摘要：本文从功图计量与工况智能分析技术的技术原理、有杆抽油系统数学模型的建立、泵功图的计算、有效冲程的识别及计算结果的修正五个方面对该技术进行了详细的阐述，重点介绍了功图计量与工况智能分析系统的构建及其拓展的功能，实现了生产数据的实时采集、产量自动计产、油井远程监控、油井故障诊断、动液面实时监测、系统效率实时监测、报表自动生成等功能，简化了流程，降低了投资、减少了用工总量，提高了油田数字化管理水平。
关键词：功图法；计量；工况诊断；系统效率；动液面；在线监测
1 功图计量与工况智能分析技术
1.1技术原理
“功图法”油井计量技术是依据抽油机井深泵工作状态与油井产液量变化关系[2]，从能真实反映抽油系统有杆泵工况的示功图入手，把定向井有杆泵抽油系统视为一个复杂的三维振动系统（抽油杆、油管和液柱三个振动子系统），在一定的边界条件和初始条件下建立该系统的三维空间力学、数学模型及算法，在不同井口示功图激励下的泵功图响应，采用矢量特征法对泵功图进行分析及故障进行识别，提取泵示功图的矢量特征，确定泵的有效冲程，得出油井地面折算有效排量，再结合其它生产参数实现工况智能分析。
1.2有杆抽油系统数学模型
把定向井有杆泵系统视为一个复杂的三维振动系统，考虑抽油杆、液柱及油管三个子系统在三维空间的振动耦合和与抽油杆位移、速度、应变、应力和载荷之间随时间变化的因素[3]，建立相关模型。
⑴ 建立了抽油杆、液柱和油管三个振动系统的空间三维模型。
⑵ 考虑以上三个子系统在三维空间的振动耦合及液柱可压缩性。
⑶ 用有限元法及有限差分法将抽油杆及油管结构离散化，建立了油管、杆振动的有限元方程与有限差分法结合的计算模型及方法。
1.3泵功图有效冲程识别模型
有效冲程的识别对计量结果起着至关重要的作用。为了提高有效冲程的识别精度，首先采用多边形逼近法对泵功图进行预处理，再用特征矢量法进行故障识别，充分考虑其他影响因素判断泵有效冲程，然后根据判断的有效冲程计算产液量。具体过程如下：
⑴ 泵功图多边形逼近
由于计算得到的泵功图数据点很多，而泵功图的几何特征仅仅集中在某些点上，其它点对泵功图的几何特征影响不大，因此采用多边形逼近法对泵功图数据点进行预处理，过滤掉某些点对泵功图的几何特征影响不大的数据点。
⑵ 利用矢量特征法识别泵有效冲程
对于一个计算出的实际泵功图，先利用前述的多边形逼近法对它进行处理，然后将处理过的泵功图标准化(无因次化)，再用一系列连续的矢量把它描述出来，即建立该泵功图的矢量链，把它和标准故障矢量链库中矢量链对比，来判别出一个或多个故障。
1.4 泵功图的计算算法
利用上述抽油杆有限元分析模型经多年现场试验证实计算精度高，但该方法用于功图法油井计量系统，由于数据运算量大、计算速度慢，不适应于在现场实时处理大量油井数据。因此，在不影响计算精度的前提下，对抽油杆有限元模型进行了改进，将抽油杆的受力分解为两个部分：一部分为抽油杆所受的侧向力，一部分为抽油杆轴向力。侧向力采用有限元模型，轴向力采用波动方程，使运算量大幅度减少。经实践证实其计算精度能够满足现场使用的要求。
1.5 油井产液量的计算
根据泵的有效冲程计算产液量[1,2]，则油井井口产液量：
式中：d——泵径，m Se——有效冲程，m
n——冲次，次/分 B1——原油体积系数，无因次
1.6 计算结果修正
考虑到不同区块原油物性不同，溶解气含量不同，含气原油脱气体积收缩引起的地层原油与地面原油的体积差，在每个区块应用前应选取一些井进行油井测试，然后经对比分析得出这个区块对功图计算结果的修正值进行修正[4]。
式中：
——油井产量，m3/d；
K——修正系数，无因次；
——泵功图产量，m3/d 。
2功图计量与工况智能分析系统
在功图法油井计量技术研究的基础上，开发了集传感器、测试、通信和计算机技术为一体的功图法油井自动计量与监测系统，解决油井示功图现场测试时间及数据连续录取这一关键难题，实现了生产数据实时采集、产量自动计量、工况远程监测、油井故障诊断、报告自动生成、故障实时预警等功能。
该系统[5]是采用高精度的数据采集器，获取安装在各油井抽油机上载荷、位移传感器等数据，通过有线或无线数据传输方式将其传送到设置在站点的客户端计算机，站点安装了数据接收装置、系统监测软件、功图法油井计量分析软件及功图计量与工况智能分析客户端，接收从各井场采集的光杆示功图数据，进行计算、处理和上传。
2 现场应用情况及效果评价
2.1 现场应用情况
功图计产与工况智能分析技术在大港油田的发展是一个漫长又艰难的探索过程，从八十年代起开始蕴育研发，先后经历了二十几年，从最初的单片机开始试验研究，到开发出边远单井使用的便携议，然后到只能在站上查看的单机版功图计产软件，再到目前的功图计量与工况智能诊断系统，在全油田大力推广应用。
从应用情况看，功图计量与工况诊断智能分析技术应用效果明显，工况诊断结果的符合率达到了90%以上，计量结果的符合率达到85%以上，达到了系统设计和现场应用的要求。实现了产液量自动计量、油井远程监测、油井工况诊断、故障实时预警、动液面实时结算、系统效率实时监测、报表自动生成等功能。
2.2 效果评价
（1）全天候以十分钟为频率，巡测一组示功图作为数据源，计算油井平均产量，更加真实地反映油井实际出液情况。
（2）系统运行稳定，仅占总液量与功图法计产对比，误差较小，油井诊断分析结果准确，满足现场生产需要。
（3）一共突发计量理论为依据，利用功图法计量形成的通讯平台，在不增加较多投资的前提下，实现了故障预警、工况诊断、动液面实时监测和系统效率实时监测等多项拓展功能，逐步实现油田数字化管理。
（4）与传统计量技术相比，配合其它工艺技术应用，使单井综合人井比由0.94人/井减少到0.5人/井，是计量方式的一次变革，简化了流程，降低了投资、减少了用工总量。
3结论
（1）功图计量与工况智能分析技术的成功应用，是建立了适应“三低”油田和复杂井况定向井的功图法计量模式的结果，是对硬件和软件不断调整完善的结果，是精细管理的结果，使油井计量与生产管理工作实现了自动化、数字化。
（2）随时监测抽油机的工作情况和油井工况，为站点技术人员提供油井异常情况的三级预警，发现问题及时上报调控中心，缩短油井故障处理周期，提升了油井生产管理的及时性、有效性，油井管理的智能化水平。
（3）功图计量与工况智能分析系统通过网络平台，实现油井的动、静态数据的共享，为技术管理人员提供及时准确的数据，为生产判断、油藏状况的把握和生产方案的制定提供依据，提升了油井的管理水平。
（4）功图计量与工况智能分析系统仍需要补充和完善，主要是对连喷带抽井、油管上部漏失井的计量，系统效率和动液面实时监测的进一步跟踪以及提高系统的稳定性、可靠性。
参考文献：
[1] 李颖川.采油工程。北京：石油工业出版社，2002.02，78——149.
[2] 张琪.采油工程原理与设计[M].山东东营：石油大学出版社，2000，94-181.
[3] 齐俊林，郭方元.游梁式抽油机分析方法，石油学报, 200627（6），116-119.
[4] 杨瑞，王永全.功图法油井计量系统基于现场应用的误差分析,《工业控制计算机》,2009,22（5），35-37.
[5] 杨瑞，王永全.油井计量网络化系统研究与应用,石油化工与自动化,2009（2），47-50
论文作者:李智
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/20
标签：油井论文; 工况论文; 系统论文; 冲程论文; 示功图论文; 实时论文; 智能论文; 《电力设备》2018年第32期论文;