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1、抽油机井动液面跟踪与工况在线控制,华北石油浩普科技有限公司,2010.4,前言一、示功图计算动液面机理二、目前油田抽油机井自动化状况三、控制系统技术简介四、应用情况五、效果分析六、应用前景,汇 报 内 容,大港油田早在几年前开拓出油田开发的优化简化新模式，以高瞻的眼光、先进的技术应用，为油田树起了先进的“港西模式”，走在了其它油田发展的前列。其中示功图计算产液量技术，使得油井生产实时数据进行在线跟踪、油井生产状况快速掌握，为有效地指导生产和管理提供了先进的技术手段。,近几年，随着油井自动化监测技术的不断发展，在油田的快速应用已经取得了明显的效果。油井的示功图、产液量、井口油压/套压/温度、电参
2、量等数据都已经实现了实时在线的监测。这对加强井筒管理、提高油井系统效率提供了有力的数据支持。动液面数据对于油井生产的合理沉没度跟踪至关重要,在目前没有很好的测试手段的情况下，只能依靠人工每月为周期进行测试，或对变化后的井对比测试，另外采用发声测试手段，测试的液面误差变化较大，并存在一定的危险性。为此中石油也在寻找更好的、简便的测试方法和手段。如何进行连续跟踪测试也就成为一个难题摆在面前。华北浩普公司与华北采油院经过几年的技术攻关，解决了此项难题，并在华北、冀东、辽河进行了推广应用。,示功图计算动液面的历程 动液面的测试及标定方法，发展到现在仍然采用的3种标定：音标法、节箍法、音速法。其中目前多
3、以节箍法最为常用，测试手段从声弹到氮气罐，均以人工测试为主。测试以一个月为周期，巡回测试。存在的主要问题：一是依靠人工繁重的劳动；二是存在一定的不安全因素；三是标定方法的局限性，造成一定的误差；四是不能及时跟踪动液面的变化趋势；地面示功图的测试技术相对成熟，二十多年前，石油科技者就从示功图计算动液面的原理上进行了研究和论文、学著的发表，由于计算的参数繁杂性和离散型，又没有新的技术和计算方法的突破，使得此项技术仅局限于理论，只能停留于书本著作。,解决的手段和方法及意义 首先要进行示功图的连续测试，只有连续测试才能形成对比数据，才能寻找出计算模型的不断完善提高的方法。并能够根据不同的区块性质综合分
4、析找出规律，加以综合研究，形成一套独特的分析计算模型，也就提高了计算的准确度和精度。目前的示功图在线测试技术已经提供了很好的前提，把大量的数据分类分析，进行计算-提高-应用的巡回过程，使模型参量的测试和计算紧密结合，就很好的实现了示功图计算动液面的技术。动液面的实时曲线跟踪又能够使生产一线技术人员和管理者直观了解该井的沉没度变化情况，第一时间掌握趋势资料，更好为问题井如何找出变化原因服务。,.1 计算原理,其机理是当抽油机上行时泵的固定凡尔打开，此时油套管之间相当于一U形管压力连通传导器，那么提升液体只是动液面以上的部分的重量，其动液面以下部分则被连通器平衡掉了。,一、示功图计算动液面机理,.
5、1 计算原理,抽油机井理论示功图,一、示功图计算动液面机理,.1 计算原理,一、示功图计算动液面机理,.1 计算原理,油压、套压、柱塞面积及流体密度均可以通过测量得到，因此可以根据时实测量得示功图就可算出动液面来。,一、示功图计算动液面机理,.2 模型修正,实际示功图还包括惯性载荷、振动载荷及摩擦载荷的影响。惯性载荷、振动载荷及摩擦载荷均会对示功图的上、下行程的静载荷造成影响，使得液面计算出现很大的误差，因此如何得到真实的静载荷是计算动液面准确与否的要点。,一 通过复杂的计算机诊断法消除惯性载荷、振动载荷的影响，得到光杆悬点的理想示功图，然后进行动液面计算。二 通过测量的方法消除惯性、振动及摩
6、擦的影响，得到理想的 静载荷，然后进行动液面计算。,一、示功图计算动液面机理,.2 模型修正,如何尝试通过示功图实现计算动液面？作为动液面的计算是不同于泵功图的诊断技术的，只要能够得到具体目标井的静态上、下行程载荷即可算出相对准确的动液面。下面具体分析实测示功图附加的各种因素,一、示功图计算动液面机理,1.2 模型修正,上式的W是悬点静载荷差，而实测的静载荷差需要消除上、下摩擦值，因此还需要修正公式：测试示功图得出最大值Wsu、最小值Wsd，记录第一次测量的该两项值并设为常数作为以后计算用Wsu=C、Wsd=D；通过功图得出悬点上静载荷Wju、及下静载荷Wjd记录第一次测量的该两项值并设为常数
7、作为它用Wju=E、Wjd=F则静载荷W=（Wsu-Wsd）-（C-E）-（F-D）,一、示功图计算动液面机理,.2 模型修正,（C-E）-（F-D）=G-油井的摩擦常数,混合液密度近似计算 ml=fW W+(1-fW)o抽油泵柱塞面积：28mm6.16cm2、32mm8.04cm2、38mm11.34cm2、45mm15.90cm2、56mm24.63cm2、70mm38.48cm2,一、示功图计算动液面机理,1.2 模型修正,以上为理想条件下的基本公式，考虑到传感器及井况的变化应该做一定的补偿，以保证数据的稳定性、准确性。考虑到传感器及井况的变化（砂卡、蜡卡等）应该做一定的补偿，以保证数据
8、的稳定性、准确性。深色为当前示功图，无色为前期标准示功图。由于下冲程载荷只是杆柱的影响，基本可认为是常数，因此可以作为标准参考点，可以将第一次（前期）测试的示功图作为标准与当前测试进行比较。正常情况下当前的与前期的下载荷相符则认为没有漂移，无需做补偿处理，当两者下载荷产生差异了应按以下四种情况进行分析：,一、示功图计算动液面机理,1.2 模型修正,公式的a为斜率修正项，用来补偿传感器的灵敏度，正常时可设为1，b为截距项，用来补偿传感器的零点漂移，正常时可设为0，X为井况修正值，主要用于稠油井计算。功图不发生剧烈突变时，设为0。不适用气井的计算。,一、示功图计算动液面机理,2.1 项目实施目的,
9、为了实时跟踪油井动液面变化，制定合理的工作制度，解决人工测量费时费力的现状，采用示功图折算油井动液面进行曲线跟踪。,现场实施,2.2 实施地点、井数,华北油田于2009年前实施100口井，下面是二连油田宝力格作业区9口井进行了功图计算动液面数据，井号：巴18-29、巴19-5、巴19-36、巴19-34、巴21、巴19-25、巴19-21、巴19-19、巴19-7,一、示功图计算动液面机理,2.3 数据服务器,安装地点：采油工艺研究院计算机机房IP地址：10.188.68.65/gpxtmis 网页登陆用户：gpxtadmin 密码：gpxtadmin完成功能：a)为实施的每口井建立数据库；b
10、)整点采集数据（功图）；c)根据所采功图折算油井动液面，1次/小时；d)以网页形式发布计算结果，同时也可以完成各种历史数据、曲线的查询。,现场实施,2.4 上位机界面,现场实施,3.1华北液面数据对比,完成了油井示功图测试及查询、示功图计算油井动液面、动液面数值小时查询、动液面数值日均查询等功能，2009年7月26日宝力格作业区工程组技术人员对油井动液面进行人工测试，并与示功图折算结果做了对比，对比结果如下表：,数据对比,表1 实测液面与功图计算液面对比,3.冀东液面数据对比,在唐海油田柳赞作业区，09年已经进行了应用，已经通过验收。2009年5月初，华北石油浩普公司开始在柳赞作业区试验该项技
11、术。利用柳赞作业区示功图数据库中原有的数据计算动液面，在软件运行的几个月中，经数次与回声仪测量数据比较，准确度基本满意。计算出的动液面波动曲线与测试的结果完全吻合。下面就取出数据比较稳定的10口井作一下对比：软件运行界面,数据对比,3.冀东液面数据对比,数据对比,3.冀东液面数据对比,数据对比,3.3动液面波动曲线,数据对比,4.1计算框图,计算流程,实际计算和测试需要取准静载荷，还必须有一套软件措施才能完成。,示功图计算动液面意义,2、有了实时在线的动液面数据，为加强井筒管理，提高油井举升效率提供了及时的技术支持。并且随着“数字化油田”建设步伐的深入，油井生产参数的自动化采集将普及在每一口油
12、井上，这样就使得功图计算动液面的油井现场投入几乎为零。,1、可以随时得到动液面变化数据及曲线，相对精度高、稳定性好，有了动液面实时在线的数据，把功图计算动液面技术、无线通讯技术与变频调速技术结合，就可以实现油井动液面的闭环控制。结合产量曲线对比，使油井始终处在合理开采的工作状态。从而达到以最小的能耗，来换取最大的产能。,示功图计算动液面意义,3、极大的减轻了采油厂测试动液面的工作量。每个月可减少80左右的工作量。测试工人每个月的工作不再是机械式重复性的测试工作。而是对功图计算出的动液面数据进行分析，发现有数据不准确的，才进行测试，然后校正。,4、丰富了示功图技术的应用，对功图算产数据的准确性起
13、到了参考佐证的作用。,5、为“数字化油田”的建设增添了新内容。油井生产参数的自动化采集本身就是数字化油田建设的内容之一，而本项技术是将油井生产参数的后期应用拓展,二、目前油田抽油机井自动化状况,目前抽油机井自动化监控技术，是对井口回压、载荷、冲程、冲次、电流、电压等参数的实时监测，实现功能抽油机远程启、停；示功图测试，油井示功图法在线计量。监测数据只是现行抽油参数时的工作状况，此工况是否为最佳工况？如何优化调参？目前的监控技术还不具有工况在线控制调整的功能。,抽油机井由于受地层供液能力和抽油参数的影响，部分油井存在供排不协调的现象。仅对采油一厂2009年底开井492口抽油机井统计，供液不足的有
14、211口，占43.8%。要达到工况优化，最简便的措施是调整抽油参数。,通常情况下，大家都认为，抽油机冲次越高，产液量会高；冲次降低，产液量应该下降。但是，在油井生产后期，大多数油井，地层供液能力都在下降，这样的情况下，即使抽油机冲次再高也不会收到太好的效果。华北石油浩普公司多年一直致力于油田生产自动化和抽油机节能技术在油田的使用和开发。在2004年开始，就开始观察和研究示功图技术的发展，并结合示功图技术和变频调速的特点，开发出了“抽油机工况在线控制系统”。该系统由上位机软件、单片机、无线传输技术、示功图技术和变频调速技术组成。集成了油井算产、动液面计算、远程数据传输与控制、变频智能调速等多项领
15、先技术。使单井节能工作得到了新的发展。,对该项技术不同油田，赋予不同定义 供排协调（07-09年华北采研院项目100口井）油井工况在线节能控制技术（09年华北采油一厂）油井举升效率控制系统（唐海油田）,二、目前油田抽油机井自动化状况,因此在目前抽油机井自动化监控基础上发展的工况在线控制技术，是对监测数据的后期应用与工况在线控制的结合，为抽油机井自动化的发展开辟了新的方向。,以调小冲次为例，调小冲次受到皮带包角的限制，因此皮带轮的直径不能小于规定皮带包角时的皮带轮直径。,这样就使部分油井调小冲次的余地不大，甚至有的井不能继续调小冲次。,二、目前油田抽油机井自动化状况,三、技术简介,抽油机工况在线
16、控制系统是在抽油机井自动化监测的基础上，示功图、动液面计算技术与变频调速技术结合，使人工控制调节抽油机冲次，改为远程自动调节，实现了工况在线调参。,1.抽油机井工况在线控制技术组成,系统组成,现场控制装置,中控室控制系统,（1）现场控制装置,三、技术简介,（2）中控室控制系统,硬件,软件,服务器、计算机,数据库、管理系统,2.系统工作原理,抽油机工况在线控制系统，在开环控制时，将方案确定的调节参数（变频器输出频率）由中心控制系统反馈至控制模块，由模块调节变频器（或现场人工设定变频器输出频率），使抽油机在设定的频率下运转；,在闭环控制时，通过设定被控参数动液面的值，中心控制系统由监测数据计算出动
17、液面，并与设定值比较，求得满足设定动液面时的变频器输出频率，并反馈至控制模块，由控制模块调节控制变频器，经过这样不断计算反馈调节的闭合过程，变频器就会不断的调节它的输出频率，改变抽油机的运转参数（改变冲次），从而实现抽油机井在线节能控制。,三、技术简介,四、应用情况,选井原则,选井原则是在保持油井产量基本稳定时，通过改善油井供排协调关系，实现工况优化下的生产。井况：线路电压380V、供液不足的抽油机井。,（1）选井 西柳10-45、西柳10-81井,（2）控制系统调试 由于变频器工作时产生的杂波，干扰了现场控制装置和中控室之间的通讯，后经技术改进，解决了变频器杂波对通讯的干扰，保证了信息的远程
18、传送。,（3）控制系统开环控制 频率设定在50Hz、45Hz、40Hz、35Hz、30Hz时，监测工况数据。,（4）控制系统闭环控制 以动液面为被控参数，设定动液面的值，控制系统求得设定动液面时的频率，并在该频率下运行。,五、效果分析,1.开环控制效果分析,开环控制时，将变频器频率设定在50Hz、45Hz、40Hz、35Hz、30Hz等不同值时，采取在线监测和现场测量两种方式，录取油井的产量、示功图、动液面、耗能等工况数据。,西柳10-45井,西柳10-45井部分监测数据和现场测量数据表,油井产液量变化,计算产液量11.1510.12t/d，分离器计量产液量5.75.5t/d。随着频率由50H
19、z降至30Hz，两种方式下的产液量基本稳定，而且变化趋势一致。,五、效果分析,油井示功图变化,50Hz（冲次3.9次/分）时，示功图其饱满程度约为42.5%；频率降至30Hz（冲次2.4次/分）时，示功图饱满程度约为77.5%。泵的充满程度提高了35%，油井的供排关系得到了改善。,五、效果分析,油井动液面变化,由监测数据计算的动液面，随着频率的降低，动液面呈上升的趋势；而现场测试的动液面，其总体趋势也是上升的。,五、效果分析,油井冲次、最大载荷、电机输入功率的变化,随着频率的降低，抽油机的冲次、最大载荷、电机输入功率呈下降的趋势。,五、效果分析,油井耗电量变化,随着频率由50Hz降至30Hz，
20、两种方式下的日耗电量呈下降趋势，监测和电表计量节电率分别为35%、51.7%。,综合以上分析，西柳10-45井通过调小频率，即调小冲次，油井产液量基本稳定，动液面回升，泵的充满程度提高35%，油井的供排关系得到了明显改善；同时抽油机悬点最大载荷、电机输入功率降低，日节电率35%以上。,五、效果分析,西柳10-81井,产液量曲线,动液面曲线,五、效果分析,综合以上分析，西柳10-81井通过调小变频器的频率，即调小抽油机的冲次，油井在产液量基本不变的条件下，动液面回升，泵的充满程度提高14%，油井的供排关系得到了一定的改善；同时抽油机悬点最大载荷、电机输入功率降低，日节电率30.8%以上。,五、效
21、果分析,闭环控制是以动液面为被控参数，西柳10-45、西柳10-81两口井是以泵深以上200m为动液面的值，分别设为1659m、1753m。两口井进入闭环控制后，中心控制系统由监测示功图计算动液面，求出满足设定动液面时的频率。西柳10-45井基本在30Hz和35Hz两个频率下运转；西柳10-81井由于严重供液不足，只在25Hz频率下运转。,2.控制系统闭环控制效果分析,闭环控制部分监测数据,五、效果分析,控制系统闭环控制效果,1、每小时前整点前5分钟进行测试，比较后进行就地调参、传输数据2、如果沉没度降低减速、反之加速3、调速时保障功图正常4、人工远程登录10.188.68.65 查看单井产液
22、变化、动液面变化,西柳10-45井闭环与工频示功图,五、效果分析,西柳10-81井闭环试验,五、效果分析,六、应用前景,1、抽油机井远程节能控制技术通过调节变频器的频率可以实现自动调节抽油机的冲次，实现了抽油参数在线控制调节。相对于双速电机具有不停抽连续调速功能。,2、抽油机远程节能控制技术在供液不足油井中应用，通过在线控制调节抽油机井工况，油井供排关系得到改善，使抽油机井在最佳的工况下工作。,3、抽油机井工况在线控制技术具有很好的节能效果，单井节电率在33%以上。45井，日耗电从50HZ的480度，降为348度，（35HZ和30HZ平均耗电按（360天计算），节电率 28%，节约电能4752
23、0度 按每度电0.6元计算，年节约28512元。81井，日耗电从50HZ的312度，降为25HZ的192度，节电率38。年节约电能43200，按每度电0.6，年节约25920元 两口井年节电约9万度，折合人民币节约5.4万元。两口井投资 10万元投资回报期 1.8年 如果在目前已经有了自动化仪表的油井，不考虑自动化仪表的因素。按变频器价格平均40000元计算。投资回报期为：1.5年。,4、延长了抽油杆使用寿命和检泵周期。抽油机井远程节能控制技术，通过在线调节控制变频器的输出频率，实现了在线调节控制抽油机冲次，达到了抽油机井工况在线调整，供排协调的目的。不仅具有节能效果，而且调小抽油机冲次，可使
24、抽油杆单位时间内的疲劳次数，杆管偏磨的次数也减少。以D级抽油杆疲劳极限107次计算，西柳10-45、西柳10-81两口井，由工频下的平均冲次4/分，降到闭环控制时平均冲次2.12次/分，平均降到了1.88次/分。抽油杆使用寿命由平均次4/分时的1736天，延长到平均次2.12/分时的3275天，可延长1539天。按两口井的平均检泵周期610天计算，在抽油杆疲劳极限107次内，平均少检泵2.5井次，两口井可少检泵5井次。检泵费用平均按5万元/井次计算，可节约检泵费25万元。,5、“数字化油田”的建设增添了新的内容。油井生产参数的自动化采集本身就是数字化油田建设的内容之一，而本项在线控制技术是将油
25、井生产参数的再次利用。,西柳10-45、西柳10-81两口井数据统计表,6、即使在已经使用了变频器的抽油机上，仍有不小的节能空间。在81井和45井安装了变频器后，操作工人根据经验，把两口井频率都调节到40Hz，这样他们就认为很节能了，并且不会影响产液量。这也是我们操作工人在使用抽油机变频器都会遇到的问题，他们不知道再降低频率，会不会影响产液量。而实际通过精细分析我们看到，81井最佳工作频率是25Hz，45井是30Hz35Hz之间。通过以上数据我们可以看出，就这几个Hz的差别，每口油井通过精确控制，在不影响产量的情况下，每天仍然可以节约几十度电能，一个月就可以节约1000多度，一年可以节省电能消耗上万度。,六、应用前景,7、油井远程节能控制技术取得了新的进展，示功图技术得到了新的应用。变频器在油田的应用已经十分普遍，其节能效果早已得到大家的认可。在油田的注水、输油、水泵等领域早已经是闭环控制。而变频器在油井的应用上，由于没有被控参数，长期以来一直是人工凭经验调节。没有得到最大的系统效率。实现动液面闭环控制，就达到了油井的供排协调开采，改变以往单一恒定的开采方式，为智能型的开采方式，让油井的供液能力与采液能力自适应。,六、应用前景,汇 报 结 束祝大家：身体健康 工作顺利,
