前言
抽油井采油是石油工業(yè)傳統(tǒng)的采油方式之一,也是迄今為止在采油工程中一直占主導(dǎo)地位的采油方式。隨著油田開發(fā)的深入,一部分抽油井因油層壓力降低、供液能力變差等原因,致使油井產(chǎn)液量逐年遞減,成為低產(chǎn)低能井,也就是間抽井。由于油井供液不足,致使深井泵工作效率低,油井生產(chǎn)極其不穩(wěn)定,設(shè)備大部分時間處于無功消耗狀態(tài)下,使得管理難度加大,在正常的工作制度下,很難對此類油井進行合理高效的管理,而且油井在長時間無功狀態(tài)下運行造成設(shè)備的無謂磨損,對安全生產(chǎn)也造成了一定的影響。
1.背景介紹
傳統(tǒng)的抽油井巡檢方式是人工巡檢,巡檢周期長、準確性不高,造成現(xiàn)場抽油機井況不能及時反饋,影響正常生產(chǎn)。針對人工巡檢的缺點,大部分油田開始采用自動化設(shè)備對井況參數(shù)進行采集,目前大部分數(shù)據(jù)采集設(shè)備只是將現(xiàn)場的工藝參數(shù)(示功圖、油壓、套壓、油溫、啟停狀態(tài)等)傳輸?shù)街行目刂剖?,在中心控制室進行后臺分析處理。此類設(shè)備主要以數(shù)據(jù)采集為主,定期形成報表(日報表、月報表等),無法對間抽井井況進行實時在線診斷,也就無法對間抽井的產(chǎn)液量進行有效的計量,不能使自動化設(shè)備更好的服務(wù)于數(shù)字化油田管理。
近幾年隨著高性能RTU技術(shù)、抽油機井況診斷技術(shù)、功圖量油技術(shù)的發(fā)展,在技術(shù)上可以將油井診斷與計量在RTU中完成,實現(xiàn)抽油機井的實時診斷與計量,及時掌握抽油機井的生產(chǎn)情況,下面介紹這幾種技術(shù)。
1.1高性能RTU技術(shù)
隨著電子技術(shù)的發(fā)展,RTU核心芯片從單片機發(fā)展到了多核處理器,從8位微處理器發(fā)展到32位微處理器,從匯編語言發(fā)展到嵌入式系統(tǒng)開發(fā),從幾KB內(nèi)存發(fā)展到幾十MB內(nèi)存,從幾MHZ主頻發(fā)展到幾百MHZ主頻,從單一的RS232串行通信發(fā)展成RS232、RS485、CAN接口、網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口等多種通信方式。這些發(fā)展使RTU在處理速度、處理能力、通信方式上得到極大的提高,也提高了RTU解決問題的能力。
1.2抽油機井況診斷技術(shù)
抽油機井況診斷技術(shù)的研究,一直是國內(nèi)外采油工程技術(shù)人員的課題,及時、準確地了解抽油系統(tǒng)的工作狀況,對提高抽油效率、降低機械采油成本和提高油井產(chǎn)量都具有非常重要的意義。抽油井井況診斷技術(shù)始于上世紀20年代,經(jīng)過90多年的發(fā)展,目前已走向成熟,主要通過計算機系統(tǒng)采用模式識別技術(shù),對采集到的示功圖進行分析,提取關(guān)鍵特征,實現(xiàn)對抽油井的井況診斷。
1.3功圖量油技術(shù)
"功圖量油"油井計量技術(shù)是依據(jù)游梁機-深井泵工作狀態(tài)與油井產(chǎn)液量變化關(guān)系,即把有桿泵抽油系統(tǒng)視為一個復(fù)雜的振動系統(tǒng),該系統(tǒng)在一定的邊界條件和一定的初始條件(如周期條件)下,對外部激勵(地面功圖)產(chǎn)生響應(yīng)(泵功圖)。然后對此泵功圖進行分析,確定泵的有效沖程、泵漏失、充滿程度、氣影響等,計算井下泵排量,進而求出地面折算有效排量。
2.設(shè)計方案
整個系統(tǒng)實現(xiàn)的主要方案為通過設(shè)計高性能RTU,將抽油機井況診斷算法、功圖量油算法嵌入到RTU中,通過對采集的抽油井示功圖等數(shù)據(jù)進行分析,得到抽油機井的井況和產(chǎn)液量。系統(tǒng)分為三部分進行設(shè)計,下面按各部分設(shè)計分別介紹。
2.1 RTU設(shè)計
RTU按照工業(yè)級產(chǎn)品進行設(shè)計,內(nèi)嵌Linux操作系統(tǒng)、IEC61131-3開發(fā)環(huán)境、C語言開發(fā)環(huán)境,可以對系統(tǒng)進行在線升級。硬件按照EMC 3級及UL標準進行抗干擾及安全設(shè)計,提高整個產(chǎn)品的可靠性。外圍有豐富的IO接口、通訊接口(8AI 8DI4DO 2AO 1RS232 1RS485 1RS232/RS485 1RJ45),滿足抽油機井況診斷與計量的需要。RTU設(shè)計分為硬件和底層軟件兩部分。
2.1.1 RTU硬件設(shè)計
RTU硬件設(shè)計采用核心板+外圍IO電路的模式,核心板模式適合開發(fā)不同IO點的RTU,使得RTU性能更可靠,兼容性更強。
核心板設(shè)計
核心板采用Atmel的SAM9處理器作為核心處理器,該處理器技術(shù)指標為。
● 處理器速度最大達240MHz,內(nèi)存最大64Mbytes,并行FLASH最大達4Gbytes。
● SAM9處理器采用的是ARM926EJ-S核,ARM926EJ-S內(nèi)核擁有ARM7核基本功能外,還擴展了定點DSP指令和JAVA指令支持。
● SAM9處理器采用的是5級流水線,在原來ARM7基礎(chǔ)上增加了指令高速緩存和寫緩沖技術(shù),大大增加了指令處理速度,降低了指令處理復(fù)雜度。
● SAM9處理器支持虛擬內(nèi)存管理(MMU),可以運行LINUX、WINCE這樣的大操作系統(tǒng)。
● SAM9處理器多達217個管腳,外圍接口種類多、數(shù)量多,支持更多的應(yīng)用。
核心板的原理圖如下

圖1 核心板原理圖
SAM9核心板硬件包括幾個方面:
a) 主CPU單元:主控制器是ATMEL公司生產(chǎn)的SAM9系列控制器AT91SAM9RL64,主頻240MHz主頻。包括各種外圍接口,方便擴展,簡化應(yīng)用。
b) 電源單元:核心板需要5V電壓源,然后由核心板上的電源轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為3.3V、1.2V,供核心板使用。
c) 存儲器單元:存儲器單元包括兩部分,一部分是內(nèi)存部分,另一部分是閃存部分,AT91SAM9RL64控制器已經(jīng)有SDRAM內(nèi)存接口和閃存硬件接口,本核心板內(nèi)存為32Mbytes,閃存為256Mbytes。
d) 外擴鐵電FRAM可用于掉電時數(shù)據(jù)的保護。
e) 日歷時鐘單元:RTC單元是控制器自帶的,但是必須外接電池供電,否則斷電后RTC時間設(shè)置丟失。本控制已經(jīng)留有電池供電接口。
f) 溫度檢測單元:本核心板帶有溫度檢測,檢測核心板環(huán)境溫度。
g) 調(diào)試接口單元:核心板上自帶簡易JTAG調(diào)試接口,方便程序調(diào)試。
h) 通信接口單元:核心板上包括串口通信和USB通信接口,供程序下載與調(diào)試實用。
外圍電路設(shè)計:
RTU外圍IO電路采用隔離設(shè)計,AI、DI、AO、DO、RS232、RS485、Ethernet等接口經(jīng)過隔離后接入到核心板。RTU按照EMC3級標準設(shè)計,提高RTU的可靠性。外圍電路原理圖如下。

圖2 外圍電路原理圖
外圍電路包含如下幾個方面:
a) 提供3個串行通信接口電路,其中兩個為RS485,一個為RS232或RS485可選則接口,每個串行接口電路都為隔離接口,并有抗瞬變干擾設(shè)計。
b) 提供1個網(wǎng)絡(luò)通信接口電路,接口電路為隔離接口,并有抗瞬變干擾設(shè)計。
c) 提供8路4~20mA模擬輸入(AI)接口,AI信號經(jīng)輸入接口電路到AD轉(zhuǎn)換器,再經(jīng)數(shù)字隔離到主控芯片。AD選用16位AD芯片。AI入口電路具有抗干擾設(shè)計,如可恢復(fù)保險、瞬變管、壓敏電阻保護等。
d) 提供8路數(shù)字輸入(DI)接口,DI信號經(jīng)入口電路后,再經(jīng)隔離到主控芯片。DI入口電路具有抗干擾設(shè)計,如瞬變管、壓敏電阻保護等。
e) 提供4路數(shù)字輸出(DO)接口,主控芯片DO經(jīng)隔離后驅(qū)動輸出FET管,可外接繼電器控制各類設(shè)備。選用具有高耐壓、大電流FET管作為輸出管。
f) 提供2路4~20mA模擬輸出(AO)接口,AO信號經(jīng)隔離后到達AO輸出電路,經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換后輸出。輸出管選用高耐壓、大電流的FET管。
2.1.2 RTU運行程序設(shè)計
RTU運行程序由Linux操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序、IEC61131-3編程環(huán)境、功圖采集、診斷、量油、第三方應(yīng)用程序等組成。第三方應(yīng)用程序開發(fā)既支持IEC61131-3開發(fā)環(huán)境,又支持C語言開發(fā)環(huán)境,并且可以進行在線升級。
Linux操作系統(tǒng)有很多特點適合作為RTU內(nèi)嵌的操作系統(tǒng),特點如下。
● Linux是基于Posix操作系統(tǒng)標準設(shè)計的,因此很多程序可以不用修改或很少修改就很容易的移植到該系統(tǒng)下;編程接口方便,熟悉,類似于PC機的程序開發(fā)。
● Linux支持各種文件系統(tǒng),而且支持各種文件格式;
● Linux支持如今絕大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,而且這些協(xié)議棧也非常穩(wěn)定,接口通用,可以滿足各種網(wǎng)絡(luò)需求;
● 基于Linux上的應(yīng)用軟件有很多,比如說數(shù)據(jù)庫,web服務(wù)器,圖形系統(tǒng)庫,文件傳輸,系統(tǒng)統(tǒng)計信息,各種分析工具等。
● Linux支持多種編程語言編程(C/C++、SHELL、java等),這給編程人員帶來很大方便。
RTU運行程序由內(nèi)層到外層如下圖。

圖3 系統(tǒng)程序?qū)哟螆D
從內(nèi)層到外層,由啟動程序、內(nèi)核、驅(qū)動、應(yīng)用程序、第三方程序,有嵌入式開發(fā)到應(yīng)用開發(fā),設(shè)計人員也由專業(yè)開發(fā)人員到應(yīng)用開發(fā)人員,這樣的結(jié)構(gòu)便于推廣RTU在各行業(yè)的應(yīng)用。
a) BootStrap程序:BootStrap程序是上電時首先需要運行的程序,該程序主要用來初始化CPU和一些硬件,例如NAND FLASH,SDRAM等。
b) Linux內(nèi)核程序、根文件系統(tǒng):zImage1.00程序為Linux內(nèi)核程序,sysfs1.00.img程序為系統(tǒng)根文件系統(tǒng),包含各種命令和程序,包括用戶程序。
c) 系統(tǒng)驅(qū)動程序:包含了AI、DI、DO、AO驅(qū)動程序,RS232、RS485、Ethernet通信驅(qū)動程序;Modbus RTU/ASCII、Modbus TCP/UDP/IN TCP/IN UDP、DNP3等通信協(xié)議,也包含了IEC61131-3標準編程環(huán)境支持程序。
d) 系統(tǒng)應(yīng)用程序:包含了功圖采集、井況診斷、功圖量油等程序,在系統(tǒng)底層程序基礎(chǔ)上進行開發(fā),系統(tǒng)應(yīng)用程序可以進行在線升級。
e) 第三方應(yīng)用程序:為了適應(yīng)不同地區(qū)產(chǎn)品特殊性需要,可以由第三方根據(jù)現(xiàn)場實際情況編寫特殊功能程序,編程環(huán)境符合IEC61131-3標準,支持LD、FBD、IL、ST、SFC五種程序語言。
2.2 抽油機井況診斷與計量設(shè)計
2.2.1井況診斷設(shè)計
抽油機井況診斷是以模式識別為基礎(chǔ)的人工智能診斷法,主要以泵功圖為診斷依據(jù),著重在提取泵功圖的特征,包括幾何、形狀、力學(xué)等方面的特征,并經(jīng)歐氏距離、絕對差距離、費歇分類器、模糊綜合評判等分類器進行分類判別,實現(xiàn)抽油系統(tǒng)的井況診斷。建立包括泵正常工作、固定凡爾漏失、供液不足、氣體影響、抽噴、雙凡爾漏失、泵基本不工作、抽油桿斷脫等十余種抽油系統(tǒng)工況的診斷知識庫。
井況診斷流程框圖如下。

圖4 井況診斷流程框圖
a) 示功圖采集:
通過安裝在懸繩上的負荷傳感器采集油井的動態(tài)負荷,通過安裝在游梁上的角位移采集游梁運行的角度進而計算出懸點位移的變化,位移與負荷的二維圖形就是示功圖,示功圖也可以采用無線示功圖方式進行采集。
b) 泵功圖轉(zhuǎn)換:
計算各級桿端功圖采用傅氏矩陣遞推的形式,推導(dǎo)簡便,表達簡捷,三角級數(shù)求和計算全部采用快速遞推求和法,將三角函數(shù)的調(diào)用次數(shù)降到最低,大大降低了運算速度,通過用泵功圖計算產(chǎn)液量可以消除抽油桿柱的變形、桿柱的粘滯阻力、振動和慣性等的影響。
c) 特征值提?。?br> 通過灰度矩陣獲取示功圖的特征值,泵功圖的灰度矩陣是在其網(wǎng)格矩陣的基礎(chǔ)上形成的.其形成過程分為四步:
·功圖標準化,為了便于比較油井各類工礦相除泵功圖量綱對數(shù)據(jù)的影響,首先將泵功圖進行無量綱處理,形成標準化功圖;
·將長方形分為網(wǎng)格,通常采用個網(wǎng)格,將此網(wǎng)格初始化為"0";
·令示功圖邊界穿越的網(wǎng)眼灰度均賦"1";
·邊界內(nèi)部每遠離邊界一格其灰度值增加一級,外部按等高線的方式賦值,只是每遠離邊界一格其灰度值減少一級,搜索邊界的方式是按列進行,最終獲得功圖網(wǎng)格矩陣。
灰度統(tǒng)計特征,依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計原理,取灰度矩陣的6個統(tǒng)計特征,分別是灰度的均值、方差、偏度、峰度、能量、熵。
d) 專家會診模塊:
泵功圖的實際工況與專家?guī)熘袇⒖脊收媳霉D的統(tǒng)計特征量之間進行灰關(guān)聯(lián)分析,關(guān)聯(lián)度越大,實際井況與相應(yīng)的參考故障越接近,從而建立抽油井故障診斷模型。根據(jù)與專家?guī)爝M行灰關(guān)聯(lián)分析,可以診斷出泵正常工作、固定凡爾漏失、供液不足、氣體影響、抽噴、雙凡爾漏失、泵基本不工作、抽油桿斷脫等十余種抽油系統(tǒng)工況。
e) 診斷結(jié)果輸出:
通過診斷不僅能得到抽油機井的工況,也可以得到抽油機運行的一些數(shù)據(jù),如抽油機曲柄扭矩曲線、抽油桿受力分析、泵效分析、采油參數(shù)分析等。
扭矩曲線
根據(jù)抽汲同期內(nèi)等時間間隔的測試時間序列計算相應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角 的扭矩因素,由相應(yīng)各點的懸點測試載荷值計算各點的載荷扭矩Mp,計算各點曲柄平衡扭矩Mc,求出各點凈扭矩M,以橫坐標為曲柄轉(zhuǎn)角,縱坐標為扭矩,繪制出扭矩曲線。
受力分析
計算各級桿柱頂部的最大與最小應(yīng)力,根據(jù)各級桿柱頂部示功圖可得出各級桿柱承受的最大載荷和最小載荷,算出各級桿的最大與最小應(yīng)力。
泵效分析
通過計算電機輸入功率、井下泵功率(有效功率)、光桿功率,可以得到抽油機系統(tǒng)的系統(tǒng)效率(有效功率/電機輸入功率)、地面系統(tǒng)效率(光桿功率/電機輸入功率)、井下系統(tǒng)效率(有效功率/光桿功率)。
采油參數(shù)分析
通過對油井工況的診斷,可以判斷油井的供液能力(泵的充滿度),也就可以依據(jù)參數(shù)對沖次進行相應(yīng)的控制,通過自動控制抽油機的沖次(利用變頻器實現(xiàn)),來實現(xiàn)油井供液能力與理論設(shè)計排量匹配的問題,并且考慮抽空的極限情況,實現(xiàn)停機關(guān)井,間歇抽油。這樣即節(jié)約電能又可避免過度抽汲的破壞作用(液擊和磨損)。
2.2.2功圖法量油
通過采集每個沖程的示功圖數(shù)據(jù),根據(jù)示功圖數(shù)據(jù)的變化,分布每個沖程泵內(nèi)液體的充滿程度,把泵筒作為計量容器,計算出每個沖程的抽汲量,經(jīng)過累加,計算出單井的產(chǎn)液量。
功圖量油流程框圖如下。

圖4 井況診斷流程框圖
a) 凡爾開閉點及有效沖程獲取:
各種泵況其功圖的幾何特征都突出表現(xiàn)在閥開啟的位置變化,所以閥開啟點和關(guān)閉點的位置確定,以及對閥開啟滯后和關(guān)閉超前產(chǎn)生的無效沖程造成的排量損失的計算都很重要。凡爾開閉點的確定主要通過泵功圖各點的曲線斜率的變化極值。
泵功圖中游動凡爾開閉點之間的水平距離即柱塞的有效沖程。
b) 壓力梯度計算:
計算抽油井油管內(nèi)的壓力分布和密度分布,對于掌握抽油機井油管內(nèi)氣液兩相流的流動型態(tài)、計算抽油泵的效率及抽油機井的產(chǎn)液量極為重要。
c) 計算漏失系數(shù):
取壓縮氣體的過程為多變過程,依據(jù)上述計算出的抽油機井內(nèi)的壓力分布,計算泵的吸入口壓力和排出口壓力后,便可以計算出泵的吸入因數(shù)、排出因數(shù)和充滿因數(shù)。再根據(jù)對吸入過程和排出過程漏失因數(shù)的公式,最后求出泵的產(chǎn)液量。
d) 產(chǎn)液量計算:
通過以上步驟獲得有效沖程和漏失系數(shù)后,通過下面公式即可得到抽油機井的產(chǎn)液量。功圖量油計算公式

2.2.3井況診斷和功圖量油參數(shù)維護
井況實時診斷與功圖量油運算中需要抽油井的基礎(chǔ)信息。這些信息可通過上位機軟件或者現(xiàn)場進行設(shè)置。整個系統(tǒng)采用參數(shù)同步技術(shù)使上位機數(shù)據(jù)庫中參數(shù)與現(xiàn)場控制器參數(shù)保持同步。這些參數(shù)包括油井的沖程、沖次、桿長、桿徑、桿級數(shù)、泵徑、油管內(nèi)徑、油氣比、地面原油密度、脫氣原油密度、泵掛深度、動液面深度、油管內(nèi)徑和抽油機基礎(chǔ)信息等。
參數(shù)表如下:

3.RTU實現(xiàn)功能
內(nèi)嵌抽油機井況診斷、功圖量油的RTU,可以實現(xiàn)下面功能。
● 動態(tài)圖形采集功能
可按隨意設(shè)定時間間隔,采集一個沖程內(nèi)的負荷變化、位移變化、電流變化、有功功率變化,形成示功圖、電流圖、功率圖,作為井況診斷分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
● 數(shù)據(jù)采控功能
監(jiān)視抽油機生產(chǎn)工況,采集油壓、套壓、油溫、啟停狀態(tài)、手自動狀態(tài)等現(xiàn)場參數(shù),遠程智能控制抽油機啟停。
● 節(jié)能控制功能
通過外接變頻器可以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)抽油機沖次,具有空抽控制、間抽控制和連噴帶抽控制功能,可使抽油井、抽油機運行在最佳工作狀態(tài),起到節(jié)能增產(chǎn)的作用。
● 診斷、安全功能
通過抽油機實時在線診斷技術(shù),可判斷當(dāng)前油井的實際井況如出沙、結(jié)蠟、供液不足、漏失、碰桿、脫桿等工況。對油桿卡桿、斷桿、盤根漏油、油管漏失、電機過流、斷相等進行停機安全保護與報警。
● 抽油井產(chǎn)液量計算功能
通過功圖量油技術(shù),實現(xiàn)抽油機井產(chǎn)液量的計算,計算出瞬時產(chǎn)液量、累計產(chǎn)液量。
● 通訊功能
可對數(shù)據(jù)參數(shù)實現(xiàn)現(xiàn)場、遠程監(jiān)視和設(shè)定,兼容性好,采用標準的通訊協(xié)議,可以連接無線數(shù)傳電臺、GPRS、CDMA等串口無線設(shè)備,也可以連接3G路由器、無線網(wǎng)橋、WIFI等網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備。
● 大數(shù)量存儲功能
每口井可以存儲一個月功圖數(shù)據(jù)(每天144幅功圖)、產(chǎn)量數(shù)據(jù),通過無線方式現(xiàn)場取數(shù)或中控室讀?。幻靠诰梢源鎯?4320條功圖數(shù)據(jù)。功圖存儲間隔10分鐘~2小時任意設(shè)置。如果中控室通訊中斷,通訊恢復(fù)后也可以通過中控室把通訊中斷期間的功圖數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)庫中。
● 電參數(shù)采集功能
可實現(xiàn)電機電力參數(shù)的采集,包括三相電壓、電流、有功功率、無功功率,功率因數(shù),有功電能、無功電能,根據(jù)產(chǎn)液量和耗電量得出噸油耗電量,為核算采油成本提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
● 錯誤判斷功能
自動判斷抽油機工作是否正常,給出報警信息,同時根據(jù)預(yù)先的設(shè)定采取不同的控制動作。
4.優(yōu)點分析
采用實時井況診斷技術(shù)、功圖量油技術(shù),結(jié)合高性能RTU技術(shù),開發(fā)抽油機井口用RTU,對抽油機井進行實時的井況診斷、智能控制,使抽油機運行在最優(yōu)的工作狀態(tài)。其顯著的優(yōu)點有:
● 實時性強
對井況進行實時診斷分析,及時響應(yīng)現(xiàn)場井況的變化,實時進行詳細而準確的井下分析,例如:油泵充滿狀況、出砂、氣鎖、液面、產(chǎn)量等。
間抽井實時采集示功圖,對每幅示功圖采用功圖量油技術(shù),得到抽油機井的瞬時產(chǎn)液量、累計產(chǎn)液量,實現(xiàn)連續(xù)計量??梢杂行У慕鉀Q間抽井出液無規(guī)律,不易計量的問題。
● 控制智能化
通過分析,它可以自動確定最佳的生產(chǎn)時間,自動啟動或停止抽油設(shè)備(間抽、連噴帶抽等控制),自動保持最合理的液面,并對抽油設(shè)備進行良好的保護。使抽油設(shè)備在最優(yōu)化的狀態(tài)下運行,降低綜合能耗。
● 運行模式靈活
RTU既可以納入SCADA系統(tǒng),實現(xiàn)遠程控制,也可以獨立運行,不依賴于中心控制室對它的控制,單獨完成所有功能。
5.結(jié)論
在RTU內(nèi)實現(xiàn)抽油機井井況診斷與計量,很好的解決了間抽井管理上的難題,能有效的對間抽井的井況、產(chǎn)液量進行實時的數(shù)據(jù)分析,為數(shù)字化油田生產(chǎn)管理提供一種有效的手段。