油井动液面检测新技术(精选PPT)

在线式动液面监测智能间开控制创新技术及装备 1 2020 4 21 油田抽油机是一种大惯量变化负载 所采用的拖动设备是三相异步电机 普遍存在效率低 功率和速度无法调整 上 下冲程速度不可调 功率因数低等弊端 油田西部是高产量油井而东部大部分是典型的低压 低渗 低产的 三低 油气井 西部油井采用工频运行 靠皮带轮调参 东部大部分采用工频间抽运行 在管理上每组抽油机组分布在不同的范围 设备运行状况无法集中控制监控管理 存在对设备的控制操作要花费大量的时间和路程 设备的参数运行状态数据无法监控采集等现状 这种采油方式相当于闭着眼睛 存在有油无油都在抽 液位高低同样速度抽的现象 存在效率低 能耗大 设备损耗大 维护工作量大等弊端 一 概述 Part1 Part2 Part3 Part4 Part5 2 2020 4 21 针对 油田现状 为最大限度的提高油井产量 降低开采能耗 将目前先进的抽油机变频控制技术和实时液位监测技术相结合 提出动态开采技术 技术的总体思路是在实时监控油井液面的基础上 根据当前液面高度实时调整抽油机冲次 在液面升高 供液充足时 提高控制器频率提高冲次 提高单位时间的产量 在液面降低 供液不足时 降低控制器频率 减少冲次或停机 在保证产量的同时 降低单位产量的能耗 系统总体框图如图1所示 图中在线液面检测仪完成油井液面实时监测 数据通过RS 485串行口向变频柜发送 变频柜根据当前液面深度动态调整抽油机的冲次 同时 系统数字化模块采集抽油机的工作参数 将油 二 总体思路 Part1 Part2 Part3 Part4 Part5 3 2020 4 21 井的工况发送至中控室 系统实现了动工况发送至中控室 系统实现了动态调参 节能降耗 现场无人值守 大大降低了生产成本 提高了生产效率 Part1 Part2 Part3 Part4 Part5 图1动液面控制抽油机智能控制系统 4 2020 4 21 图1中的动液面检测仪采用井内套管气发声 先进的信号处理技术和自动测试技术 设备简单可靠 节能环保 声枪有内爆外爆两种形式 以适用不同的套气压力 变频控制柜根据当前动液面数据及时调整抽油机冲次 实现动态调整抽油机制 实现节能 增产的目的 Part1 Part2 Part3 Part4 Part5 图2动液面控制抽油机智能控制系统 5 2020 4 21 油井液面检测在油田开发 生产中有着广泛的应用 无论是采油 试油还是修井作业 油井液面的监测都是一项重要的工作 是安全生产 科学生产的重要保障 在油田的勘探开发过程中 利用连续实时监测液面动态数据 有助于分析 解释地层的有关参数 为试油井或采油井的下一步方案的制定提供相关的指导 针对易喷 易漏储层试油压井期间 可以准确计算出地层压力 在地层流体刚进入井筒时就发现溢流 并控制溢流 降低起下钻 电缆作业期间风险 在修井作业期间 监测液面变化情况 防止井涌 井喷等 因此 利用油井液面检测仪对油井内液面的准确测量 可以为试油抽汲制度或采油过程泵的各种参数的设置提供依据 减少抽汲车的空返或采油泵的功耗 提高泵效 有效 泵的使用寿命等方面都具有重要意义 Part1 Part2 Part3 Part4 Part5 6 2020 4 21 随着油井环境的复杂化和数字化测井的需要 对油井液面检测功能 性能提出了更高的要求 新的油井液面检测不仅需要提供更大的测量深度和更高检测精度 同时 为及时获取油田储量数据需要动态检测油井液位 要求仪器提供自动 连续测试功能和远程数据传输 控制功能 目前 动液面的监测方式主要有下压力传感器测试 放空炮弹 气动声源测试等方式 由于压力传感器测试和放空炮弹方式存在操作不方便 缺乏安全性和可靠性等问题 不适合用作动液面在线监测 综合各种因素 我们决定采用气动声源的液面在线监测技术 Part1 Part2 Part3 Part4 Part5 7 2020 4 21 油井液位深度检测仪基本原理是声纳系统的回声定位法 声波由发射器发出之后 经传播介质到达探测目标 然后 声波被目标反射返回到发射点 被接收换能器收到 换能器通过电 声转换将声能转换为电信号 电信号经过放大 滤波和各种处理 最后处理结果馈至显示 控制系统 在以上过程中 声波信号往返时间可以通过处理得到 结合自动控制技术 实现声波的定时发射 数据采集 分析 信号处理 数据上传等技术 完成在线液面的自动监测 Part1 Part2 Part3 Part4 Part5 8 2020 4 21 Part1 Part2 Part3 Part4 Part5 液面波 数据波形 9 2020 4 21 现场变频控制柜 10 2020 4 21 现场控制屏 11 2020 4 21 远控上位机截图 12 2020 4 21 动液面测试仪 13 2020 4 21 动液面测试数据1 14 2020 4 21 动液面测试数据1 15 2020 4 21 动液面测试数据1 16 2020 4 21 一矿螺杆泵动液面智能控制现场1 17 2020 4 21 一矿螺杆泵动液面智能控制现场2 18 2020 4 21 一矿螺杆泵动液面控制仪安装现场 19 2020 4 21 波形图1 20 2020 4 21 波形图2 21 2020 4 21 动液面测试仪 22 2020 4 21 测试数据1 23 2020 4 21 测试数据2 24 2020 4 21 地点 8183井场时间 第一阶段 控制状态 2011年8月2日至8月5日第二阶段 初始状态 2011年8月8日至8月11日内容 对8183 1 8183 6 8183 7 8183 8四口井进行测试 控制 计量 计量项目包括产液量 启停时间 产液量及用电量 方式 24小时在线监测 三 测试内容 测试报告 25 2020 4 21 通过动液面测定仪对动液面的监控 合理设定沉没度位置 沉没度低 无油出时就停抽 沉没度达到一定值就及时启抽 使始终保持油层具有较好的渗透环境 从而提高抽油机利用率 达到节能增产的目的 四 原理 测试报告 26 2020 4 21 系统结构示意图图 1 27 2020 4 21 产液量对比表表 1 1 产液量对比 五 测试结果 测试报告 28 2020 4 21 产液量对比表表 2 1 产液量对比 五 测试结果 测试报告 29 2020 4 21 用电量对比表表 1 2 用电量对比 五 测试结果 测试报告 30 2020 4 21 用电量对比表表 2 2 用电量对比 五 测试结果 测试报告 31 2020 4 21 3 经济效益分析 五 测试结果 测试报告 32 2020 4 21 根据上表可以得出 每口油井每日增产量为0 19吨 用电量增加量为5 17kWh 按照厂家给出的一台控制设备的报价为5 28万元 每吨原油的价格5000元 每度电的价格0 5元 可以计算出其回收期为 每口井每年的效益 0 19吨 5000元 5 17kWh 0 5元 365天 345806 47元 即使用该装置后每口井每年的效益为34 58万元 回收期 52800元 345806 47元 0 15年 很短的时间内即可收回投资成本 测试报告 33 2020 4 21 从现场和测试数据对比中 可见应用了超低频宽声带次声波声纳技术 实现在线式动液面监测控制 相当于给间开井的抽油机安装了一双眼睛 时时刻刻监视油井的动液面位置 达到了油井有油就自动抽取 没油时就自动停机 这种智能量化控制科学技术 使间开井的日产液量提高的数字是相当可观的 这对采油厂实现提高年产量是一项科学又有效的技术和装备 现用的固定时间间开井控制 是用每天抽8小时 停16小时的运行方式 经监测发现 每天抽8小时 而实际抽到油的时间基本上都仅在4小时以内 显然有一半的时间是空抽的状态 而停抽的16小时的时段内 油井的液面很高 却没有抽取 显而易见 现形的开8小时 停16小时的运行方式是不够科学的 六 总结 测试报告 34 2020 4 21 1 控制状态下的抽油机运行时间表 附 35 2020 4 21 附 36 2020 4 21 附 37 2020 4 21 附 38 2020 4 21 由以上各表得出各测试井日用时及3天平均日用时如下 附 39 2020 4 21 2 测试数据统计 附 40 2020 4 21 2 测试数据统计 附 41 2020 4 21 3 JQ CDK 型抽油机动液面智能控制装置报价表 附 42 2020 4 21 液面反射 节箍波 8183 7井数据回放 43 2020 4 21 两种模式下平均产量对比试验数据 44 2020 4 21 两种模式下平均运行时间比对 试验结论 通过以上试验数据分析表明 通过实时监测油井液位 根据当前液位调整抽油机的冲次和时间可以极大提高油井产量 尽管大多数井的日平均运行时间有所增加 单位时间产油量大大增加 利用动液面作为控制源实现智能控制采油技术有着广阔前景 45 2020 4 21 传统的低压 低渗 低产的 三低 油气田的开采 抽油工艺多采用固定时间间抽模式 传统模式所存在的缺点在于没有细分不同油井的特性 在井内供液不足时 抽油机不可避免出现空转 无谓消耗电能 增加设备的磨损 严重情况下可能会烧泵 螺杆泵 在井内供液充足时 抽油机可能在停机状态 不能尽快地将油采出 不仅影响产量 还会增加地层压力 不利于原油渗透 本项目的创新点在于引入油井液面的自动监测技术 在实时液面监测的基础上 自动调整抽油机参数 达到节能 降耗 增产 高效的目的 动液面控制抽油机智能控制系统软件配置 电机变频控制软件 见软件附录智能自动运行参数控制软件 见软件附录远程通讯驱动软件 见软件附录现场数据读取操作程序 见软件附录动液面控制抽油机智能控制系统技术特点 技术内容 46 2020 4 21 1 智能变频控制 具有变频控制功能 通过采集现场数据分析抽油机运行工况 自动调整抽油机运行参数 见软件附录2 配置合理 具有很强的现场适应能力 3 具有多种类型的输入 输出信号 可直接接入两线制仪表 可检测冲次 电量参数等不同类型的信号 并可以控制电机启停 4 多种控制功能 实时控制抽油机控制器内部集成多种控制算法 对抽油机实现空抽控制 间抽控制 节能控制 负荷超限控制等控制功能 5 兼容性好 采用多种标准的通讯协议 支持标准的ModbusRTU ModbusASCII通信协议 TCP IPMODBUSRTU通讯协议 47 2020 4 21 5 兼容性好 采用多种标准的通讯协议 支持标准的ModbusRTU ModbusASCII通信协议 TCP IPMODBUSRTU通讯协议 6 完备的供电 检测 操作 安装 防护设计 用户无须二次配置 外加保护箱 可很好地起到了防雨 防晒 防尘的作用 7 工业标准设计 适合于各种恶劣环境 8 内部器件均选用优秀的工业级产品 具有卓越的温度特性 可在恶劣环境下工作 使用温度可达 40 70 存储温度达 50 80 9 性能可靠 为用户提供了优质的保证 48 2020 4 21 与目前国内外同类产品比 本项目所用在线液面监测仪具有如下技术优势 1 采用专用的高灵敏度微音器及先进的信号处理技术 提高动液面测试的精度和测深范围 可达3000米 2 利用接箍波实时测量声速 使得动液面的测试结果可靠 3 灵活的测试方式 可实现在线监测 测试间隔可根据客户需求进行设置 4 设计多种信号输出 包含RS 485 RS 232串行口 以太网口 模拟4 20mA接口 多种接口可以方便液位仪与不同的控制设备形成有机系统 技术指标先进性 49 2020 4 21 油井要保正产量 只能全天运转 产生大量的的浪费 采用定时开关的办法 即运转12个小时 停机12个小时 这样的办法虽然可以减少了电能的消耗 但同时也成比例的减少了油井的产量 同时这种方法需采油工人定时现场操作 工人的劳动强度较大 这样的情况造成平均一天之内有占五分之四多的时间 近20个小时的电能是被白白浪费掉的 按抽油机的功率5 22千瓦计算 一天的单台所浪费电能达到100 400度左右 浪费的电费 按每度电6角 为60 240元 结果导致了在油田生产中存在着一种 以电换油 的无奈之举 抽油机所开采的原油 基本上是用同等价值的电能换来的 50 2020 4 21 在以15KW抽油机统计数据分析 采用抽油机动液面智能控制系统抽油节电统计如下表所示 51 2020 4 21 对动液面控制抽油机智能控制系统的节电分析 按年均单井节省电费3万余元 平均吨油成本节省年均单台节省电费6万余元 平均吨油成本节省200余元 从上表分析 节电效果是非常可观的 新技术的应用可以大幅的降低每吨油所需的耗电成本 同时 由于抽油机运行时间少 对机器的磨损少 另一方面设备的耗材费用也相应降低 上述分析列出了单台的节电成本 对于拥有上万台抽油机的采油企业 其年均所能够带来的节省电费将达到数千万甚至上亿 节电成果相当可观 52 2020 4 21 动液面控制抽油机智能控制系统能够根据油井的出油情况 来控制抽油机的运转 从而实现节能降耗 扩大吨油效益 同时本项目采用的新技术针对油田抽油机在节能方面上存在的问题 建立了一套系统的 精确的油井出油检测记录的方法 准确地对抽油机运行状况进行监测 分析 通过精确的时间控制使抽油机工作在最佳状态 解决抽油机地面开采的高耗能问题 从而给油田生产管理和节能工作带来可观的经济效益 53 2020 4 21 石油属于不可再生能源 电能也是不可再生的能源 用于发电的主要的原材料煤也是不可再生能源 对于不可再生能源 要尽量减少求其的消耗 保证人类使用能源的安全 在现在国家处于电力紧张的情况下 经常出现 电荒 拉闸限电 的状况 尽管国家要保证原油生产一线的电力供给 但如能够加大幅度减少原油生产过程的电力需求 也能从一定程度上缓解电力紧张的状况 国家下发的 十二五 碳强度减排指标综合实施方案中 将碳排放强度指标下发到各省市 该方案涉及了指标的分配 实施以及考核机制 十二五 期间 我国确立了单位GDP能耗下降16 以及单位GDP碳排放强度下将17 的目标 从 低碳经济 的角度来讲 100度电的碳排放量为78 5公斤 按18kw每台每年节省电力10万度来算 安装节电控制器的抽油机每年减少碳排放为78 5 1000 78500公斤 即7 85吨碳排放 每万台的年碳排放量将减少7 8万吨 这是一个非常可观的数字 能够有效的降低单位GDP的碳排放强度 综上所述 采用动液面控制抽油机智能控制系统能够带来巨大的经济效益与社会效益 社会经济效益 54 2020 4 21 附录一 现场实验照片 高52电声法测试现场1 55 2020 4 21 附录一 现场实验照片 高52电声法测试现场2 56 2020 4 21 附录一 现场实验照片 高52套压法测试现场1 57 2020 4 21 附录一 现场实验照片 高52套压法测试现场2 58 2020 4 21 附录一 现场实验照片 8183井场套压法测试现场1 59 2020 4 21 附录一 现场实验照片 8183井场套压法测试现场2 60 2020 4 21 附录一 现场实验照片 姚三增11 24井场套压法调试现场2 61 2020 4 21 附录一 现场实验照片 姚三增11 24井场套压法调试现场3 62 2020 4 21 附录一 现场实验照片 姚三增11 24井场套压法调试现场4 63 2020 4 21 附录一 现场实验照片 姚三增11 24井场套压法调试现场5 64 2020 4 21 附录二 软件附录 数据读取软件 65 2020 4 21 附录二 软件附录 远程通讯软件 66 2020 4 21 附录二 软件附录 自动调参软件 67 2020 4 21 附录二 软件附录 68 2020 4 21 附录二 软件附录 变频控制软件 69 2020 4 21 附录二 软件附录 70 2020 4 21 附录二 软件附录 71 2020 4 21 附录三 动液面回波信号解析原理 目前各油田普遍采用的是低通滤波后的幅值识别方法 由于受长距离衰减和复杂背景噪声的影响 液面回波经常会淹没在噪声之中而误判 甚至无法识别 液面回波具有短时过零率较低的显著特征 我们采用了一种综合识别方法 该方法以短时过零率函数与新定义的短时幅度函数构造出了短时幅度 过零率函数 逐帧地对回波信号进行处理 以使液面回波凸显 通过阈值方法可确定液面回波到达时刻 井内数千米长的油管是由许多节长度基本一致的短油管连接而成 在两节油管的连接处存在向外凸出的接箍 声波在向下传播的过程中 会遇到接箍和液面反射 形成回波 由于高频声波衰减较快 而抽油井液位又较深 因此实际测量中只有爆炸声源中的频率相对较低的成分才能返回 形成一段液面回波 如下图 72 2020 4 21 附录三 动液面回波信号解析原理 由图可以看出 油井液面回波清晰可辨 其与前后相邻信号段相比 具有较大的峰值优势 通过低通滤波后识别峰值即可识别出液面回波 下图是传统的处理方法 73 2020 4 21 附录三 动液面回波信号解析原理 由图可以看出 油井液面回波 模糊 峰值1与液面回波的峰值大小相当 液面回波巳不具有明显的峰值优势 通过传统的低通滤波后的峰值识别方法已很难识别出液面回波 74 2020 4 21 附录三 动液面回波信号解析原理 高频信号由于衰减较快而无法从液面返回 因此所能接收到的一段液面回波主要集中在低频 低频信号一般具有较低的短时过零率 即使在液面回波中混有较高频率的背景噪声 也更多的是使得液面信号形成毛刺 而不会使液面回波段的短时过零率显著增加 对于较深的油井来说 与液面回波段前后紧邻的信号段主要是围绕零电平上下波动的背景噪声 这一特征更是几乎成为识别液面回波的唯一特征 显显而易见 如果在液面回波识别中引入短时过零率这一参数 并结合短时幅度函数 可提高对液面回波的识别能力 适当选择幅度敏感因子可削弱某些干扰峰值的影响 同时又能保留液面回波段的整体幅度优势 从而可在一定程度上提高识别能力和降低误判 为此 将短时幅度函数和短时过零率函数相结合定义一个新函数 我们正是利用这一函数自动解算液面深度 75 2020 4 21 附录三 动液面回波信号解析原理 短时幅度函数模型设回波信号的时域采样值为x n 帧移为M 帧长为N 窗函数为w n 加窗分帧处理后得到的第m帧信号为Xm n Xm n W n X mM M n 1 式中 m 1 2 3 0 n N一1 W n 方窗 即如式 2 表示 为表示一帧信号的幅度水平 新定义了一个函数 称之为短时幅度函数 设第m帧信号Xm n 的短时幅度函数用Sm表示 其计算公式如式 3 76 2020 4 21 附录三 动液面回波信号解析原理 式中 0 在此称之为幅度敏感因子 表示短时幅度函数S对一帧信号中高幅度值的敏感程度 越大 Sm对高幅度值越为敏感 即此时Sm的大小主要取决于该帧信号中的高幅度值 越小 Sm对一帧信号中的高幅度值越不敏感 此时Sm更主要地取决于该帧信号的整体幅度水平 短时过零率函数第m帧信号X n 的短时过零率Z表示该帧信号波形穿过横轴 零电平 的次数 它可以用取样符号改变的次数来计算 式中 sgn 符号函数 即 77 2020 4 21 附录三 动液面回波信号解析原理 短时幅度 过零率函数模型图1给出了抽油井液位测量的示意图 井内数千米长的油管是由许多节长度基本一致的短油管连接而成 在两节油管的连接处存在向外凸出的接箍 声波在向下传播的过程中 会遇到接箍和液面反射 形成回波 图1抽油井液位测量示意图 78 2020 4 21 附录三 动液面回波信号解析原理 由于高频声波衰减较快 而抽油井液位又较深 因此实际测量中只有爆炸声源中的频率相对较低的成分才能返回 形成一段液面回波 图2给出了某两I l油井的回波曲线 标出的液面回波位置是由实际下泵深度准确确定的 为减小干扰 回波信号经过了低通滤波 图2某两口井的回波曲线 79 2020 4 21 附录三 动液面回波信号解析原理 从图2可以看出 对于井 a 液面回波清晰可辨 其与前后相邻信号段相比 具有较大的峰值优势 通过低通滤波后识别峰值即可识别出液面回波 对于井 b 液面回波 模糊 峰值1与液面回波的峰值大小相当 液面回波已不具有明显的峰值优势 通过传统的低通滤波后的峰值识别方法已很难识别出液面回波 但液面回波段具有总体幅度优势 如上所述 高频信号由于衰减较快而无法从液面返回 因此所能接收到的一段液面回波主要集中在低频 低频信号一般具有较低的短时过零率 即使在液面回波中混有较高频率的背景噪声 也更多的是使液面回波形成 毛刺 而不会使液面回波段的短时过零率显著增加 对于较深的油井来说 与液面回波段前后紧邻的信号段主要是围绕零电平上下波动的背景噪声 具有较高的短时过零率 从图2中可以清楚地看出这一特征 特别是对于井 b 这一特征更是几乎成为识别液面回波的唯一特征 80 2020 4 21 附录三 动液面回波信号解析原理 显见 如果在液面回波识别中引入短时过零率这一参数并结合上述定义的短时幅度函数 可提高对液面回波的识别能力 适当选择幅度敏感因子可削弱某些干扰峰值 例如图2中井 b 的峰值1 的影响 同时又能保留液面回波段的整体幅度优势 从而可在一定程度上提高识别能力和降低误判 为此 将短时幅度函数和短时过零率函数相结合定义一个新函数 在此 称之为短时幅度 过零率函数 如式 6 式中 m 帧数 f Sm Sm的函数 f Zm Zm的函数 且f Zm 0 为拉大液面回波帧与非液面回波帧的计算差值 选择如下函数形式 81 2020 4 21 附录三 动液面回波信号解析原理 式中 a b 凸现过零率特性 a b 1 选择a b 0 1 用以确保f Zm 0 同时又能最大程度地降低对过零率特性的影响 当采用上述方法识别出液面回波时 液面回波段所对应的Km与前后相邻段相比具有显著的数值优势 通过阈值方法或其他方法可确定液面回波达到时刻 82 2020 4 21 附录三 动液面回波信号解析原理 实例计算与参数选择1 实例计算图3给出了另两口井的回波曲线 标出的液面回波位置也是由实际下泵深度准确确定的 其中井 d 的液面回波模糊不可辨 通过传统方法无法识别 取 2 a 1 b 2 1 10 并在帧长N 150 帧移M 1的情况下分别对图2中的井 a b 和图3中的井 c d 的回波数据逐帧计算 总计算帧数为式 8 的整数部分 式中 m 总计算帧数 No 回波的总采样点数 N 帧长 M 帧移 以顺序计算的信号帧的帧数m为横坐标 结果如图4一图7 83 2020 4 21 附录三 动液面回波信号解析原理 图3某两口井的回波曲线 图4井 a 的计算结果 84 2020 4 21 附录三 动液面回波信号解析原理 图5井 b 的计算结果 图6井 c 的计算结果 85 2020 4 21 附录三 动液面回波信号解析原理 图7井 d 的计算结果 从图2 图7中可以看出 对于液面回波清晰可辨的井 a 和井 c 来说 识别效果得到了一定程度的提高 特别是对液面回波模糊不可辨的井 b 和井 d 来说 已能清楚地识别出原本难以识别的液面回波 在识别出了液面回波的情况下 可以认为图4 图7中的G点对应于液面回波到达时刻 86 2020 4 21 附录三 动液面回波信号解析原理 2 幅度敏感因子 的影响及选择在回波信号中 当存在幅度比液面回波的峰值大很多的干扰幅值时 如果幅度敏感因子又选择得较大 有可能使异常干扰所在的某一帧信号的短时幅度接近于甚至大于液面回波帧的短时幅度 从而会使液面回波帧的幅度优势削弱甚至完全丧失 我们以井 C 为例进行说明 井 C 的回波信号中存在一个较大的局部峰值1 它比液面回波信号的峰值要大 图8中的