馮國強,謝 雄,韓岐清,周文勝,張津紅,趙 鵬

(1中國石油大學石油工程學院,山東東營,257061;2.西南石油大學石油工程學院,四川成都 610500; 3.中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東廣州 510240;4.中石油大港油田分公司,天津 300280; 5.中海石油研究中心,北京 100027)

抽油機井系統(tǒng)動態(tài)實時分析模型

馮國強1,2,謝 雄3,韓岐清4,周文勝5,張津紅4,趙 鵬4

(1中國石油大學石油工程學院,山東東營,257061;2.西南石油大學石油工程學院,四川成都 610500; 3.中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東廣州 510240;4.中石油大港油田分公司,天津 300280; 5.中海石油研究中心,北京 100027)

針對傳統(tǒng)示功圖測試方法的不足,根據電機直接轉矩控制理論和抽油機運動學、動力學原理,建立抽油機井系統(tǒng)動態(tài)實時分析模型。該模型根據油井實測電流、電壓計算電機的輸出扭矩,結合抽油機動力傳遞過程和減速箱的平衡原理,計算減速箱的凈扭矩和油井負荷扭矩,根據抽油機的扭矩因數,計算得到光桿示功圖。實例分析表明,油井電參數測量是一種高精度可靠的測量手段,利用所建模型計算得到的扭矩曲線及示功圖與現(xiàn)場實際資料吻合較好,很好地反映了抽油機井的運行狀況,可實現(xiàn)油井系統(tǒng)動態(tài)實時分析。

抽油井;電參數;示功圖;實時分析

目前,油田技術人員分析抽油機井深井泵工況時,廣泛采用實測示功圖分析方法。實測示功圖可以反映深井泵在井下工作中的異常現(xiàn)象,結合油井地質情況、生產數據和儀器工作狀況,可用來分析油井的工作制度是否合理以及機、桿、泵參數組合是否與油層相適應。目前有兩類獲得示功圖的方法:直接使用載荷傳感器測量光桿載荷[1-2]和示功圖的間接測量[3]。前者載荷傳感器露天放置,易老化、使用壽命短以及人為破壞嚴重,沒有很好的應用效果。后者應用間接測量原理,通過測量一相電壓和三相電流來計算電機功率,而功率為扭矩和轉速的乘積,一般均假設抽油機的異步電機在一個沖程內的轉速為定值,所以用功率曲線計算示功圖存在著一定誤差。筆者基于油井實測電參數,結合抽油機動力學及運動學原理,分析建立油井工況系統(tǒng)動態(tài)實時分析模型。

1 電機輸出轉矩計算

定子磁鏈作為電機轉矩控制的關鍵狀態(tài)變量,其觀測準確度直接影響示功圖的計算精度。受傳感器安裝技術以及氣隙齒諧波的影響,磁鏈的直接檢測非常困難,常用的方法為間接測量法。定子電壓、定子電流和電阻是油田現(xiàn)場容易測量又能保證精度的電機物理量,因此本文中采用以下基于定子電壓和電流的磁鏈觀測模型[4]:

式中,ψs為定子磁鏈矢量,Wb;Us為定子電壓矢量,V;Is為定子電流矢量,A;Rs為定子電阻,Ω。

1.1 定子三相電壓、電流的坐標變換

由式(2)得到的兩相靜止坐標系下的電壓分量可求得定子電壓綜合矢量的幅值 us和電壓矢量相位φu,即

同理,可得到定子電流綜合矢量的幅值 is和相位φi:

1.2 有功功率、無功功率及功率因數的計算

根據式(2)和(3)得到的電壓、電流分量可計算電機的瞬時有功功率 P和無功功率Q,

因此,電機的視功率 Ps和功率因數 cosφ分別為

1.3 電磁轉矩、轉速估算模型

由于抽油機異步電動機通常以額定頻率運行,電機正常工作時定子電壓遠大于定子電阻壓降,因此定子電阻變化對估算定子磁鏈的精度影響很小。估算定子磁鏈分量ψα和ψβ的表達式為

定子磁鏈的幅值ψsm和相位φψ為

利用異步電動機的電磁轉矩方程和計算所得的定子磁鏈和電流分量可估算電機電磁轉矩 Te,

式中,pn為電機極對數。

根據計算所得的電磁轉矩、定子磁鏈幅值可估算電機轉子轉差角速度ωf,

式中,Rr為轉子電阻,Ω。

電機定子同步角速度ωs可由靜止坐標系下的定子電壓方程得到,即

因此,電機轉子機械轉速w的計算式為

結合電機機械損耗 P0,電機電磁功率 Pe、輸出轉矩 Tm和輸出功率 Pm分別為

2 抽油機井示功圖計算

曲柄受力分析如圖 1所示。

圖 1 常規(guī)抽油機曲柄受力簡圖Fig.1 Force analysis of conventional rod-pumped crank

2.1 扭矩的計算

減速箱輸出軸凈扭矩 Tn是利用電機直接轉矩控制算法推算得到的電機輸出扭矩,經由皮帶傳遞動力給減速箱所獲得的扭矩[9-11]。

通過電機輸出扭矩推算減速箱輸出軸凈扭矩Tn的計算式為

式中,Td為電機的輸出扭矩,N·m;ip和 ij分別為皮帶和減速箱的傳動比;ηp和ηj分別為皮帶和減速箱的傳動效率。

平衡扭矩計算式為

式中,Tr為減速箱平衡扭矩,N·m;Wcb和Wc分別為曲柄平衡塊和曲柄重力,N;R和 Rc分別為曲柄平衡和曲柄重心半徑,m;τ為平衡相位角,(°)。

油井負荷扭矩 Twn計算式為

2.2 懸點載荷的計算

其中

式中,P為懸點載荷,N;FT為扭矩因數,m;v為懸點瞬時速度,m/s;A為游梁前臂長度,m;C為游梁后臂長度,m;ω為曲柄旋轉角速度,s-1;θ2為曲柄與基桿的夾角,(°);θ3為連桿與基桿的夾角,(°);θ4為游梁后臂與基桿的夾角,(°)。

2.3 光桿位移的計算

示功圖表示的是懸點位移和載荷關系,而扭矩曲線反映的是扭矩和曲柄旋轉角的關系,因此只要找到位移和旋轉角的關系即可實現(xiàn)扭矩曲線到示功圖的轉換。通過引入沖程百分數,建立位移和旋轉角的關系[12],沖程百分數表達式為

式中,RP為從下死點算起的沖程百分數;φ為隨θ變化的角度,(°);L為連桿有效長度,m;K為曲柄軸中心到游梁軸中心的距離,m。

懸點加速度 a的計算式為

任意時刻懸點位移S為

由于懸點載荷 P與懸點位移 S都是曲柄轉角θ的函數,因此根據抽油機結構參數,即可得到由減速箱扭矩折算出的以懸點位移 S為橫坐標、懸點載荷P為縱坐標的示功圖。

3 實例應用

歧 626-1井使用的是常規(guī)抽油機CYJ12-4.8-73HB,沖程為 3.0 m,沖次為 4.2 min-1,曲柄旋轉半徑為 1.2 m,減速箱型號為JLH-1000/74,傳動比為 31.73,使用了 4塊平衡半徑均為 1 m的平衡塊。在電機的輸出扭矩曲線上,根據上、下死點標定的位置值取一個完整的抽油井運動周期,利用抽油機井系統(tǒng)動態(tài)實時分析模型進行計算分析。

3.1 電機機械轉矩

利用測試儀器,測試了歧 626-1油井 A,B兩相電壓和電流,測試曲線如圖 2所示。

圖 2 歧 626-1井測試電流和電壓曲線Fig.2 Testing electric current and voltage of well Qi626-1

基于所測量的兩相電壓和電流,利用電機轉矩計算模型可計算電機機械轉矩,如圖 3所示。從圖 3可以看出,該井電機在抽油機井上、下沖程中的輸出機械轉矩存在較嚴重的不平衡,上沖程電機承受著較大的負荷,輸出了正轉矩,下沖程電機沒有承受負荷,甚至在油井負荷的帶動下,輸出了負轉矩,電動機變成了“發(fā)電機”,這種工作狀況既降低油井系統(tǒng)效率、增加能量消耗,又降低電機的壽命。

圖 3 歧 626-1井電機機械轉矩Fig.3 Rotating torque of motors of well Qi626-1

3.2 油井示功圖

基于電機機械轉矩,利用示功圖計算模型可分別得到抽油機的懸點位移、減速箱扭矩和光桿示功圖,如圖 4所示。從懸點位移曲線可以看出,懸點位移和時間不是直線關系,表明抽油機在一個完整的沖程中不是勻速運動,而是變速運動,因此在建立位移和曲柄旋轉角的關系模型時,須考慮加速度的影響。從減速箱凈扭矩曲線可以看出,該井上沖程峰值扭矩明顯大于下沖程峰值扭矩,存在明顯的平衡不足。該井減速箱在上沖程承受正凈扭矩,而下沖程承受負凈扭矩,在交變扭矩的作用下,容易造成減速箱的疲勞損壞,工作壽命縮短,可通過調大平衡半徑或增加平衡塊質量來改善抽油機平衡和減速箱受力狀況。由示功圖可以看出:實測的示功圖和計算的示功圖具有相同的變化趨勢,數據吻合較好;示功圖中上下曲線大致平行,下沖程懸點載荷卸載延遲,在曲線上出現(xiàn)了一個“刀把”,表明該井存在供液不足的情況,需要調整抽汲參數以實現(xiàn)油藏供液和井筒舉升的協(xié)調,改善油井工況;上下沖程中曲線出現(xiàn)逐漸減弱的波浪線,是由于加速度引起的振動載荷疊加在示功圖曲線上,抽油桿柱的振動為阻尼振動,所以表現(xiàn)為逐漸減弱的波浪線。

圖 4 歧 626-1井位移、扭矩、示功圖計算結果和實測結果對比Fig.4 Comparison of calculation and testing results of displacement,torque and i ndicator di agram of well Qi626-1

在現(xiàn)場的測量過程中,這口井的減速箱在旋轉到 270°時,會發(fā)出“哐當”的一聲,在電機測量的信號中出現(xiàn)了一些尖脈沖。由圖 3的電機機械轉矩上也可以看出,該工況引起了電機機械轉矩的波動。由圖 4(b)可以看到曲柄轉角為270°時,減速箱凈扭矩出現(xiàn)了負異常,表明該井存在平衡不足問題,因此可以判定是產生了減速箱“背面沖突”,該工況可縮短減速箱齒輪壽命,導致減速箱出現(xiàn)機械故障。該工況在計算的油井示功圖上也有體現(xiàn),在曲柄轉角為 270°、懸點位移為 1.733 m處有個突起的尖峰,造成了載荷異常。由此看出,利用本文中建立的模型可以更好地分析油井系統(tǒng)動態(tài)。

4 結 論

(1)油井電參數測量是一種高精度和高可靠性的測量手段,利用電機轉矩控制理論和抽油機動力學和運動學原理建立的抽油機井實時動態(tài)分析模型,能夠獲得更準確的扭矩曲線及示功圖。

(2)大港油田岐 626-1井系統(tǒng)動態(tài)分析結果驗證了該模型的正確性。

(3)所建模型為數字化油田建設提供了一種有效的油井系統(tǒng)動態(tài)實時分析技術手段,具有推廣和應用潛力。

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(編輯 李志芬)

Real-ti me analysismodel of rod-pumped well system performance

FENG Guo-qiang1,2,XIE Xiong3,HAN Qi-qing4,ZHOU Wen-sheng5,ZHANG Jin-hong4,ZHAO Peng4
(1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Dongying257061,China; 2.College of Petroleum Engineering in Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China; 3.Shenzhen Lim ited Company,CNOOC,Guangzhou510240,China; 4.Dagang O ilfield,PetroChina,Tianjin300280,China; 5.CNOOC Research Center,Beijing100027,China)

Considering the disadvantages of the traditional detectingmethodsof indicator diagram,a real-time analysismodel of rod-pumpedwellperformancewas established according to themechanicsof direct torque control(DTC)technology,pumping unit kinematics and kinetics.In thismodel,the output torque was esti mated bymeasured voltage and current,and the net torque of the reducing gear box and the load torque of the wellwere calculated combining power trans mission process of pumping unitwith balance principle of reducing gear box.And the indicator diagram of polished rod load was obtained according to the torque factorof the pumping unit.The field analysis results show that the measurementofwell electric parameter is a high-precision and reliablemeasurementmethod.The obtained torque curve and indicator diagram by using thismodel agree wellwith field data,which can reflect theworking conditionsof pumping unit.And the real-time analysis of the rodpumped well system performance can be realized.

oilwell pumping;electric parameter;indicator diagram;real-time analysis

TE 355.5

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.04.016

1673-5005(2010)04-0084-05

2010-05-20

國家科技重大專項課題(2008ZX05024-04-008)

馮國強(1971-),男(漢族),山東東營人,講師,博士研究生,從事采油工程方面的教學與科研工作。