CN100404786C - 功图法油井计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油田抽油机井产出液计量的方法及其采用的装置。在分析抽油杆柱、油管柱、液柱三个系统的三维空间振动，其位移、速度、应变、应力和负荷与时间关系，并研究三个系统的受力和位移相互耦合的基础上。利用载荷、位移传感器采集油井相关数据，通过计算机进行处理，计算出抽油泵有效冲程，实现了油井产液量的计量。本发明在计量油井产出液的同时，还时刻对油井工作状况进行诊断分析及对油井远距离监控。

Description

功图法油井计量装置

技术领域

本发明涉及一种油田抽油机井产出液计量的方法及其采用的装置。该产出液计量技术既适应于新开发油田自动化计量建设，也适应于老油田地面计量系统改造。

背景技术

目前，国内油田油井产出液计量主要采用双容积单井计量、井口翻斗计量、活动计量车计量，以及液面法等技术手段计量。

1.双容积单井计量：这是一种最通用的计量方法，即按井组分别将每一口油井的产出液通过出油管道输送到计量站，进入油气分离器、经气液分离后，对产出液进行计量，然后经齿轮泵输入集油管线中，输入接转站。该方法计量简单、运行可靠，但需配套建设相应地面设备流程，该方法如中国专利，公告号为2660118的油井单井计量装置。分离器中部有进液管，上部有出气管，下部有出液管。在出气管线上有气体流量计和温度变送器。在出液管上串联有电磁阀和含水分析仪。在分离器上部有压力变送器。分离器上安装有浮子式液位控制器。

2.井口翻斗计量：有些油田曾采用在井口用小型量油缸计量油井产量的一种方法。中国专利公告号为2672624的油井原油产量计量装置，公开了一种油井原油产量计量装置，其主体为两个对称设置的可翻转计量斗，两个计量斗联接一体、腔体为相互独立的结构；有支撑计量斗的支撑轴；有对计量斗进行限位的限位结构，并有对计量斗翻转次计数机构。实现了连续不间断计量。但由于该方法使用时需在井口安装计量罐及管阀等附件，还需改接油井管线，增加了单井设备及安装工作量。且该装置计量时受油井不规则出气产生的脉动气流影响，会导致流量计发生误翻，严重影响测试准确性。

3.活动计量车：由于该装置在计量时需要改接油井管线，准确性差，特别在冬天使用时，易造成管线堵塞。

4.液面法计量：通过测试油井液面恢复来预测油井出液量。对于出液不稳定、气体影响大的油井，测试液面为“视液面”，使得液面测试不准确。

另外，还有利用计算机采集数据、计算机处理，进行油井产出液计量的技术方案。如中国专利公告号为2543068，公开了一种全井制油井在线计量数据自动采集控制装置。一次仪表由控制传感器、控制阀构成，二次仪表由工业控制计算机、信号处理机箱、局域网控制服务器、终端机、打印机组成，信号处理机箱与工业控制计算机连接，工业控制计算机与打印机、局域网控制服务器连接，局域网控制服务器与终端机连接，安装在每一油井的管路的上端均与集油汇管连接，油井管路的上部连接有控制阀，温度传感器，油、气、水比例传感器，流量传感器，压力传感器，过滤器、控制阀、止回阀；井口管路的下部与掺水分管连接，掺水分管上连接有控制阀、水嘴、压力传感器；掺水分管的另一端与掺水总管连接。在油井产出液计量过程采用计算机处理，与以前技术相比有很大进步。由于现有的油、气、水比例传感器并没有研制成功，关键参数的采集不能得到保障，完成此技术方案有困难，真正进入现场实施更困难。

总之，以上油井产出液计量方法面临：①受计量装置的性能及技术的局限性限制；②计量数据录集时间短，低产油井存在产液间歇现象，短时间计量很难得出真实产液量；③需配备相应的地面管线及装置，投入费用比较高等诸多问题，难以满足低渗透油田油井计量及开发的低成本运行。采用常规的计量方法已难以满足油田计量要求。

发明内容

本发明的目的在于利用载荷、位移传感器采集油井井口功图数据，结合油井井液性质、抽油机型号、杆柱组合等主要参数，通过计算机进行处理，得到油井泵功图，再利用多边形逼近法和矢量特征法进行分析和故障识别，计算出抽油泵有效冲程，结合油层物性及生产参数得到油井井口产液量。为油田提供一种功图法油井计量方法及装置，提供一种高效的油井计量手段。并且，利用采集数据进行采油井故障识别与及时监控。进一步简化油田地面流程、减轻员工劳动强度、降低工程投资、提高经济效益，以实现油井计量的改革和油井自动化、科学化管理。

本发明的目的是这样实现的：

功图法油井产液计量技术基本原理与方法：

由于油井中抽油杆柱、油管柱、液柱三个系统的三维空间振动中，其位移、速度、应变、应力和负荷都与时间有关，并且三个系统的受力和位移是相互耦合的。因此从抽油机井系统受力分析入手，根据抽油杆、油管、液柱三个子系统在三维空间的振动互耦及杆、管、液三者之间的接触力和相应的摩擦力对系统轴向振动影响，采用载荷传感器和位移传感器测取抽油杆载荷和位移，利用抽油杆柱载荷和位移与时间的变化规律(地面功图)，分别建立抽油杆、油管有限元模型和液柱差分计算模型，然后迭代求解出深井泵口处载荷和位移与时间的关系(泵功图)，经计算机处理得出井下抽油泵有效冲程。抽油泵有效冲程与抽油泵活塞环形空间体积乘积，则是油井井口瞬时产液量，存入数据库。汇总后获得需要周期油井井口产液量。单位时间如一天、一周、一个月、一年等。

所述的井口测取抽油杆载荷是通过安装在井口悬绳器上的载荷传感器测取的；所述的井口测取抽油杆柱位移是通过安装在井口抽油机游梁下部的位移传感器测取的。

所述的抽油杆和油管有限元计算模型是：

①本研究中将抽油杆用有限单元法离散为若干个梁单元。用梁单元有限元法将抽油杆离散，在忽略了材料的阻尼及抽油杆的扭转后，梁单元在局部坐标系中的有限元平衡方程为：

$\left[M\right]\left\{\stackrel{..}{\mathrm{\δ}}\right\}+\left[K\right]\left\{\stackrel{.}{\mathrm{\δ}}\right\}=\left\{F\right\}+\left\{Q\right\}$

式中：M，K，δ，F，Q为系统的质量矩阵、刚度矩阵、单元位移矩阵、单元内力矩阵、单元外载矩阵。

②油管振动有限元力学模型

油管单元有限元平衡方程：

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_t{A}_{t}l}{6}\left[\begin{array}{cc}2& 1\\ 1& 2\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{..}{U}}_t\\ {\stackrel{..}{U}}_j\end{array}\right\}+\frac{E_t{A}_t}{l}\left\{\begin{array}{cc}1& -1\\ -1& 1\end{array}\right\}\left\{\begin{array}{c}{U}_i\\ U_j\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{X}_i\\ Y_j\end{array}\right\}+\left\{\begin{array}{c}{Q}_i\\ Q_j\end{array}\right\}$

式中：ρ_t-油管材料密度

      A_t-油管截面积

      E_t-油管材料拉伸弹性模量

所述的液柱差分计算模型是：

流体摩阻与液柱有限差分计算振动模型

$F_r=\frac{2\mathrm{\μ}(V_r-V_f)}{\ln (d/d_r)}[\mathrm{\π}+\frac{4A_c}{1d_r}]=c_r(V_r-V_f)$

$F_t=\frac{2\mathrm{\π\μ}(V_f-V_t)}{(d/d_t)\ln (d_t/d)}=c_t(V_f-V_t)$

式中：μ-流体动力粘度，       Ac-扶正器横截面积，

      Vr-抽油杆轴向运动速度， Vf-流体运动速度，

      Vt-油管速度，           dr-抽油杆直径，

      dt-油管内径；

d由下式确定：

$d=\frac{V_r-V_f}{\ln (d/d_r)}\frac{\ln (d_t/d)}{\ln (d/d_r)}{d}_t$

所述的深井泵口处载荷和位移与时间的关系是：

对抽油杆来说，共有四个边界条件，即井口位移和载荷，井底抽油泵的位移和载荷。在计量分析中，即已知井口的位移和载荷，通过力学计算求出在已有杆柱井底的载荷和位移。

位移连续条件：

u_f(L_f，t)＝u_s(0，t)

载荷连续条件：

$E_f{A}_f\frac{\∂u_f(L_f,t)}{\∂x}=E_s{A}_s\frac{\∂u_s(0,t)}{\∂x}$

为了提高采集数据准确率，载荷与位移数据采集同步进行；在抽油杆一个冲程周期内，测取数据组点大于200组；按5-10分钟的频率计算出一组被检测油井瞬时产液量数据。

为了集中管理的需要，上述技术方案中，可以在井口测取抽油杆载荷和位移数据后，采用远距离信息传输，将采集的信息传输到数据处理点后，进行处理。远距离信息传输的方法很多。可以采用有线传输，如光缆传输、电线传输；可以采用无线传输，如无线电波传输、卫星传输。

功图法油井产液计量技术所采用的检测装置包括：主要由现场数据采集和数据处理点两部分组成：

A、现场数据采集主要元器件，主要包括：电源、载荷传感器、位移传感器、RTU模块、数据传输接收设备、高增益全向天线

a.井场供电电源。

b.载荷传感器：载荷传感器安装位置在井口悬绳器上，当抽油机运动时传感器接受抽油杆悬点载荷，造成内部应变片发生变形，最终转化成为抽油机杆的载荷变化。载荷传感器量程为0～150kN。

c.位移传感器：由磁钢与霍尔探头两部分组成。在抽油机游梁与支架对应位置处分别安装磁钢与霍尔探头。当抽油机工作过程中游梁上下运动，霍尔探头与磁钢之间的距离变化，此时霍尔探头采集的信号强弱变化，经电路处理转化为电流信号，再经RTU处理后识别出上死点、下死点(计算周期，即冲次)，同时将游梁角度信号与载荷信号按等时间点数据对应获得功图数据，位移传感器量程0～5m。

d.RTU模块(远程数据控制终端)：RTU是系统硬件最主要的部分。专门完成油井数据采集和控制。它提供了多个与现场测试端的接口，可分别采集各类数据，并进行转换存储在临时寄存器当中，成为计算机可以识别的格式，并能通过输入程序实现对油井的控制。

e.数据传输接收设备：可利用数传电台、工业以太网、CDMA、GPRS、GSM等多种数据传输方式。

f.高增益全向天线：将采集数据向数据处理点多方向发送，具有低驻波比、风阻小、重量轻，架设简便等优点。

B、数据处理点：主要进行采集数据的接收与处理，采用站内电源供电，主要包括：中心天线、中心控制器、数据处理设备。

a.中心天线：设置在数据处理点内，用于接收各数据采集点传来的采集数据。

b.中心控制器：包括数据处理器、远距离通讯模块、服务器。

c.数据处理设备：计算机、打印机等。

为了适应油井现场安装条件，载荷传感器的结构是：在应变体内壁贴有应变片。应变体两端有外壳，其中一端外壳连接电路板保护罩和插头保护罩。应变片导线连接接线板和变送器电路板，变送器电路板输出端连接变送器插头。

为了适应油井现场安装条件，抽油杆柱位移传感器的结构是：在圆形探头底座内壁上固定有位移线路板和尼龙支撑片。探头底座端部有探头罩，探头底座另一端螺纹连接转接头。转接头螺纹连接保护接头和探头延伸管。位移线路板输出端连接有网状屏蔽电缆。网状屏蔽电缆穿过转接头、保护接头和探头延伸管中心孔。

简述功图法油井计量方法的装置安装以及工艺流程，有助于理解本发明技术方案。

1、通过安装在井口悬绳器上的载荷传感器和游梁下方的位移传感器，对抽油机井抽油杆载荷和位移进行测量。

2、载荷和位移电信号通过电缆线传至井组控制箱内控制终端，再通过井组天线，将采集数据以波的形式传至主站中心接收天线进行数据接收。

3、通过数据处理点(控制中心)无线服务器将接收到的信号转换为数字信号传至站内计算机。

4、利用计算机上的油井监测、计量软件对油井工况进行24小时连续监测并进行故障诊断分析和产液量计算。

经过计量分析计算后的油井产液量误差能够满足油田计量标准(《油田油气集输设计规范》SY/T 0004-98)要求。

本发明的有益效果是：本发明的上述油井产液计量方法和装置有重大的改进，功图法油井产液计量技术采用矢量特征法确定泵的有效冲程来计算油井产量，计量软件考虑了其它影响计量等因素的影响，通过对油井示功图自动监测和数据采集，实现了油井产液量的计量。本发明收到了除发明目的之外的意想不到的有益效果：本发明在计量油井产出液的同时，还能时刻对油井工作状况进行诊断分析和对油井远距离监控。通过油井示功图自动监测和数据能分析出抽油机、井下抽油泵的工作状态。使油井计量与油井设备运转检测方式发生了重大变革。其实用、可制作和成本效益上也得到了证明。通过研究和现场试验，逐步形成了一套不仅适应于直井且适应于定向井的功图法油井自动化计量系统及技术，已取代了常规的油井计量方式，具有领先技术水平。完全符合油田油井计量的需要并产生了好用及实用的效果。该系统还具有良好的扩展功能，在此平台上可实现对油井的自动启停，油压、套压、温度，电流、电压自动监测等功能，是一项新颖、进步技术方案。

附图说明

图1是本发明井口数据采集装置安装位置示意图；是一个实施例。

图2是本发明数据采集、传输、处理流程图。

图3是本发明技术原理框图。

图4是载荷传感器结构剖面示意图。

图5是抽油杆柱位移传感器结构剖面示意图。

图中，1.悬绳器，2.载荷传感器，3.抽油机游梁，4.位移传感器，5.天线，6.控制箱，7.配电箱，8.变送器插头，9.变送器电路板，10.外壳，11.应变体，12.应变片，13.接线板，14.载荷传接配件，15.线路板保护罩，16.插头保护罩，17.探头罩，18.位移线路板，19.探头底座，20.尼龙支撑片，21.转接头，22.保护接头，23.探头延伸管。

具体实施方式

利用本发明技术，2004年开始，在长庆西峰油田全面推广应用，截止2005年8月底，西峰油田共建数据处理点12个，管理油井517口。在其它油田共建数据处理点15个，管理油井287口。全油田合计共应用812口油井，取得了较好的应用效果。

长庆油田油井功图法计量系统现场安装情况统计表

西峰油田西一转进站总液量与功图法计产总液量对比表

日期	产进总液量m<sup>3</sup>/d	功图法计产总液量m<sup>3</sup>/d	误差％		日期	产进总液量m<sup>3</sup>/d	功图法计产总液量m<sup>3</sup>/d	误差％
									4.1日	202.79	189.92	6.35		4.13日	179.03	194.61	8.70
4.2日	199.45	197.05	1.20		4.14日	187.50	194.93	3.96
									4.3日	180.20	181.88	0.93		4.15日	185.63	189.27	1.96
4.4日	189.78	177.28	6.59		4.16日	189.38	187.66	0.91
									4.5日	189.13	170.07	10.08		4.17日	190.32	187.90	1.27
4.6日	167.01	148.50	11.08		4.18日	191.51	189.54	1.03
									4.7日	190.52	180.06	5.49		4.19日	187.23	188.62	0.74
4.8日	196.63	178.28	9.33		4.20日	182.36	181.61	0.41
									4.9日	186.66	179.40	3.89		4.21日	174.55	185.53	6.29
4.10日	186.34	178.31	4.31		4.22日	181.53	181.96	0.24
									4.11日	176.75	178.31	0.88		4.23日	194.09	186.67	3.82
4.12日	176.93	186.05	5.15		平均			4.11

从表中数据可以看出通过对西一转26口油井进站总液量与功图法计量总液量的统计数据对比，平均误差仅为4.11％，完全符合油田计量标准(《油田油气集输设计规范》SY/T 0004-98)要求。能满足油井计量要求。

实施例：功图法油井产液计量的检测装置包括：

A、现场数据采集主要元器件

a.井场供电电源。

b.载荷传感器2：参阅附图1。载荷传感器2安装位置在井口悬绳器1上。载荷传感器2的量程为0～150kN，精度0.5％。参阅附图4。载荷传感器2的结构是：在应变体11内壁贴有应变片12。应变体11两端有圆形外壳10，一端外壳10连接线路板保护罩15和圆筒状插头保护罩16。变送器电路板9固定在载荷转接配件14上。应变片导线连接接线板13和变送器接线板9，变送器接线板9输出端连接变送器插头8。

c.位移传感器4：参阅附图1。在抽油机游梁3与支架对应位置处安装位移传感器4。位移传感器4量程为0～5m，精度0.5％。位移传感器4由磁钢与霍尔探头两部分组成。参阅附图5。位移传感器4具体结构是在圆形探头底座19内壁上固定有位移线路板18和尼龙支撑片20。探头底座19端部有探头罩17，探头底座19另一端螺纹连接转接头21。转接头21螺纹连接保护接头22和探头延伸管23。位移线路板18输出端连接有2×0.5的网状屏蔽电缆。网状屏蔽电缆穿过转接头21、保护接头22和探头延伸管23中心。

d.RTU模块：远程数据控制终端RTU是系统硬件最主要的部分，安装在控制箱6内。

e.数据传输接收设备：利用的是数传电台传输方式。采用军品级的高速无线数传电台。其数据传输速率≥19200bps；通讯距离＞5Km；数据传输接口：RS-232/RS-485标准接口；工作温度：-40℃～+70℃。

f.高增益全向天线5。能将采集数据向多方向发送，架设在抽油机顶部。

B、数据处理点：站内有电源供电，还有中心天线、中心控制器、数据处理设备。

a.中心天线：设置在数据处理点内。

b.中心控制器：主要包括数据处理器、远距离通讯模块、服务器等部分组成。

c.数据处理设备：计算机、打印机等。

实施例：采用在井口测取抽油杆载荷和位移，利用抽油杆柱载荷和位移与时间的变化规律(地面功图)，分别建立抽油杆、油管有限元模型和液柱差分计算模型，然后迭代求解出深井泵口处载荷和位移与时间的关系(泵功图)，经计算机处理得出井下抽油泵有效冲程。抽油泵有效冲程与抽油泵活塞环形空间体积乘积，则是油井井口瞬时产液量，存入数据库。汇总后获得需要周期油井井口产液量，如一天、一周、一个月、一年等。

抽油杆和油管有限元计算模型是：

①将抽油杆用有限单元法离散为若干个梁单元。用梁单元有限元法将抽油杆离散，在忽略了材料的阻尼及抽油杆的扭转后，梁单元在局部坐标系中的有限元平衡方程为：

$\left[M\right]\left\{\stackrel{..}{\mathrm{\δ}}\right\}+\left[K\right]\left\{\stackrel{.}{\mathrm{\δ}}\right\}=\left\{F\right\}+\left\{Q\right\}$

式中：M，K，δ，F，Q为系统的质量矩阵、刚度矩阵、单元位移矩阵、单元内力矩阵、单元外载矩阵。

②油管振动有限元力学模型

油管单元有限元平衡方程：

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_t{A}_{t}l}{6}\left[\begin{array}{cc}2& 1\\ 1& 2\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{..}{U}}_t\\ {\stackrel{..}{U}}_j\end{array}\right\}+\frac{E_t{A}_t}{l}\left\{\begin{array}{cc}1& -1\\ -1& 1\end{array}\right\}\left\{\begin{array}{c}{U}_i\\ U_j\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{X}_i\\ Y_j\end{array}\right\}+\left\{\begin{array}{c}{Q}_i\\ Q_j\end{array}\right\}$

式中：ρ_t-油管材料密度

      A_t-油管截面积

      E_t-油管材料拉伸弹性模量

液柱差分计算模型是：

流体摩阻与液柱有限差分计算振动模型

$F_r=\frac{2\mathrm{\μ}(V_r-V_f)}{\ln (d/d_r)}[\mathrm{\π}+\frac{4A_c}{1d_r}]=c_r(V_r-V_f)$

$F_t=\frac{2\mathrm{\π\μ}(V_f-V_t)}{(d/d_t)\ln (d_t/d)}=c_t(V_f-V_t)$

式中：μ-流体动力粘度，       Ac-扶正器横截面积，

      Vr-抽油杆轴向运动速度， Vf-流体运动速度，

      Vt-油管速度，           dr-抽油杆直径，

dt-油管内径，

d由下式确定：

$d=\frac{V_r-V_f}{\ln (d/d_r)}\frac{\ln (d_t/d)}{\ln (d/d_r)}{d}_t$

深井泵口处载荷和位移与时间的关系是：

对抽油杆来说，共有四个边界条件，即井口位移和载荷，井底抽油泵的位移和载荷。在计量分析中，即已知井口的位移和载荷，通过力学计算求出在已有杆柱井底的载荷和位移。

位移连续条件：

u_f(L_f，t)＝u_s(0，t)

载荷连续条件：

$E_f{A}_f\frac{\∂u_f(L_f,t)}{\∂x}=E_s{A}_s\frac{\∂u_s(0,t)}{\∂x}$

载荷与位移数据采集同步进行。在抽油杆一个冲程周期内，测取数据组点230组；按7分钟的频率计算出一组被检测油井瞬时产液量数据。

Claims (2)

1.一种功图法油井计量装置，由现场数据采集和数据处理点两部分组成：其特征在于：

A、现场数据采集主要元器件，主要包括：电源、载荷传感器、位移传感器、RTU模块、数据传输接收设备、高增益全向天线；

a.井场供电电源；

b.载荷传感器：载荷传感器安装位置在井口悬绳器上，接受抽油杆悬点载荷，并转化成为抽油机杆的载荷变化，载荷传感器量程为0～150kN；

c.位移传感器：由磁钢与霍尔探头两部分组成，在抽油机游梁与支架对应位置处分别安装磁钢与霍尔探头，抽油机游梁上下运动，霍尔探头与磁钢之间的距离变化，霍尔探头采集的信号强弱变化，经电路处理转化为电流信号，经RTU处理后识别出上死点、下死点，同时将游梁角度信号与载荷信号按等时间点数据对应获得功图数据，位移传感器量程为0～5m；

d.RTU模块：完成油井数据采集和控制，提供现场测试端的接口，采集数据，并进行转换存储在临时寄存器当中，成为计算机可以识别格式；

e.数据传输接收设备；

f.高增益全向天线：采集数据向数据处理点多方向发送；

B、数据处理点：进行采集数据的接收与处理，采用站内电源供电，主要包括：中心天线、中心控制器、数据处理设备；

a.中心天线：用于接收数据采集点传来的采集数据；

b.中心控制器：主要包括数据处理器、远距离通讯模块、服务器；

c.数据处理设备：计算机、打印机；

所述的载荷传感器的结构是：在应变体内壁贴有应变片，应变体两端有外壳，其中一端外壳连接电路板保护罩和插头保护罩，应变片导线连接接线板和变送器电路板，变送器电路板输出端连接变送器插头；

所述的抽油杆柱位移传感器的结构是：在圆形探头底座内壁上固定有位移线路板和尼龙支撑片，探头底座端部有探头罩，探头底座另一端螺纹连接转接头，转接头螺纹连接保护接头和探头延伸管，位移线路板输出端连接有网状屏蔽电缆，网状屏蔽电缆穿过转接头、保护接头和探头延伸管中心孔。

2.如权利要求1所述的功图法油井计量装置，所采用的是功图法油井计量方法，其特征在于：载荷传感器和位移传感器测取抽油杆载荷和位移，利用抽油杆柱载荷和位移与时间的变化规律，分别建立抽油杆、油管有限元模型和液柱差分计算模型，然后迭代求解出深井泵口处载荷和位移与时间的关系，经计算机处理得出井下抽油泵有效冲程；抽油泵有效冲程与抽油泵活塞环形面积乘积，则是油井井口瞬时产液量；汇总后获得油井单位时间内的井口产液量。

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