不規則儲油罐容積智能標定裝置的研制及應用

范慶雄，肖 偉，曹小軍，王 芳，葛蕩蕩，喬 濤

（1. 西安石油大學，陜西 西安 710061； 2. 延長油田股份有限公司青化砭采油廠， 陜西 延安 716000）

不規則儲油罐容積智能標定裝置的研制及應用

范慶雄1*，肖 偉2，曹小軍2，王 芳1，葛蕩蕩2，喬 濤2

（1. 西安石油大學，陜西 西安 710061； 2. 延長油田股份有限公司青化砭采油廠， 陜西 延安 716000）

準確的油井資料信息是油田開發科技水平不斷提高、持續科學開發油田的先決條件，而單井日產液是油田開發生產中的基礎資料。青化砭采油廠地埋斜底儲油罐因各種原因導致罐體不規則，如按現用的參考理論值方法計算誤差較大，致使單井日產液量計算準確率低。主要介紹為完成對不規則斜底罐的液位、容積精確測量，對液位計、流量計的實驗選型，無線傳感器網絡的數據同步采集處理，上位機軟件的開發，野外現場使用儀表及計算機的低功耗研究，定制高效可靠的通訊協議，采用一套科學的數字濾波和差值算法等，實現了快速、高效、準確的對不規則斜底罐容積自動化標定。

不規則斜底罐；局部容積；無線傳感器；自動化標定

青化砭采油廠屬于低滲透油田，平均單井日產液量不足0.4 m3。為了減少夏季原油蒸發量，避免冬季油稠用明火加溫引發火災事故，同時也為了降低泵油司機勞動強度，從2001年開始推廣使用地埋斜底儲油罐。由于各種原因，油罐的幾何尺寸變得極不規則，使每日單井產液量的數據誤差很大。由于在國內多采用幾何計算或標尺進行測量，尚無全自動的測量設備，在國內某大學，有類似的工業控制設想，尚無成型設備。但由于使用PLC工業控制方式，存在諸多問題，采用工業控制方式，涉及PLC的編程控制，設備數量多，成本很高；因為設備數量多，成型后體積大，不方便現場使用；需要220 V電源，而很多現場不具備供電條件；操作的安全性也不高。現場都在油區，油氣等易燃物存在的情況下，220 V電源的油罐標定存在安全隱患。故國內未有精確、便攜、低功耗、安全的儲油罐容積標定計量科研成果。

研制地埋斜底儲油罐容積標定裝置，為了能準確計算單井日產液量，減小單井計量的誤差。逐步準確掌握油井生產動態，能準確反映油井的上液情況，能夠及時反映不上液井，及時上報，及時檢修，減少油井的停產時間，為油井生產動態分析提供數據。進而為油井生產動態分析、油層改造、注水開發提供準確的產量依據，避免對油田開發方案的制定和決策方向產生誤導。

1 解決方案

1.1 標罐裝置設計思路

標罐裝置設計思路（圖1），采取對單井儲油罐“注入”清水的辦法，并即時記錄計量罐內液位下降和儲油罐內液位上升的高度變化，現場準確計算出儲罐液每升高1 cm所注入水的體積數，并自動生成“單井儲油罐容積與液位高度對照表”，作為采油區隊、采油工及泵油車司機計算單井日產液量的主要依據。

圖1 容積標定原理示意圖Fig. 1 Principle of volume calibration

1.2 原有的技術方案及現狀

原有的方法是用車載計量罐與浮球標尺標定,通過1 m3計量罐向儲油罐內注水，同時用液位高度測量裝置測出儲油罐內液面每升高1 cm時，計算出計量罐液面下降高度所對應的體積，從而人工錄入數據繪制出儲油罐液量對照表。存在效率低，誤差大導致準確率低等缺點，不能實現我們的技術要求。

隨后進行了技術改進，用斯太爾拉水車、流量計和液位計裝置代替車載計量罐與浮球標尺標定，雖然準確率有所提高，但由于標罐速度快，人反映速度慢，在讀數時容易產生漏讀錯誤，計量還存在誤差，液位計顯示延時約1～2 s，流量計讀數反應快，造成流量計讀數和液位計高度不能一一對應，產生錯位數據，達不到技術要求[1]。

1.3 智能化標定方案

在原有方法的基礎上，我們一致認為必須解決人工讀記數據與設備數字顯示、設備與設備之間響應不同步的問題，決定采用無線傳感器網絡的數據同步采集處理、上位機軟件的開發、野外現場使用儀表及計算機的低功耗研究、定制高效可靠的通訊協議，采用一套科學的數字濾波和差值算法等，實現快速、高效、準確的對不規則斜底罐自動化標定，提高標罐效率和標罐裝置測量的精度，使標定過程實現智能化。

1.4 各結構的參數及功能

方案結構示意圖如圖2。

結構1：數字渦輪流量計：對各類高精度渦輪流量計進行精選和測試試驗，確定準確度等級1.0級，最大允許誤差±1.0%，寬量程1～30 m3/h、帶無線發射模塊[2]，流量積算精度為0.001的流量計。精度等級、流速、量程均滿足要求，實現流出液體的體積計量[3]。

結構2：數字磁致伸縮液位計DRCM-2000，自帶無線發射模塊，每秒傳輸10次數據，精度達1 mm，加裝防液面波動護套，有效克服受液面波動影響，滿足技術要求，實現注入液體高度的精確測量。

圖2 方案結構示意圖Fig.2 The structure of the solution scheme

結構3：設計制作無線協議轉換箱，用信號線連接液位計、流量計和協議箱，并用檢測軟件進行檢測[4]，協議箱將從液位計和流量計采集到得RS232信號經轉換器轉換為RS485信號后傳輸給電腦，經過數次測試，協議箱能快速準確的轉換和輸出穩定信號[5]，符合技術要求。

結構4：開發組態軟件：聯系西安國儀公司，與軟件開發人員研討軟件開發方案，根據已定方案進行軟件程序的編寫，對軟件的信號采集、采樣時間、計算方法程序進行多次測試改進，并對流量計和液位計與軟件組態進行測試，實現了信號的準確傳輸和軟件的正常運行，且能自動采集和處理協議轉換箱的數據并自動生成液位與容積對照表[6]。

結構5：低功耗筆記本電腦，實現標定裝置數據轉換的顯示和生成二維的液位高度和體積對照表。

1.5 連接以及標定實現的整個過程

將各信號線與對應設備連接，將液位計垂直放入被標定的儲油罐內，固定好，并打開其信號發射器和協議轉換箱電源，然后打開“儲油罐標定儀”軟件，錄入罐長、罐寬、油井名稱，待該軟件主界面右側“液位”字段顯示數值與流量計數值一致，點擊“開始”按鈕后，綠色指示燈閃爍，此時儲油罐容積標定開始，接著打開注水管閥門，此時該軟件主界面“瞬時流量”字段、“液量”字段、“液位”字段動態顯示注水流量和液位高度，并自動將“液量”值寫入到與“液位”對應的”體積”欄中，待被標定儲油罐注滿后，點擊“停止”按鈕，關閉注水管閥門（圖3）。至此，該儲油罐標定完成，點擊“導出EXCEL”按鈕導出該“液量對照文件”。

2 現場實施與試驗效果評價

2.1 現場試驗效果

經過現場對標定數據的數十次驗證，所測的數據都在允許的誤差范圍內，且根據所標定的液位與容積對照表，計算單井日產液量準確率達95%以上，標定一個儲油罐容積罐平均用時25 min以內。

圖3 地埋斜底儲油罐容積智能標定裝置連接及標定實現過程示意圖Fig.3 The junction and process of intelligent volume calibration instruments for irregular buried oil tanks

2.2 技術評價

（1）質檢部門對液位計與流量計的精度校驗，流量計精度達1 L、液位計高度達到1 mm。

（2）通過實際泵運原油量與對照表進行比對，誤差控制在5%以內。

（3）現場標定記錄單井操作時間，檢驗能否每天標定20口以上。

（4）試驗區（井）基本情況：所有油井現場均滿足試驗條件。

2.3 技術經濟效益分析

使用本設備能提高5倍以上的標定效率，同時也大幅提高了標定的精度。這為油田增長穩產提供準確的數據，提高了生產效率，降低了生產成本。對其他應用的不標準、不規則罐體容積也可進行精確標定。

3 結 論

（1）地埋斜底儲油罐容積智能標定裝置的研究和使用，使單井產液量的測量和計算簡單化、準確化，大大的提高了測量精度，為現代油田開發提供了可靠的基礎資料，為持續高效的油田開發提供保障。

（2）極大的提高了油罐容積標定的效率，為規模化、標準化不規則罐標定提供了高效自動化的標定方式。

（3）無線傳感器網絡的研究應用、超低功耗儀表和便攜設備的研究應用，為野外自動化作業提供便利和思路。

（4）標定裝置的研制成功和應用使我廠油井單井計量的準確率從75.93%提高到95%以上，標定一個儲油罐不到25分鐘即可完成，“儲油罐容積與液位高度對照表”可由電腦自動生成，得到的液位與體積對應數據作為我廠計算單井日產液量得依據，并為油井生產動態分析、油層改造、注水開發等提供了準確的產量依據，也可對任何不規則容器進行標定，有很廣泛的實用性。

［1］ 蔡武昌，馬中元，瞿國芳，等. 電磁流量計[M]. 北京：中國石化出版社，2004.

［2］ 孫利民. 無線傳感器網絡[M]. 北京：清華大學出版社，2005.

［3］ 姜仲霞，姜川濤，劉桂芳，等. 渦輪流量計[M]. 北京：中國石化出版社，2006.

［4］ 申忠如，郭福田，等. 現代測試技術與系統設計[M]. 西安：西安交通大學出版社，2009.

［5］ 侯賽因?阿爾斯蘭. 認知無線電、軟件定義無線電和自適應無線系統[M]. 西安：西安交通大學出版社，2010.

［6］ 馬國華. 監控組態軟件及其應用[M]. 北京：清華大學出版社，2005.

Development and Application of Intelligent Volume Calibration Instruments for Irregular Buried Oil Tanks

FAN Qing-xiong1, XIAO Wei2, CAO Xiao-jun2, WANG Fang1, GE Dang-dang2, QIAO Tao2
（1. Xi’an Shiyou University, Shaanxi Xi’an 710061,China;
2. Yanchang Oilfield Co.Ltd.Qinghuabian Oil Production Plant , Shaanxi Yan’an 716000, China）

Accurate information of the producing wells is the prerequisite of increasing the scientific and technical level of oilfield development and sustainable exploitation of oilfields, in which the basic one is single well fluid productivity. The oil tank of Qinghuabian oil production plant is irregular for somehow, which can induce large error and low accuracy during volume calculation according to conventional reference value. In this article, approaches to accurately measure fluid level and volume of irregular oil tanks were discussed as well as realizing auto calibration of the volume of irregular oil tanks, such as experimental selections of level meters and flow meters, synchronous data acquisition and processing of the wireless sensor network, development of the upper-computer software, optimal application of digital filter algorithm and difference arithmetic, and so on.

Irregular slopping bottom tanks; Regional volume; Wireless senor; Automatic orientation

TE 42

B

1671-0460（2012）03-0277-03

2011-11-10

范慶雄(1974-)，男，在讀工程碩士，工程師，主要從事油氣田開發工作。E-m ail: yafqx@163.com。