張朋陳德春楊康敏李霖紀國帥姚亞

（1.中石化河南油田分公司；2.中國石油大學（華東））

電泵井實時智能化診斷和優(yōu)化決策技術研究與應用

張朋1陳德春2楊康敏1李霖1紀國帥1姚亞2

（1.中石化河南油田分公司；2.中國石油大學（華東））

為提高電泵井現(xiàn)場管理水平，達到無人值守、生產(chǎn)運行自動化管理、節(jié)能的目的，2015年開始河南油田分公司對江河油田10口電泵井進行了信息化改造，通過在井口安裝壓力、溫度、電參數(shù)、刮板流量計、視頻等自動采集設備，實時采集電泵井運行的各項參數(shù)和井場圖像，采用ZigBee無線通訊或4G網(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)控制終端，同時針對河南油田電泵井開發(fā)了實時工況診斷和優(yōu)化決策軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了油井工況的實時智能化診斷和優(yōu)化決策。

電泵井；智能化；實時；工況診斷；優(yōu)化決策

引言

電泵井具有排量大、地面工藝簡單等優(yōu)點，是油田進入高含水開發(fā)后期，為達到穩(wěn)產(chǎn)而廣泛使用的采油方式之一。目前河南油田在用電泵井總計46口，主要分布在江河和下二門油田，但由于潛油電泵在井下的工作環(huán)境惡劣，電動機燒毀、卡泵、分離器軸下串、分離器軸折斷、電纜擊穿、電纜頭燒毀、機組落入井中、花鍵套松脫等故障時有發(fā)生，油井隨時都有躺井的可能。因此，及時診斷電泵井工況，同時對電泵井進行及時優(yōu)化，保障其正常高效運行，具有十分重要的意義。

為提高電泵井的管理水平，達到無人值守、生產(chǎn)運行自動化管理、節(jié)能的目的[1][2]，2015年開始河南油田分公司對江河油田的10口電泵井進行了信息化提升和改造。通過在井口安裝壓力、溫度、電參數(shù)、刮板流量計、視頻等自動采集設備，實時采集電泵井運行的各項參數(shù)和井場圖像，采用ZigBee無線通訊或4G網(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)控制終端，實時掌握電泵井的各項運行參數(shù)。

同時以油田現(xiàn)場測試的工作參數(shù)和特性曲線以及故障診斷經(jīng)驗為依據(jù)，通過對電潛泵采油系統(tǒng)常見故障的特性以及對工況的影響進行理論分析，通過數(shù)學計算或其他特征分析來提取可區(qū)分不同故障下電流曲線的特征量，然后再完成電泵井工況診斷的軟件編制，以判斷異常井井下工況故障原因，并提出措施建議，實現(xiàn)電泵井工況的實時智能化診斷和優(yōu)化決策[3]。

1 硬件（數(shù)據(jù)自動采集設備）

電泵井數(shù)據(jù)實時自動采集設備主要包含視頻監(jiān)控系統(tǒng)、流量監(jiān)測系統(tǒng)、壓力監(jiān)測系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)、電參數(shù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。系統(tǒng)各組成部分功能如下：

1）視頻監(jiān)控系統(tǒng)：通過高清網(wǎng)絡攝像機對井場、重要設施及路口進行視頻圖像采集和周界闖入報警。圖像存儲采用分布式和集中存儲相結合的方式，路口監(jiān)控采用前端分布式存儲，報警井場、作業(yè)井場、重點油井在管理區(qū)二次集中存儲。前端分布式存儲時間7 d，集中存儲時間為30 d，圖像存儲格式至少720P，壓縮格式H.264。正常情況下圖像顯示采用D1或CIF格式傳輸，在報警時，采用720P格式傳輸。

2）流量監(jiān)測系統(tǒng)：采用刮板流量計進行計量，流量計字碼現(xiàn)場可直接讀取，同時配置脈沖發(fā)射器發(fā)射脈沖信號，采用ZigBee無線通訊方式，將管道流量數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。

3）壓力監(jiān)測系統(tǒng)：配置油壓、套壓、回壓無線壓力傳感器，數(shù)據(jù)采用LCD數(shù)字顯示，配置低功耗處理模塊，通過信號處理電路，將壓力變化轉(zhuǎn)化為脈沖信號，采用ZigBee無線通訊方式，將油井壓力數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。

4）溫度監(jiān)測系統(tǒng)：井口安裝無線溫度變送器實時監(jiān)測井口溫度，無線溫度變送器選用PT100熱電阻作為傳感信號源，經(jīng)過內(nèi)部智能化微處理器將溫度變化數(shù)據(jù)變送輸出為脈沖信號，采用ZigBee無線通訊方式，將油井溫度數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。

5）電參數(shù)采集系統(tǒng)：控制柜中加裝無線智能多功能電表，采集油井電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，通過數(shù)字化處理將各參數(shù)轉(zhuǎn)化為脈沖信號，采用ZigBee無線通訊方式，將油井溫度數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。

6）數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)：油田專用的集成一體化RTU，采用32位處理器，嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)，具有現(xiàn)場信號的數(shù)據(jù)采集、控制輸出、數(shù)據(jù)處理、PID運算等功能，通過4G通訊模式，將井場數(shù)據(jù)和圖像傳輸至智能化監(jiān)控系統(tǒng)服務器。

2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡

針對江河油田的具體情況，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡采用了基于TD-LTE的無線監(jiān)控解決方案[4]。方案包括EPC（4G核心網(wǎng)絡）、ENB（基站）、UE（無線終端）和OMC（網(wǎng)管中心）等設備的部署，數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)結構圖見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)結構

1）EPC（4G核心網(wǎng)絡）：是TD-LTE網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的交換和路由設備，負責基站的管理、無線終端的接入控制、認證和用戶的移動性管理等功能。EPC提供SGi接口為上層應用提供與無線終端之間的數(shù)據(jù)通道。

2）ENB（基站）:負責基站和終端之間的無線傳輸。采用分布式基站架構，分為基帶處理單元BBU和射頻拉遠單元RRU以及配套智能天線。

3）UE（無線終端）：包括手機、數(shù)據(jù)卡、CPE和DTU等多種形態(tài)。

4）OMC（網(wǎng)管中心）：統(tǒng)一網(wǎng)管設備，通過O接口管理核心網(wǎng)、基站等網(wǎng)絡設備。

方案優(yōu)點在于網(wǎng)絡部署簡單、便捷。只需在經(jīng)過勘測并符合要求的站點建設基站，在此基站可覆蓋的范圍內(nèi)，都可以更加便利地部署CPE終端。在基站可覆蓋的范圍內(nèi)，無需額外部署承載光纖等，大大提高建設的便利性并降低建設成本。4G網(wǎng)絡可提供的帶寬也可以完全滿足高清圖像圖傳的要求。

3 實時工況診斷與優(yōu)化決策軟件系統(tǒng)

3.1 技術原理

從電潛泵的工作原理出發(fā)，以現(xiàn)場測試的工作參數(shù)和特性曲線以及故障診斷經(jīng)驗為依據(jù)，通過對電潛泵采油系統(tǒng)常見故障的特性以及對工況的影響進行理論分析，同時在充分了解不同工況下電流卡片曲線的形態(tài)特征的前提下，通過數(shù)學計算或其他特征分析來提取可區(qū)分不同故障下電流曲線的特征量，然后再完成電動潛油離心泵電流卡片工況診斷的軟件編制，以判斷異常井井下工況故障原因，并提出措施建議，實現(xiàn)了電潛泵實時故障診斷及優(yōu)化決策[5]。

3.2 軟件應用舉例

下面應用泵氣鎖時的電流卡片數(shù)據(jù)導入軟件進行應用舉例[6]（圖2）：

圖2 泵氣鎖時的電流卡片數(shù)據(jù)

首先點擊軟件主界面上的數(shù)據(jù)導入菜單，然后在彈出的“打開”對話框中找到存放電流卡片數(shù)據(jù)的文件夾，然后單擊“泵氣鎖.xls”的文件確定導入。運行界面如圖3所示。

然后選擇“讀點軟件數(shù)據(jù)”，單擊“確定”進行診斷即可顯示診斷結果及優(yōu)化建議。運行界面如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)導入運行界面

圖4 診斷結果及優(yōu)化建議界面

4 現(xiàn)場應用效果

該技術自投入現(xiàn)場應用以來，運用軟件系統(tǒng)對江河油田10口電泵井進行診斷及優(yōu)化80井次，診斷故障主要有泵型選擇不合理、氣鎖、砂堵、電動機燒毀、卡泵、泵軸斷、電纜絕緣差、保護器進液等故障，同時對各類故障井提供了優(yōu)化建議。通過應用，為提高電泵井的管理水平，達到無人值守、生產(chǎn)運行自動化管理、節(jié)能降耗的目的。

2016年2月19日上午8點，對雙6-10進行診斷，診斷結果為正常過載停機，優(yōu)化建議更換葉導輪。當天上午9點26分管理區(qū)組織機泵維修班更換葉導輪，11點45分再次對該井診斷，診斷為正常工況。僅用不到4 h完成了電泵井的故障診斷及維護，防止了泵機組的進一步損壞，提高了油井時率和生產(chǎn)效率。

2016年3月5日上午9點，對雙檢5進行診斷，診斷結果為泵抽空，軟件優(yōu)化建議為加深泵掛120 m，同時將泵由QYB-150優(yōu)化為QYB-100。當天上午11點18分管理區(qū)組織作業(yè)隊上井加深泵掛換小泵深抽，19點27分作業(yè)完成，20點16分再次用系統(tǒng)診斷工況正常。作業(yè)后產(chǎn)液量由127.6 t升至147.4 t，產(chǎn)油量由1.3 t上升至4.5 t，日增油3.2 t。

5 結論

1）電泵井井口安裝壓力、溫度、電參數(shù)、刮板流量計、視頻等自動采集設備，實時采集電泵井運行的各項參數(shù)，采用ZigBee無線通訊或4G網(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)控制終端，井場無需人工巡檢，數(shù)據(jù)無需手動錄取，減少了作業(yè)強度。

2）江河油田10口井80井次現(xiàn)場試驗表明，該軟件系統(tǒng)診斷結果及優(yōu)化建議準確率高，實用性強，推廣價值高。

3）電泵井實時智能化決策系統(tǒng)的應用，提高了電泵井的管理水平，達到無人值守、生產(chǎn)運行自動化管理、節(jié)能的目的。

[1]關于加快推進信息化與工業(yè)化深度融合的若干意見[Z].中華人民共和國工業(yè)和信息化部.2011.

[2]冉新權，朱天壽.油氣田數(shù)字化管理[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011：23-32.

[3]黃曉，石步乾，范喜群,等.電泵井優(yōu)化設計及工況診斷技術的應用[J].鉆采工藝，2000，23（6）：87-89.

[4]葉洲峰，張建軍，楊國強,等.電泵井遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)在河南油田的應用[J].石油工業(yè)計算機應用，2003，11（3）：23-25.

[5]李志強，葉洲峰，張建軍，等.河南油田潛油電泵井遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)研制[J].江漢石油學報，2003，25（3）：29-30.

[6]黃志強，羅旭，彭世金，等.智能井智能化開采系統(tǒng)軟件開發(fā)[J].石油鉆采工藝，2014，36（6）：55-59.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.02.013

2016-12-08

（編輯 李珊梅）

張朋，2011年畢業(yè)于長江大學（石油工程專業(yè)），現(xiàn)從事油田智能化建設及井下工具的研究工作，E-mail：zhangpeng123.hnyt@sinopec.com，地址：河南省鄭州市鄭東新區(qū)正光北街33號，473000。

中石化股份公司科研項目“提高采油系統(tǒng)效率與智能化監(jiān)控技術”（編號：P15121）。