油井集群“功图法”计量自动监测系统应用

作者：长庆油田 李建华

欢迎访问e展厅 展厅 6 数据采集/无线通讯展厅 通讯卡, 数据采集卡, 无线通讯模块, 远程监控系统, RFID, 信号隔离器, 转换器... 一、概述 随着计算机技术、电子测试技术的不断发展，自动测试技术已日趋完善。国外早在二十世纪50年代即已开始应用监测和数据采集（SCADA）系统，现已发展为大型的油田自动化管理（CAO）系统（如壳牌公司）；国内油田从上世纪90年代后期开始研制、开发、应用SCADA和CAO，但系统复杂，不易维护，且前期投入庞大，对产液量相对较低的油田不具经济性。 因此，针对长庆油田的特点，研制低成本投入、高可靠性和易维护、可拓展的抽油机集群“功图法”单井计量自动监测系统并与专门的油井计量软件结合，替代或简化计量流程，以降低产建投入和运行成本。 本系统是用于全天候实时测试抽油机集群示功图参数的无人值守自动监测系统（简称自动监测系统）。该系统由一个数据处理点（中央处理单元）和多个数据采集点（井口监测单元）组成，数据处理点与数据采集点间的数据通讯根据安塞油田的地形地貌特征选用移动存储方式实现。 数据处理点通过移动存储读写模块对移动存储盘进行格式化操作并设置测试指令，各数据采集点根据移动存储盘的设置指令定时开始采集示功图（载荷、冲程）参数的模拟信号并储存；系统管理人员在规定的时间内（3～7天）上井更换移动存储盘，通过数据处理点的移动存储读写模块逐点接收移动存储盘上已采集的模拟信号，由监测软件（监测平台）进行转换、分析，按规定格式提供给油井液量分析模块（单井计量软件），进而实现单井产液量分析、工况诊断等功能。 根据系统的工作环境，特别设计制作了64M工业级存储盘，按宽温型（－45℃～＋85℃）设计，应用双电子盘同时存储，提高数据采集存储的可靠性，采用金属外壳，强化抗屏蔽功能，内置精密时钟芯片，保证每15分钟采集一次示功图数据。 系统预留电机电参（电流、电压、有效率）测试功能模块接口及抽油机启/停控制功能模块接口，具有良好的拓展性。 二、系统原理 1、固定式载荷传感器技术原理 为了便于安装，载荷传感器设计为开口形式，如下图所示： 在两个对称的不锈钢弹性元件表面分别贴了两个应变计,如下图所示: 其中R1和R3这两个应变计的敏感栅方向与载荷方向平行，R2和R4与载荷方向垂直。其中R2和R4这两个应变计用于消除横向效应，并用于温度补偿。把这四个应变计接成下图所示的惠斯顿电桥： 则经放大后的载荷信号正比于载荷大小，也就是说测到该信号的电压值就得到载荷值。 2、加速度计式位移传感器技术原理 本系统方案应用加速度传感器实现游梁角度测量，进而换算为光杆位移： 在上图中，L为前臂长度，R为驴头弧面半径。驴头弧面的圆弧运动变为悬点的直线运动。设直线运动的位移用y(t)表示，y0为初始位移，α0为驴头弧面半径初始角度（此时游梁为水平位置，即游梁倾角为0度）。若t时刻游梁倾角为α(t) (单位为弧度)，则 y(t) = R(α(t)+α0)+y0 设到达下死点时游梁角度为α1,则下死点位移 y1 = R (α1+α0)+ y0 那么相对于下死点的相对位移为 y’(t) = y(t)- y1 = R(α(t)-α1) 设上死点游梁角度为α2，则冲程为 S = R (α2 -α1) 所以 R = S / (α2 -α1) 那么t 时刻的相对位移为 y’(t) = (α(t)-α1)/ (α2 -α1)×S 在一个冲次之内测到相对位移和载荷即得到光杆示功图。设游梁角度为α(t)，如下图所示。 设重力加速度为g(m/s2)，当游梁处于水平位置，则加速度计输出acc =0（g），当游梁垂直，则acc =1（g）。在t 时刻，有 acc (t) = g×sin(α(t)) (m/s2) 则角度 α(t) = arcsin( acc (t)/ g) (弧度) 得到角度即可换算出光杆位移。 三、系统组成 1、数据采集点（井口监测单元） 每个抽油机上安装的数据采集点由固定式载荷传感器、加速度计式位移传感器和数据监测单元、供电模块、移动存储模块组成，通过移动存储盘与数据处理点（中央处理单元）进行数据通讯传输。本系统中13个数据采集点分别安装在安塞油田坪桥作业区坪52-09、坪36-151、坪38-151、坪59-13、坪57-14、坪55-12井组上。 1.1固定式载荷传感器 为便于安装、维护，固定式载荷传感器设计为开口形式，安装在悬绳器上，采用防水接口，适合长期野外工作。通过专用信号线与数据监测单元通讯。为预防产生信号漂移，应每3～6个月进行一次标定。 1.2加速度计式位移传感器 本系统应用加速度计式传感器测量光杆的冲程，加速度计集成在数据监测单元中，安装在游梁顶部中段，随游梁一起转动；在抽油机运行过程中测试游梁角度的变化，通过精确换算得出相对应的冲程位移。 2、数据监测单元 数据监测单元采用模块式集成方案，主要由工业级单片计算机（CPU）、12位A/D、8kB缓存、RS485通讯板及电源板组成。安装在游梁顶部中段。工作原理结构如图。 数据监测单元接收到移动存储模块定时（15分钟一次）发送的采集指令后，CPU通过A/D转换通道读取经过放大后的载荷、位移信号，并经数据处理后得到系统实时的载荷、位移、冲程、冲次等参数，存入缓冲内存，等待移动存储盘读取；当移动存储模块需要读取数据时，发出特定的读取指令，CPU接收到指令后，通过485通讯板向移动存储模块发送参数数据。 2.1供电及移动存储模块 供电及移动存储模块主要由工业级单片计算机（CPU）、12位A/D、8kB缓存、RS485通讯板、电源板及交流/直流电源模块组成，通过专用信号线与数据监测单元通讯并供电。安装在抽油机配电箱上。工作原理结构如图。 存储盘按内置精密时钟芯片设置的采集间隔（系统设置15分钟）向移动存储模块的CPU发送采集请求指令，CPU通过485通讯板向数据监测单元发布采集指令；1分钟后，存储盘向移动存储模块发送数据读写指令，CPU通过485通讯板接收数据监测单元实时的载荷、位移、冲程、冲次等参数，存入缓冲内存，供移动存储盘读取。 供电模块是将220V或380V的高压交流电源转换成12V的直流电源向各测试及功能模块（单元）供电。 2.2预留（扩展）功能 系统预留电机电参（电流、电压、有效率）测试功能模块接口及抽油机启/停控制功能模块接口。 3、数据处理点（中央处理单元） 数据处理点由数据采集服务器、监测平台（监测软件、单井计量软件等）、微机及外设等组成，通过数据采集服务器接收数据采集点采集的示功图测试参数。监测软件按规定格式提供有效数据给油井液量分析功能模块（单井计量软件），进而实现抽油机井单井计量分析、工况诊断等功能。 数据处理点的功能包括测试数据（示功图）的收集、处理和分析；油井基本工作参数的设置，如油田、层位、抽油机型号、杆柱组合、泵径、泵挂、含水、油压等；以及所有有关单井计量软件分析的组合、解释、显示的功能，并且同时建立功能齐全的数据库，数据库中丰富的信息为作业和决策提供了方便。 4、数据采集服务器 数据采集服务器内置工业级单片计算机（CPU）、8kB缓存、RS232通讯口、12V/1.3Ah充电电池及充电电路、交流/直流稳压电源、移动存储读写模块，主要功能是设置移动存储盘的工作指令，格式化移动存储盘，读取移动存储盘传输的示功图采集数据，并通过串行接口与微机串行接口交换数据。 5、监测平台 监测平台运行在专用的P4联想微机上，由监测软件、单井计量分析软件等模块组成。单井计量分析软件根据长庆油田公司油气工艺技术研究院开发的专用模块进行配套设置。监测软件由以下几个部分构成：井号维护，数据维护，采集数据，功图显示，液量计算等。 本系统按每15分钟测试一次的频率设置油井示功图参数的采集方案，每天每口井可采集96组数据，完全满足单井计量分析软件对数据源的要求，达到设计效果。模块按井号和日期进行检索，可储存、累计、显示当前和历史数据。 选用联想品牌机，基本配置：CPU/Pentium4 2.8GHz，内存/512M，硬盘/80G，显示器/17’，外设为佳能激光打印机、USP电源及电脑桌。 6、系统技术性能指标 固定式载荷传感器：量程0～150kN，精度0.5％，采用开口三柱式设计方案； 位移模块：角度量程 - 90o～ 90o，精度0.5％，应用加速度传感原理实现（集成板）； 光杆冲程：量程0～10m，精度0.5％； 移动存储盘：容量2×64M，双盘设计，满足储存2880组示功图数据要求。 7、系统设置、安装及调试 2004年2月28日完成系统的首次安装，在采一坪桥作业区内安装数据处理点（中央处理单元），在坪52-09、坪36-151、坪38-151、坪59-13、坪57-14、坪55-12井组上共13口抽油井上安装固定式载荷传感器和数据监测单元及供电与移动存储模块。经调试，各功能模块（单元）通讯良好，功图采集精确，系统运行正常，达到设计要求。 本系统的安装是很高效的。数据监测单元及通讯线在游梁等运动机构上不打任何固定孔，均使用C型卡等连接件固定，无明火作业，拆装方便快捷。 系统从2004年3月10日开始双容积及大罐单量对比试验，期间针对油田单量条件，拆移了两口油井的数据采集装置。 2004年4月份后系统进入可靠性测试和完善阶段，进一步提高监测软件的功能，配合长庆油田采油工艺技术研究院完善单井计量分析软件模块，验证单井计量计算分析精度。 8、监测软件及单井计量软件运行操作 开启微机，在Windows2000平台下运行监测软件，首次使用或油井调参、作业后应先进行系统特定参数设置或修改，然后启动采集数据模块。 逐个将从各数据采集点取回的移动存储盘插入特定接口，先读目录，再取数据，确认数据读取正常后将存储盘格式化。 开启历史数据显示区，此时屏幕显示各油井当前井号、巡测日期、巡测时间下的示功图。 启动单井计量软件模块可按天查看历史功图数据及功图变化情况，可计算该天任一时段的油井产液量，并显示工况诊断结果。 四、系统监测软件及计量软件使用说明 1、监测软件 本软件的功能主要是读取移动存储盘的油井示功图数据，通过数据采集服务器将存储盘上的数据按单井计量软件要求的格式和目录进行转换、存储。 操作使用过程为： (1) 先读取目录，此时窗口显示存储盘中的井号，按序号、日期、时间排列的示功图数据，可点击井号前的小红框，选取全部数据进行读取，也可单选各序号前的小红框进行部分读取。 (2) 选定数据文件后，按“取数据”按钮即可将所选功图数据按指定的格式和目录进行转换、存储。 (3) 在确认存储盘上的数据已按要求全部读取后，将移动存储盘进行格式化，以备下次更换使用。 2、单井计量软件 本软件由以下几个部分构成：井号维护，数据维护，液量计算等。现对各部分的功能作以简单说明。 井号维护：完成添加新井、修改井号的功能，同时按添加顺序给油井按自然顺序编号。 数据维护：修改油井参数如：油田、层位、含水、动液面、泵挂、抽油机型型号、冲程、油管 型号、泵径、油压、套压、杆级数、油杆直径、材质、强度等。 液量计算：显示某口井某天的功图数据，并可对错误功图进行删除操作，同时可进行当天产液量的计算，并将计算结果自动保存。 3、使用方法 在WINDOWS2000界面下双击联网中控按钮即可运行该软件，进入主界面后，先进行井号维护功能。点击井号维护进入该功能，弹出密码输入窗口，井号维护是由系统管理员来进行的工作，其他人无权进行。当此工作完成后，点击保存来保存数据。最后点击退出离开此界面。 井号输入后须将此井的参数接着输入，点击数据维护，进入界面，先选择井号，然后点击修改按钮开始设置此井的参数。在此菜单下有些内容是仅可选择，不能改动的，如油田，油管型号，层位，抽油机型号，油杆材质，级别等。每修改完一口井的参数后都应点击保存按钮来进行数据保存，再修改下一口井，最后退出。 点击液量计算按钮，进入液量计算界面，可以先查看各个井以前任意一天的功图以及功图变化情况，选择井号，然后进行日期选择，即可显示该天的测量数据。点击功图文件中的任意一组数据，可显示功图及电参数情况，对不正确的数据可进行删除操作。进行日产液量计算时，点击液量计算，该日产液量和泵工作状况分析结果将自动显示并保存。 4、文档的存档形式与路径 利用本软件测量的功图、电参数数据存放路径在安装软件存放路径下的 \西安威正电子科技有限公司\.联网中控\mydb\【相应井号】\【采集月份】\。 功图数据的文件扩展名为.DYN，文件扩展名前的四位数字是数据的序号。【相应井号】是指所要查询的油井的井号，【采集月份】为此井所要查询数据所属的月份。 五、系统应用分析及评价 系统自2004年2月20日开始至2004年2月28日安装完毕，经过三个多月的运行，功图数据采集精确，系统运行正常，各项技术指标达到了设计要求。应用单井计量软件对现场6口油井不同时间段共31井次采集的数据段进行油井产液量计算，并与同期大罐量油、双容积单量和罐车量油结果相对比，其平均全天偏差为0.15 m3/d，平均全天误差为2.25%，平均时段偏差为0.10 m3/d，平均时段误差为1.46%，误差值小于8％，完全满足设计要求。对比数据资料见下表： 应用加速度计式传感器测量光杆的冲程、冲次，实现位移的无绳测量是本系统的创新技术，能精确、同步测试示功图；为单井计量软件的应用提供了真实可靠的数据源。 系统的应用要求是能够按规定的采集周期自动监测油井的示功图参数，通过监测软件和单井计量软件计算分析油井的单井产量、诊断油井的工作状况。 系统是按每15分钟巡测一次的频率设置油井示功图参数的采集方案，每天每口井可采集96组数据，完全满足单井计量分析软件对数据源的精度要求。通过进行双容积大罐单量对比试验，经调试，数据采集、通讯良好，功图数据采集精确，系统运行正常，各项技术指标达到了设计要求。 采用自动数据采集，首先保证了资料的客观性和准确性；其次可以实现连续不间断测试，提高计量精度； 第三是可以减少人力成本，提高测试的可靠性和准确性，同时可直一步实现油井自动化管理、科学管理，达到简化地面计量流程，降低油田开发投资，提高油井管理水平和开发效益的目的。 综上所述，本系统自安装、调试、运行以来，一直正常、稳定，系统的开发、设计和运行状况已全部达到预期的所有要求。系统在实际运行过程中，针对安塞油田的特点，在强调系统的稳定性、可靠性的同时，还需对数据读取、传输速度、数据存储容量等方面进一步改进提高，需要对单井计量软件的操作流程进一步升级完善，特别是针对油井基本参数的设置、修改，应进行强制性提示，增加、完善统计报表的输出、打印模块。对于系统的大范围推广应用，建议在加强管理的情况下，采用井组方案以达到节省成本，减少投资的目的。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/18/2005)