作与结论如下：进行了抽油机井特征示 功图的分析与油井管理分析，研究了基于示功图分析的油井产液量计算模型，探 讨了抽油泵柱塞有效冲程的计算方法，并分析了功图法量油的误差来源和修正方 法。以此为基础提出了油井远程自动监测与工况分析系统的研究思路，进行了系 统数据远程传输方法的对比研究，确定了适合本系统的无线传输方式。进行了小 无线工况检测设备的硬件研究，并分析了系统应用软件的构成与实现方法。在此 基础上，开展了系统试验实施方案设计工作，并在华北油田第四采油厂进行了 1 5 口井的现场试验，进行了试验数据对比分析。结果表明：计算产液量与实测产 液量基本符合，最低误差达4 7 。油井远程自动监测与工况分析系统是在自动 监控和检测油井示功图基础上延伸出的单井在线连续自动计量技术，能够满足现 场分析、管理的需求，能基本搞准非疑难井的单井产量。具有“先监控、再诊断、 后计量的特定，实现了油井自动监控、工况自动诊断、产量自动计量三大技术 的集成，达到了搞清井况的目的。实时跟踪油井生产状况，为精细化管理提供了 技术手段。 关键词：抽油机井；示功图；计量；产液量；工况分析；自动化 a p p l i c a t i o ns t u d yo nr e m o t e a u t o m a t i cm o n i t o r i n g t e c h n o l o g ya n dw o r k i n gc o n d i t i o na n a l y s i sm e t h o do f o i lw e l l ( p e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gh a i w e na n ds e n i o r - e n g i n e e rd u a ny o n g q i a n g a b s t r a c t i nt h er o dp u m p i n gw e l l sp r o d u c t i o np r o c e s s ，i ti sr e q u i r e dc o n t i n u o u sm o n i t o r i n gl o a d a n dd i s p l a c e m e n to fs u s p e n s i o np o i n t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cm o n i t o r i n g t e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，u s i n ga c c u r a t e ，e f f i c i e n t ， r e a l - t i m ea u t o m a t i cm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fr o dp u m p i n gw e l l sc a nd e t e c t f a i l u r e so fr o dp u m p i n gw e l l sp r o m p t l y ，c h a n g et r a d i t i o n a lc o r r e c t i o nm a i n t e n a n c ei n t oe a r l y f a u l tw a r n i n g , a n a l y z ea n dj u d g ew o r k i n gc o n d i t i o n so ft h er o dp u m pw e l l ss y s t e mc o r r e c t l y , p r o v i d ee f f e c t i v em e a s u r e sf o rm a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n t ，r e d u c et h er e a c t i v ep o w e r c o n s u m p t i o na n di m p r o v et h er a t eo fo p e nw e l l s o nt h i sb a s i s ，u s i n gt h em e t h o do fi n d i c a t o r d i a g r a mc a na n a l y z el o a da n dd i s p l a c e m e n to fs u s p e n s i o np o i n t ，c a l c u l a t el i q u i dp r o d u c i n g c a p a c i t ya tt h em o u t ho faw e l l ，a c h i e v ear e a l - t i m e ，c o n t i n u o u sa n da u t o m a t i cm e a s u r e m e n t o fl i q u i dp r o d u c i n gc a p a c i t y , s o l v et h em e a s u r e m e n tp r o b l e mo fs e r i e s - p a r a l l e lw e l l s ， d e t e r m i n et h er e a s o n a b l ew o r k i n gs y s t e m ；i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c et oo p t i m i z et h ea u t o m a t i c m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt oa c h i e v et h ep u r p o s eo f e a s yo p e r a t i o n ，l o n g t e r m s t a b i l i t y , a c c u r a t ei n f o r m a t i o nr a p i da n dt i m e l y ”i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ho fr e m o t e a u t o m a t i cm o n i t o r i n g ，w o r k i n gc o n d i t i o n sa n a l y s i sa n do i lm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yb y i n d i c a t o rd i a g r a ma r ec a r r i e do u t t h em a i nw o r ka n dt h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ：t h e c h a r a c t e r i s t i c si n d i c a t o rd i a g r a ma n dw e l lm a n a g e m e n tf o rr o dp u m p i n gw e l l sa r ea n a l y z e d ， t h em a s sp r o d u c t i o nc o m p u t a t i o nm o d u l ef o ro i lw e l l sb a s e do nt h ei n d i c a t o rd i a g r a ma n a l y s i s i sr e s e a r c h e d ，t h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o do fp u m pp l u n g e r se f f e c t i v es t r o k ei sp r o b e di n t oa n d t h ee r r o rs o u r c e sa n dt h ee r r o rc o r r e c t i o nm e t h o df o ro i lm e a s u r e m e n tm e t h o do fi n d i c a t o r d i a g r a mi sa n a l y z e d o nt h i sb a s i s ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dr e s e a r c hi d e a so fr e m o t ea u t o m a t i c m o n i t o r i n ga n dw o r k i n gc o n d i t i o na n a l y s i ss y s t e mf o ro i lw e l l ，a d v a n c e st h ec o m p a r a t i v e s t u d yf o rt h em e t h o d so fr e m o t et r a n s m i s s i o no fs y s t e md a t aa n dd e t e r m i n e st h es u i tw i r e l e s s t r a n s m i s s i o nm e t h o d sf o rt h i ss y s t e m t h i sp a p e ra d v a n c e sh a r d w a r er e s e a r c hf o rs m a l l w i r e l e s sw o r k i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n gd e v i c e ，a n da n a l y z e sc o m p o s i t i o na n dr e a l i z a t i o n m e t h o d sf o rs y s t e ma p p l i c a t i o ns o f t w a r e o nt h i sb a s i s ，t h ed e s i g nw o r ko ft h es y s t e mt e s t i m p l e m e n t a t i o ns c h e m ei sc a r r i e do u t ，a n dd o s ef i e l de x p e r i m e n tf o r15w e l l sa tt h ef o u r t ho i l f i e l di nn o r t hc h i n ao i lf i l e dc a r r i e so u tc o m p a r a t i v ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a t h e r e s u l t ss h o wt h a t ：l i q u i dp r o d u c i n gc a p a c i t yt h a tc a l c u l a t e di se s s e n t i a l l ya c c o r d e dw i t ht h e m e a s u r e dl i q u i dp r o d u c i n gc a p a c i t y , a n dt h em i n i m u me r r o ri so n l y4 7 t h er e m o t e a u t o m a t i cm o n i t o r i n ga n dw o r k i n gc o n d i t i o n sa n a l y s i ss y s t e mi s0 1 1 一l i n es u c c e s s i v ea u t o m a t i c m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yf o ri n d i v i d u a lw e l lt h a tc a nb ee x t e n d e do nt h eb a s i co ft h e a u t o m a t i cm o n i t o r ，c o n t r o la n dd e t e c t i o no fi n d i c a t o rd i a g r a mf o ro i lw e l l ，i tc a l lm e e tt h e n e e d so ff i e l da n a l y s i sa n dt h em a n a g e m e n ta n dc a ne s s e n t i a l l ya c c u r a t e l yg e tt h ei n d i v i d u a l w e l lp r o d u c i n gr a t eo fn o tk n o t t yw e l l s i th a st h ed i s t i n g u i s hf e a t u r ea s ”m o n i t o rf i r s t ，t h e n d i a g n o s e ，f i n a l l ym e a s u r e ”，a c h i e v e st h ei n t e g r a t i o n o ft h et h r e em a j o rt e c h n o l o g i e s ： a u t o m a t i cm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lf o rw e l l s ，a u t o m a t i cd i a g n o s ew o r k i n gc o n d i t i o n ，a u t o m a t i c y i e l dm e a s u r e m e n t ，a n df i n a l l yr e a c h e st h ep u r p o s eo fu n d e r s t a n d i n gt h ew e l lc o n d i t i o n t h e r e s e a r c ho f f e r st h et e c h n i c a lm e a s u r e sf o rr e a lt i m ef o l l o w i n gu pf l o wc o n d i t i o no fo i lw e l l a n df o rm i c r o s c o p i cm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：r o dp u m p e dw e l l ，i n d i c a t o rd i a g r a m ，g a u g i n g ，l i q u i dy i e l d ，a n a l y s i so f w o r k i n gc o n d i t i o n ，a u t o m a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：上矽p 矿年3 月妙日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：7 , 0o 件夕月矽日 日期：2 9 0 7 年夕月e l 中国石油人学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章前言 我国的诸多油田大多位于远离城市的区域，地广人稀，交通通信等设施较为落后， 而且油田油井分布零散、范围广。由于地质条件的限制和开发时间的延长，在我国大部 分油田油井多数采用抽油机采油方式。日常生产管理中大多采用人工巡井方式，由人工 每日定时检查设备运行情况并记录采油数据。这种方式必然增j l - 人劳动强度，并且影 响了设备监控与采油数据采集的实时性和准确性。当抽油机、电泵、井下管杆和井下抽 油泵等出现故障时不能及时发现，得不到有效监控，严重影响抽油机井的开井时率和安 全生产。 随着自动监测技术、通讯技术和计算机技术的高速发展，采用准确、高效、实时的 油井远程自动监测与工况分析技术，及时发现抽油机井故障，正确分析判断故障原因， 提供维护管理的有效措施，降低无功消耗，提高开井时率，具有十分重要的意义。 1 1 问题的提出及研究意义 油田大多位于远离城市的区域，地广人稀，交通通信等设施较为落后。而且油田油 井分布比较零散，范围由几十至上百平方公里。在日常生产管理中大多采用人工巡井方 式，主要依靠值班工人定时、定点去轮巡，靠眼睛、耳朵的感官去发现运行设备的异常。 巡视工作量与路线长度、地理环境和气候的变化( 刮风、下雨、下雪) 都有很大的关系。 而实际工作中由于值班工人马虎、走过场可以使小毛病发展成事故，如发生过抽油机翻 倒的事故。当设备因故障在两次巡视之间停止运行，值班人员就无法及时发现。这种方 式必然增加工人劳动强度，并且影响了设备监控与采油数据的实时性和准确性，造成了 生产的不安全因素增加。并且当抽油机、电泵、井下管杆和抽油泵等出现故障时不能及 时发现，得不到有效监控，严重影响抽油机井的开井时率和安全生产。在对抽油井进行 工况分析时，人的肉眼是不能直接看到千米地下杆式泵的工作状况，作为唯一能反映井 下抽油泵运行状况的示功图一个月才测试一、二次，这远远满足不了现场技术人员的需 求。现场技术人员希望能及时了解井下设备的运行状况，也就是实时看到抽油机井的示 功图、电流图，传统的示功图测试技术是不能满足该要求的。同时，各种单井的数据都 是人工手动记录，难免会有视觉、手动误差存在。而这些不真实的数据以班报、日报形 式上报管理层。地质技术人员根据上报的数据，很可能对地下油层做出错误的判断，给 出错误的调整方案，干扰油田正常生产。信息靠人工层层传抄、上报，工作量大，易出 现误差，数据易丢失、传递时间慢。由于对地质技术人员和管理层需要的资料无法及时、 第一章前言 准确的提供，这就给各项生产决策带来很大的不便。 随着自动监测技术、通讯技术和计算机技术的高速发展，采用准确、高效、实时的 抽油机井工况自动监控技术，及时发现抽油机井故障，把传统的事后维修变为故障提前 预警，正确分析判断抽油井系统的工况，提供维护管理的有效措施，降低无功消耗，提 高开井时率。在此基础上，利用功图法计算单井产量，进行单井计量，能解决串并井计 量问题，确定合理的工作制度；优化自动监控技术，达到“操作简单、长期稳定、信息 准确、快速及时 的目的，具有十分重要的意义。 1 2 抽油机工况自动监测与分析技术国内外现状 1 2 1 抽油机井检测诊断技术的发展概况 国内外对抽油机井检测诊断技术进行了大量的理论和应用研究，特别是1 9 2 7 年发 明了光杆动力仪以后，诊断技术有了明显的发展。3 0 年代初期，抽油井的故障诊断主要 是以地面示功图为基础，依靠操作人员的经验进行定性分析和判断，因而误差较大。以 后，在示功图的定量解释上提出了许多方法，但是，大多数是建立在弹簧方程的基础上， 即把抽油杆柱简化成为具有一个自由度带粘滞阻尼的弹簧，用以描述抽油杆柱的状态。 其中具有代表性的有：图解法诊断技术、a p i 诊断法和a p i 设计法。随后的几十年，虽 然在解释方法和计算模型上有所改进，但一直未能取得突破性进展。6 0 年代初，美国壳 牌公司的s g g i b b s 先生提出了以细长杆带粘滞阻尼的纵向振动偏微分方程，即波动 方程，描述应力波在抽油杆中的传递过程，应用波动方程求解井下泵功图。此方法在 6 0 7 0 年代初已被许多国家采用。 随着计算机技术的飞速发展，大多数有杆泵抽油井故障诊断程序都是以s g g i b b s 先生的波动方程为基础，建立有杆泵抽油数学模型，对地面示功图进行数学处理，从而 得到井下示功图和其它某些参数来实现故障诊断。随后，国外引入人工智能专家系统方 法，把专家经验和示功图样板输入计算机，利用模式识别技术和知识获取对现场的有杆 泵抽油井进行故障诊断。此外，国内许多厂家开发研制的抽油井诊断仪，也取得了可喜 的进步。这些仪器利用a d 转换技术可以准确而迅速地测定载荷、位移、压力、扭矩、 功率、电流、阀漏失、动液面高度等参数，并利用所获得的信息和数据对抽油井系统进 行故障诊断【1 】。 机械故障诊断技术是以设备及其群体为对象，建立在检测技术、信号处理、识别理 论、预报决策及计算机技术等多种现代科学成就基础上的一门崭新的综合性横断科学。 近几年，随着模式识别理论、数据逻辑、决策理论、可靠性理论、模糊集理论、计算机 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 技术及人工智能专家系统方法的飞速发展，故障诊断理论和方法的研究也取得了很大的 进步，形成了一个比较完整的理论思想体系。同时，针对不同的研究对象，对故障的形 成和发展过程、故障的形态特征、故障的特征提取、故障的物理模型、诊断策略等进行 深入的研究。 1 2 2 抽油井诊断仪发展概况 抽油机工况诊断仪发展大致可分为四代。第一代抽油机工况监测仪是以水力动力仪 为代表的功图检测仪，水动力仪是机械式功图测试仪，设备笨重，操作复杂，员工工作 量大。而且，抽油机工况需人工进行分析判断。第二代抽油机工况监测仪是以单片机为 基础的便携式抽油机工况监测与诊断仪，仪器采用便携式单片机，程序全部固化，测试 速度快，仪器小巧，操作简单。并可存储大量的测试数据，具有较完整的泵功图和井下 泵功图分析程序。 二十世纪八、九十年代，国内研制开发的抽油井诊断仪已取得了可喜的进步。它们 不仅可以进行多参数测试，而且利用a d 转换技术进行了实时数据采集，并与计算机联 机，同时，系统精度也有很大提高。在参数测试和智能化诊断方面也有很大发展，以示 功图为依据来诊断故障进一步完善。因此，抽油机井自动监控系统在向高精度、高灵敏 度、数据实时采集的方向发展，并结合人工智能专家系统方法，把诊断仪和计算机联机， 对抽油井进行智能化诊断，系统软件和测试标准进一步完善，这是抽油机工况监测与分 析仪发展的第三代。 抽油机井自动监控系统逐步与计量站自动计量系统、单井图像监控系统等其它油田 自动化系统进行整合，形成完整的油井远程自动监测与工况分析系统。其中抽油机井自 动监控系统可以有三种方案可供考虑，分别是便携式抽油井单井测试系统、移动存储式 油井自动监测系统、无线传输式油井自动监测系统。 “无线传输式油井自动监测系统能够实时在线监测油井参数电流、电压、井口温 度、压力、示功图等，对抽油机的各种故障包括( 电流、电压越限、压力过高过底、光 杆卡死时过载、停机、缺相、欠载等) 进行实时诊断，及时发现故障并报警；能远程控 制抽油机的启停；随时查询油井运行参数，并实现参数远传和网上资源共享。主要是通 过对井口参数的实时检测，采用轮询应答的通信方式，将检测到的油井状态，通过无 线方式传送给采油厂实时数据库服务器，并以c s 或b s 模式，使生产管理的各个部门 能够及时掌握油井工作状态。其中，无线远传部分主要采用数传电台、g p r s 通讯、无 线计算机网络、m c w i l l 等通讯技术。应用油井远程测控系统可缩短油井故障处理时间， 3 第一章前言 提高开井时率，增加原油产量，提高工作效率。油井远程测控系统可以免去人工巡井减 轻工人劳动强度，并且提高了设备监控与采油数据的实时性，甚至准确性。并且当抽油 机、电泵出现故障时能及时发现，得到有效监控，防患和控制。 针对在线远传计量技术的软件功能的单一性( 仅能计量单井液量) ，为了方便油井分 析和管理工作，在现场试验的基础上拓展了新型单井远程在线计量软件功能，与油田现 有网络平台对接，实现数据资源共享。远程计量软件功能拓展后，通过客户端平台，实 现了油井的远程生产参数( 电压、电流、功率、电量、载荷、冲次、冲程、井口压力、 开停井时间) 的监控、查询、检索、统计、分析以及故障报警等，形成了在线远程计量 信息系统管理平台。这是抽油机工况监测与分析系统发展的第四阶段。 1 3 技术现状及生产中存在的主要问题 抽油机井监测诊断技术在华北油田第四采油厂具有多年的应用历程。早期主要采用 各种便携式抽油机诊断仪现场测试抽油机工况参数，技术人员人工进行抽油机故障诊断 分析。随着抽油机诊断理论和诊断测试设备的飞速发展，华北油田第四采油厂逐步试验 应用了无线网络传输井口数据采集系统、基于g p r s 数据传输的井口数据采集系统、基 于g s m 的油井启停测控系统等多种油井监控诊断技术。同时，尝试将油井远程监控诊 断系统与计量站自动量油系统结合，形成油井在线远程生产信息管理平台系统。 在油田生产管理过程中，单井计量是单井进入计量站后，通过分离器( 容积测量) 进 行计量工作。( 由于井下原油不是匀速流动，而是呈脉动涌出，俗话说就是“一股一股”， 而且每一次的油量也各不相同，所以多采用“容积法”计量) 。但问题是计量时间长，计量 间室内温度高达5 0 6 0 。c ，工人工作环境极其恶劣。计量一井次需人工手动倒阀4 次， 也就是如果一天计量1 2 口井，就需要倒4 8 阀次，工作强度大。这也就导致了弄虚作假、 虚假的资料发生。 随着科技的发展，油井计量技术水平不断提高，落后的手工操作计量早已被仪表化、 自动化计量技术所代替，油井生产计量向仪表化方向发展。随着技术的进步及各种气体 和液体流量计的广泛应用，油井产量计量中必然越来越多地使用操作简单、读数方便的 流量计，如用于天然气计量的旋进旋涡流量计、涡街流量计等。同时，油井计量向高精 度方向发展。我国油田多进入开发后期，需要准确及时的了解油井的生产状况，为生产 管理提供真实可信的数据，对油井计量精度的要求必然越来越高。油井计量向快速化方 向发展。为了及时掌握油井的生产状况，需要缩短油井计量周期，对油井进行更加频繁 和及时的测量，因此必须提高油井计量速度，油井计量向自动化方向发展。自动化技术 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 的发展为降低劳动强度和提高劳动生产率提供了可靠保证，同时为了实现油井准确快速 的测量也必须采用自动化的测量方法。 国外油田在油井自动监测方面，硬件的品质、监测自动化水平，均优于我国。但在 采用功图法油井计量方面，只是研制出便携式抽油机井功图量液仪和一种带有可移动收 发通信信号的有杆泵计量仪器，可在监测的同时利用功图进行简单的计算产量，但并未 大规模应用。国内油田如大庆、吉林油田早期也试验过采用功图面积法和液面法相结合 计算油井产量，并进行现场应用试验，但存在液面测不准等因素影响，导致计量误差大， 未大面积推广。 以实测示功图作为分析有杆泵工作状况的主要依据，建立先进、适用的有杆抽油井 系统数学模型及算法，采用几何特征法对泵功图进行分析及故障识别，确定泵的有效冲 程，得出地面折算有效排量，即为功图法油井计量技术1 2 】【3 】。 1 4 技术应用的研究方向和思路 依据油井远程自动监测与工况分析系统在现场试验应用中存在的不足，有针对性的 开展技术攻关，解决问题，并针对现场开展适应性评价研究，完善配套技术，从而开展 现场试验，扩大抽油机井自动监控技术在华北油田第四采油厂的应用。 在理论研究的基础上，通过建立深井泵工作状态与油井液量关系的力学与数学模 型，采用矢量特征法对泵功图进行分析及故障进行识别，并考虑气体、结蜡等因素对泵 功图有效冲程的影响。以实现油井计量从过去的站内移至井口，取消计量站及计量管线， 解决油井单井计量问题。此技术的推广应用在降低投资、减少人力、提高生产管理水平 方面，具有良好的经济效益和推广应用前景。 从理论上讲，示功图可以表示每次抽油的产液量。深井泵的功图不仅直接反映泵的 工作情况，而且反映泵内流体的充满程度。因此，用现场采集的功图数据，可以分析每 个冲程中泵内液体的充满程度，把泵筒作为计量容器，计算出每个冲程的抽汲量，即可 计算单井产液量。 针对油井远程自动监测与工况分析技术的技术特点，结合生产现场实际情况，确定 该技术应用条件和适用范围，逐步修改、完善数据分析算法和现场数据采集手段，制定 可行的技术实施方案，以满足现场应用的需求。现场技术方案实施中，通过系统的技术 应用试验分析的方式，开展技术应用效果验证与分析，研究抽油井在线运行的安全监测、 故障诊断技术，确立危险识别、应急预警的数字化快速处理机制，形成完整的生产自动 化管理体系，为今后规模应用和方案设计提供技术支持。 5 第二章油井工况监测分析方法研究 第二章油井工况监测分析方法研究 抽油机地面示功图是将抽油机井光杆悬点载荷变化所作的功简化成直观封闭的几 何图形，是光杆悬点载荷在动态生产过程中的直观反映，是油田开发技术人员必须掌握 的分析方法。抽油井工况检测分析技术是通过建立有杆泵抽油数学模型，以地面测试示 功图为基础，得到井下示功图和其它某些参数来实现故障诊断。 2 1 抽油机井示功图计算 在抽油井抽油过程中，抽油井驴头悬点要承受多种载荷，除了抽油杆自重、液柱重 量等静载荷外，还有惯性载荷、振动载荷等动载荷以及各种摩擦载荷。在抽油井驴头悬 点上下往复运动过程中，上述各类载荷均做周期性变化【4 10 0 。 理想条件下泵的工作过程和载荷转移情况是：泵的活塞在泵筒内作往复运动，活塞 在最低位置时，两个阀之间有一余隙，此余隙内充满了液体；当活塞下行程快接近下死 点时，固定阀处于关闭状态，游动阀处于打开状态，此时，活塞上下液体连通，光杆上 只承受抽油杆杆柱在油中的重量，油管承受了全部液柱重量；当活塞到达下死点开始上 行程的瞬间，游动阀立即关闭，使活塞上下不连通；活塞要推动它上面的液柱向上移动， 这时液柱的重量就加在了活塞上；并通过抽油杆加在了光杆上( 光杆此时还承受抽油杆 管柱在油中的重量) ；油管此时只承受它与活塞之间环形截面上液柱的重量；在下死点 前后，抽油杆杆柱上多了一个活塞截面以上液柱的重量，油管上少了一个活塞截面以上 液柱的重量。这时，就要发生弹性变形，油管就要缩短，抽油杆就要伸长( 细长的油管 和抽油杆杆柱，本身是一个弹性体，在负荷变化时，就产生相应的变形，其变形的多少 和负荷变化的多少成正比) 。这时，光杆虽然在上移，但活塞相对于泵筒来说，实际未 动，这样就画出了示功图中a b 斜直线，它表示光杆负载增加的过程，称为增载线。 当弹性变形完毕光杆带动活塞开始上行( b ) 点固定阀打开，液体进入泵筒并充满活 塞所让出的泵筒空，此时，光杆处所承受的负载仍和b 点时一样没有变化，所以画出一 条直线b c 。当活塞到达上死点，在转入下行程的瞬间，固定阀关闭，游动阀打开，活 塞上下连通。活塞上原来所承受的液柱重量又加在油管上。抽油杆卸掉了这一载荷，油 管上加上了这一载荷，于是，二者又会发生弹性变形，这时，油管伸长，抽油杆杆柱缩 短，光杆下行，活塞相对于泵筒没有移动，于是画出了c d 斜线。它表示了光杆上负荷 减少的过程，称为卸载线。当弹性变形完毕，活塞开始下行，液体就通过游动阀向活塞 以上转移，在液体向活塞以上转移的过程中，光杆上所承受的负载不变，所以画出一条 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 和b c 平行的直线c d 。当光杆行到下死点，在下行程完毕上行程又将开始的瞬间，游 动阀关闭，负荷又发生转移，开始了一个新的往复，这样就画成了一个封闭的曲线，这 就形成了示功图曲线，如图2 1 。 p s 图2 - 1 抽油机井理想理论示功图 f i 9 2 - 1 t h ei d e a lt h e o r e t i c a ld y n a m o m e t e rc a r df o rr o dp u m p e dw e l l 示功图表示了光杆受力情况和位置的关系，理想条件示功图具有平行四边形模样， 横坐标表示按比例记录光杆移动的距离；纵坐标表示按比例记录光杆上的负荷；曲线圈 闭面积的大小表示了泵做功多少。 抽油井工况检测分析技术是通过建立有杆泵抽油数学模型，以地面测试示功图为基 础，得到井下示功图和其它某些参数来实现故障诊断。利用实测示功图可求得悬点实际 载荷，用于机、杆、泵的工作状况分析( 诊断) 。 在抽油井抽油过程中，抽油井驴头悬点要承受多种载荷，除了抽油杆自重、液柱重 量等静载荷外，还有惯性载荷、振动载荷等动载荷以及各种摩擦载荷。在抽油井驴头悬 点上下往复运动过程中，上述各类载荷均做周期性变化。反映抽油机悬点载荷随其位移 变化规律的图形称为光杆( 地面) 示功t 羽( w x s = 功) 。取得地面示功图的简单准确的办法 是利用示功仪对实际抽油井进行实测，利用实测示功图可以求得悬点实际载荷。 在由下冲程转为上冲程时，悬点载荷由w 变为形+ 哌，增加了载荷彰，会使细长 的抽油杆柱伸长。而在由上冲程转为下冲程时，悬点静载荷由形+ 形变为形，减少了 载荷，会使抽油杆柱缩短如图2 2 。在静载荷差作用下，抽油杆柱伸长或缩短的变形 量可根据虎克定律确定： 4 = w l p 仁4 ) = 耳w l p ( 2 1 ) e = 1 怛4 )( 2 - 2 ) 式中，以为抽油杆柱静载变形，m ；e 为抽油杆弹性模量，钢材为2 1 2 1 0 8k p a ；e ， 7 第二章油井工况监测分析方法研究 为抽油杆弹性常数，1 斟。 如果油管底部不锚定，在由下冲程转为上冲程时，随着游动阀关闭，固定阀打开， 在抽油杆柱增载彰的同时，油管柱会减载哌，使油管柱缩短。同样，在由上冲程转为 下冲程时，油管柱会增载，使油管柱伸长。油管柱在静载作用下的变形量为： 4 = 彰厅e 4 夕= 互呒l v ( 2 3 ) 巨= 1 c e - 4 夕( 2 4 ) 式中，以为抽油杆柱静载变形，m ；a ，为油管金属横截面积，m 2 ；e 为抽油杆弹性常 数，k n 一。 总的静载变形量力为抽油杆柱和油管柱两部分静载变形之和： 名= 乃+ 以= ( 巨+ 巨) 形l v ( 2 5 ) 在抽油杆伸长和油管柱缩短变形期间，虽然悬点在向上运动，但柱塞与泵筒之间并 无相对运动。此时，游动阀虽已关闭，但固定阀尚未打开，因而抽油泵并不抽油。只有 当悬点向上位移超过力以后，也就是当抽油杆柱和油管柱静载变形结束后，柱塞和泵筒 之间才产生相对运动，固定阀才打开，柱塞才开始抽油。同理，在下冲程时开始阶段， 虽然悬点向下运动，但由于杆柱缩短和管柱伸长，柱塞与泵筒之间也无相对运动。此时， 只有当悬点向下位移超过旯以后，柱塞与泵筒之间才产生相对运动，游动阀打开，柱塞 下面液体才被排到上面来。因此，在静载荷作用下，抽油泵柱塞的冲程长度s 。较抽油机 悬点的冲程长度s 减少变形量力，故名也称静载冲程损失。 s 。= s 一2 ( 2 6 ) 悬点静载荷随悬点位移的变化规律为平行四边形a b c d ，此图称为静载理论示功 图。图中的a b c 为上冲程静载变化线，其中a b 为加载线。这一加载过程中，游动阀 和固定阀均处于关闭状态，b 点加载结束。因此b b = 五，此后柱塞与泵筒开始发生相 对位移，固定阀开始打开吸液进泵，故b c 为泵的吸入过程，且b c = s 。c d a 为下冲 程静载变化线，其中c d 为卸载线。卸载过程中，游动阀和固定阀均处于关闭状态，到 d 点卸载结束，因此d d ：a ，此后柱塞和泵筒之间开始发生位移，游动阀被顶开，泵开 始排液。故d a 为泵的排液过程，且d a = s 。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 w l 睚 1 _r1 _rl b b i c jl 1ra jl p d 7 1r l j -s p - l i j - s 图2 - 2 抽油机井静载理论示功图 f i 9 2 - 2 t h e d e a dl o a dt h e o r e t i c a ld y n a m o m e t e rc a r df o rr o dp u m p e dw e l l 在抽油机冲次较低而泵挂又不深的油井，实测示功图可能接近静载荷理论示功图。 其它情况下，实测示功图与理论示功图可能会有较大差异。实际生产中抽油杆是要承受 静载和动载的。由于抽油杆有惯性动载荷，柱塞在泵筒内运动时有摩擦力，液体举升过 程中与管壁和杆柱有摩阻，抽油杆接箍与油管内壁有摩擦，所以上冲程时a 、b 点偏高， 下冲程时c 、d 点偏低，p l 和p 2 是动载荷影响的值。如图2 3 所示。 图2 - 3 抽油机井动载荷理论示功图 f i 9 2 3 t h ed y n a m i cl o a dt h e o r e t i c a ld y n a m o m e t e rc a r df o rr o dp u m p e dw e l l 由于动载荷的影响，示功图的上、下行程不是水平的，但只要b c d a ，而且a b c d ， 就是泵工作正常。否则就是泵出现了问题。上图中所示的行程线与水平线之间的夹角a 越大，说明动载越大，另外冲数越快，动载也越大。 2 2 实际示功图分析 在实际工作中是以实测示功图作为分析抽油泵工作状况的主要依据，实测示功图作 9 第二章油井工况监测分析方法研究 为记录抽油机井泵工况的曲线载体，能反映出泵发生的各类异常现象，结合地质资料、 井下技术状况、油井近期生产资料，可有效的进行机、杆、管、泵的工作状况分析( 诊 断) 【5 1 。由于抽油井的情况较为复杂，在生产过程中抽油泵将受到制造质量、安装质量以 及砂、蜡、水、气、稠油和腐蚀等多种因素的综合影响。在分析过程中既要依据示功图 和油井的各种资料作全面分析，又要找出影响示功图的主要因素。典型示功图是指某一 种因素的影响十分明显，其形状代表了该因素影响下的基本特征。虽然实际情况下有多 种因素影响示功图的形状，但总有其主要因素。所以，示功图的形状也就反映着主要因 素影响下的基本特征【1 3 】。 2 2 1 泵正常工作 最丈载荷：4 8 3 0 i d l最小载而：9 1 0 埔 图2 _ 4 抽油机泵工作正常示功图 f i 9 2 - 4t h ew o r k i n g o r d e rd y n a m o m e t e rc a r df o rr o dp u m p 图2 4 为最理想的地面示功图( 无气，多水，供液充足的正常示功图) ，充满系数1 0 0 ，特征为平行。对这类油井需加强开采，以求最大产量，发挥出井筒的应有产能水平。 2 2 2 供液不足 图2 5 为油井供液不足时的地面示功图。特征为上，下平行、左右平行，图形右下 角缺失一块，增载正常卸载慢。主要进行油层改造，改善供液条件、机抽参数。对于泵 挂较深井可采取长冲程、小泵径、慢冲次；泵挂相对较浅的井，在井况及抽油设备允许 情况下，加深泵挂深度，以求得最大泵效。 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 2 2 3 油稠 载荷( ) 2 0 0 8 一t 1 41 3 ：1 7 ：0 0 7 0 5 6 4 2 2 8 0 p - o 一秘 厂一 l l f j 剿 01 2 2 43 64 8 冲程：5 o o m 冲、尖：3 g o m i n 最犬载葡：5 3 3 0 k i t最小载荷：1 4 1 0 k n 6 位移( i r ) 图2 - 5 供液不足示功图 f i 9 2 5t h ed e f i c i e n tf e e df l o wd y n a m o m e t e rc a r d 载荷( 姆) 2 0 0 8 0 l 。2 61 4 ：4 5 ：4 0 l 8 0 6 0 = t o 0 f 一、h 。一j f r l 。 - - _ - _ - _ - - _ l - - 一_ - 一一_ _ 1 - h 0 1 22 43 64 8 冲程：5 0 5 m 冲次：4 2 8 m i n 嚣我苟：8 4 8 】 量小载苟：2 58 7 w 图2 - 6 油稠示功图 f i 9 2 - 6 t h ed y n a m o m e t e rc a r df o rv i s c o u sc r u d e 1 1