曹慶年，張杰，孟開元

基于示功圖的抽油機(jī)智能間抽系統(tǒng)研究

曹慶年，張杰，孟開元

（西安石油大學(xué)， 陜西 西安 710065）

隨著油井產(chǎn)出液的開采，會(huì)出現(xiàn)油井供液能力不足的情況，造成抽油機(jī)運(yùn)行效率低、耗能大等問題。針對(duì)這些問題，提出了一種基于示工圖分析的抽油機(jī)智能間抽系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)數(shù)字化系統(tǒng)采集到的示功圖進(jìn)行泵效分析，對(duì)供液不足的油井改為間抽模式。對(duì)間抽井提出了根據(jù)示功圖面積變化來確定間抽時(shí)間的控制方法。該系統(tǒng)在一個(gè)數(shù)字化間歇采油井組中進(jìn)行應(yīng)用，結(jié)果表明該系統(tǒng)有很好的節(jié)能降耗的作用。

示功圖；智能間抽系統(tǒng)；沖次優(yōu)化；數(shù)字化系統(tǒng)

我國的油田多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，隨著油井的開采普遍出現(xiàn)供液不足的問題。抽油機(jī)不能根據(jù)井下液面的波動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，油井實(shí)際供液能力與抽油機(jī)電機(jī)輸出功率不匹配，供排不協(xié)調(diào)，既降低了抽油機(jī)工作效率又增加了抽油機(jī)設(shè)備損耗。雖然可以通過油層改造等措施，提高油井的供液能力，但都會(huì)使得油井供液能力較大幅度偏離設(shè)計(jì)排量，出現(xiàn)理論設(shè)計(jì)排量與地層供液能力參數(shù)不匹配的情況，增大開采難度[1-3]。因此，對(duì)于此類油井可以采用間抽的生產(chǎn)方式，并通過調(diào)節(jié)合理的沖次減少抽油機(jī)低效運(yùn)行時(shí)間，來提高抽油機(jī)運(yùn)行的效率，降低油田生產(chǎn)能耗。

目前，間抽的方法主要有限時(shí)間抽法和人工間抽法。限時(shí)間抽法是在規(guī)定的時(shí)間起抽和停抽，成本較低但效率低。人工間抽法需要大量的人工，通過對(duì)油田生產(chǎn)現(xiàn)場取樣測量來確定起抽和停抽，成本高執(zhí)行難度大且易出現(xiàn)誤差[4]。因此，通過對(duì)抽油機(jī)工作狀態(tài)與示功圖理論的研究，提出了一種基于示工圖分析的抽油機(jī)智能間抽系統(tǒng)，通過自動(dòng)采集示功圖分析面積變化情況，根據(jù)面積變化對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行合理的間抽與沖次調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)依靠油田數(shù)字化系統(tǒng)，對(duì)抽油機(jī)的進(jìn)行智能化的控制，在不影響產(chǎn)量的條件下，有效降低抽油機(jī)工作能耗。

1 智能間抽抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

智能間抽抽油機(jī)裝置主要包括速度、震動(dòng)、溫度、壓強(qiáng)和示功圖傳感器、智能控制器、電參與變頻模塊。

圖1給出了具體的智能間抽抽油機(jī)結(jié)構(gòu)圖，圖中電參模塊采集電機(jī)運(yùn)行電流、電壓頻率等參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測驅(qū)動(dòng)大?。浑姍C(jī)速度傳感器根據(jù)采集電機(jī)轉(zhuǎn)角，監(jiān)測電機(jī)的運(yùn)行情況。智能控制器控制擺動(dòng)運(yùn)行與整周運(yùn)行的切換，擺動(dòng)的角度由采集到的曲柄位置、電參數(shù)及電機(jī)速度計(jì)算得出。變頻模塊控制電機(jī)在整周運(yùn)行時(shí)柔性啟動(dòng)，在擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)按照控制指令進(jìn)行驅(qū)動(dòng)速度實(shí)時(shí)調(diào)整。

圖1 智能間抽抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

2 技術(shù)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基于示功圖的泵效分析

油井的供液能力是由地層的壓力決定的，不能直接測量獲得。一口油井正常工作每一個(gè)抽油沖次得到的示功圖可以間接的反映油井的供液情況。示功圖面積的變化過程可以體現(xiàn)油井單位沖次內(nèi)產(chǎn)油速度和采油速度之間的關(guān)系，不同面積的示功圖反映著抽油泵做功不同[5-6]。因此，可以根據(jù)示功圖面積變化對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。示功圖是由載荷和位移數(shù)據(jù)點(diǎn)組成的圖形。在進(jìn)行位移傳感器和載荷數(shù)據(jù)信息采集時(shí)，得到的示功圖數(shù)據(jù)是一個(gè)離散的數(shù)組，數(shù)組包括沖次、載荷和位移。計(jì)算一個(gè)沖次的示功圖面積計(jì)算公式如下：

2.2 沖次調(diào)節(jié)技術(shù)原理

油井液面高度變化主要受采油速度和產(chǎn)油速度的影響。單純利用公式推導(dǎo)得到的抽油機(jī)示功圖與抽油機(jī)沖次的數(shù)學(xué)關(guān)系很難反映真實(shí)的油井情況。結(jié)合對(duì)油井生產(chǎn)的實(shí)際測試，推導(dǎo)出示功圖面積變化與抽油機(jī)沖次的關(guān)系，從而根據(jù)示功圖面積變化調(diào)整抽油機(jī)沖次，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的節(jié)能降耗。示功圖面積差和沖次的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示：

表1 示功圖面積差和沖次的對(duì)應(yīng)關(guān)系

利用上述表格，可擬合出對(duì)應(yīng)的公式：

式中對(duì)應(yīng)沖次值，對(duì)應(yīng)示功圖的面積差值。一口油井實(shí)際生產(chǎn)的數(shù)據(jù)如表2所示：

表2 示功圖面積差和沖次對(duì)應(yīng)的實(shí)測數(shù)據(jù)

依靠軟件可以計(jì)算得出示功圖面積差與沖次對(duì)應(yīng)的關(guān)系（誤差小于4%）公式為：

= 0.028 0+ 3.437 3 （3）

2.3 智能間抽方案設(shè)計(jì)

常規(guī)間抽井通過人工控制開/關(guān)井降低了平均沖次，使理論排量與油井產(chǎn)量相匹配，見到了較好的節(jié)能效果，但執(zhí)行難度大且停機(jī)時(shí)間長，井筒容易結(jié)蠟造成抽油機(jī)故障，影響正常生產(chǎn)。通過對(duì)抽油機(jī)常規(guī)間抽方式的改進(jìn)，用井下泵停抽，曲柄低耗擺動(dòng)與整周運(yùn)行工作方式，代替常規(guī)長時(shí)間停機(jī)間抽的工作方式。主要目的如下：

1） 停抽時(shí)曲柄做低能耗小角度擺動(dòng)。

2） 擺動(dòng)時(shí)桿柱運(yùn)動(dòng)控制在彈性變形范圍內(nèi)，井下柱塞保持不動(dòng)。

3） 擺動(dòng)時(shí)桿柱在井筒中擾動(dòng)井液，防止凍井口和井筒結(jié)蠟。

4） 到設(shè)定間隔，電機(jī)自動(dòng)柔性啟動(dòng)，抽油機(jī)連續(xù)運(yùn)行抽油。

5） 抽油時(shí)井下動(dòng)液面基本穩(wěn)定、地面抽汲參數(shù)合理匹配，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。

根據(jù)示功圖面積的變化控制抽油機(jī)的工作狀態(tài)，當(dāng)前后時(shí)刻示功圖面積相差較大且后一時(shí)刻示功圖面積變小時(shí)，抽油機(jī)變頻器工作由高頻變?yōu)榈皖l，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，采油速率降低；當(dāng)后一時(shí)刻示功圖面積變大時(shí)，抽油機(jī)采油速率需提高，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，變頻器工作由低頻變?yōu)楦哳l。當(dāng)某一時(shí)刻示功圖面積小于設(shè)定的最小值，進(jìn)行不停機(jī)的擺抽。具體控制方案為：

4）從第二步開始重復(fù)，根據(jù)示功圖前后時(shí)刻面積變化的規(guī)律進(jìn)行沖次調(diào)整或者不停機(jī)的擺抽，間抽控制流程圖如圖2所示。

3 實(shí)際應(yīng)用結(jié)果分析

將開發(fā)的智能間抽控制系統(tǒng)在1個(gè)間歇采油井組（共計(jì)4口油井）進(jìn)行測試，各油井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表3所示。測試結(jié)果顯示4口油井間抽運(yùn)行后每天的平均開井時(shí)間由14 h下降為5.5 h，每日節(jié)電44.6 kW·h，節(jié)電率56.7%，系統(tǒng)效率提高4.3%。測試結(jié)果表明智能間抽系統(tǒng)對(duì)油田生產(chǎn)起到了很好的節(jié)能降耗效果。

圖2 間抽控制流程圖

表3 各油井生產(chǎn)情況表

4 結(jié)論與展望

采用基于示功圖面積變化的抽油機(jī)運(yùn)行模式大幅降低了抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)的能耗，并依靠改進(jìn)的不停機(jī)短周期間抽工藝消除了啟動(dòng)安全隱患，可全天候自動(dòng)執(zhí)行間抽采油，解決了常規(guī)油井間抽執(zhí)行難度大和冬季井口凍堵等問題。在保證油田合理穩(wěn)定生產(chǎn)的同時(shí)，降低能耗，滿足了油田對(duì)降本增效，節(jié)能安全的需求。但現(xiàn)有的數(shù)字化系統(tǒng)都是基于云端的中心式數(shù)據(jù)處理模式，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，已難以滿足油田數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性的需求。邊緣計(jì)算技術(shù)作為云計(jì)算技術(shù)的補(bǔ)充，通過對(duì)云端服務(wù)的下沉很好地彌補(bǔ)了云計(jì)算技術(shù)的缺陷，將是下一步油田優(yōu)化生產(chǎn)的重要研究方向。

［1］鞏宏亮, 戚興, 常瑞清, 等. 抽油機(jī)不停機(jī)間歇采油技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 石油石化節(jié)能, 2017, 7 (10): 3-6.

［2］李健. 不停機(jī)間抽井合理間抽制度研究[J]. 中外能源, 2020, 25 (01): 61-64

［3］孫成. 基于泵功圖的間抽技術(shù)研究[D]. 西安石油大學(xué), 2018．

［4］謝瑛莉. 基于示功圖的油井智能間抽系統(tǒng)研究[J]. 長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2017, 14 (19): 97-98.

［5］徐向前, 周好斌, 李茂. 基于懸點(diǎn)示功圖面積變化的抽油機(jī)沖次優(yōu)化調(diào)整方法[J]. 石油化工自動(dòng)化, 2017, 53 (03): 44-46.

［6］李明江, 李珍, 邱亮, 等. 示功圖技術(shù)在長慶油田的應(yīng)用[J]. 石油化工自動(dòng)化, 2015, 51 (01): 43-45.

Research on Intelligent Pumping System of Pumping Unit Based on Indicator Diagram

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（Xi’an Shiyou University, Xi’an Shaanxi 710065, China）

With the production of oil well fluids, there will be insufficient fluid supply capacity of the oil well, causing problems such as low operating efficiency and high energy consumption of the pumping unit. In response to these problems, an intelligent pumping system based on indicator diagram analysis was proposed. The pump efficiency of the system was analyzed according to the indicator diagram collected by the digital system, and the pumping mode of oil wells with insufficient liquid supply was changed to the indirect pumping mode. A control method for determining the time of the intermittent pumping according to the area change of the indicator diagram was proposed for the semiagitator. The system was applied in a digital intermittent production well group, and the results showed that the system had good effect of energy saving and consumption reduction.

Indicator diagram; Intelligent pumping system; Stroke optimization frequency; Digital system

2021-01-13

曹慶年（1963-），男，山東省濟(jì)南市人，教授，工學(xué)碩士，1988年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)信號(hào)電路與系統(tǒng)專業(yè)，研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

張杰（1996-），男，在讀碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

TE933

A

1004-0935（2021）03-0340-04