孫英偉 （大慶油田鉆探工程公司鉆井三公司）

抽油機(jī)井智能管理軟件的研究與應(yīng)用

孫英偉 （大慶油田鉆探工程公司鉆井三公司）

針對(duì)抽油機(jī)井傳統(tǒng)診斷技術(shù)符合率低、存在人工分析誤差等問(wèn)題，研究應(yīng)用了抽油機(jī)井智能管理軟件。以抽油機(jī)井動(dòng)態(tài)診斷模型為基礎(chǔ)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)模擬修正，建立仿真精度較高的抽油機(jī)井智能管理軟件，為水驅(qū)油藏開采提供指導(dǎo)和依據(jù)。通過(guò)智能管理軟件的綜合應(yīng)用，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率提高了6.92%，取得較好的應(yīng)用效果，可以高效精準(zhǔn)地進(jìn)行抽油機(jī)井的系統(tǒng)診斷和措施優(yōu)化。

抽油機(jī)井；智能管理；系統(tǒng)效率

診斷與優(yōu)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井科學(xué)管理，確保抽油機(jī)井安全經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行的重要技術(shù)手段。傳統(tǒng)的診斷技術(shù)主要是通過(guò)人工分析泵況進(jìn)行診斷，現(xiàn)場(chǎng)符合率較低、且存在誤差。目前，抽油機(jī)井的優(yōu)化技術(shù)主要是以節(jié)能或以防偏磨為目的，兩者無(wú)法兼顧；同時(shí)，抽油機(jī)井診斷與優(yōu)化缺少系統(tǒng)性的軟件，尚未實(shí)現(xiàn)多功能診斷技術(shù)的融合，也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)診斷與優(yōu)化技術(shù)的真正統(tǒng)一。為此，開展抽油機(jī)井運(yùn)行狀態(tài)的綜合智能診斷技術(shù)、系統(tǒng)節(jié)能與防偏磨的一體化優(yōu)化技術(shù)研究，建立智能化的綜合管理軟件，使抽油機(jī)井經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行，提高科學(xué)管理水平。

1 技術(shù)原理

1.1 抽油桿柱動(dòng)態(tài)與懸點(diǎn)示功圖的計(jì)算機(jī)模型

采用波動(dòng)方程描述抽油桿柱的軸向振動(dòng)，并以此為基礎(chǔ)對(duì)懸點(diǎn)示功圖、泵示功圖、抽油桿柱任意截面示功圖及其有關(guān)力學(xué)行為特征參數(shù)進(jìn)行仿真。建立抽油桿柱頂端位移邊界條件仿真模型、抽油桿柱底端載荷邊界條件仿真模型及沉沒(méi)壓力與排出壓力仿真模型，結(jié)合理論計(jì)算方法并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的光桿功率、有效功率及剛體摩擦功率來(lái)計(jì)算阻尼系數(shù)。描述抽油桿柱縱向振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型為二階雙曲偏微分方程，應(yīng)用差分法建立仿真模型，求得抽油桿柱各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)位移仿真結(jié)果，得出抽油桿柱頂端載荷，根據(jù)懸點(diǎn)載荷與懸點(diǎn)位移，繪制出懸點(diǎn)示功圖；根據(jù)柱塞集中載荷與柱塞位移的仿真結(jié)果，可以繪出泵示功圖。根據(jù)抽油桿柱動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果，可以對(duì)抽油桿柱任意截面示功圖、多級(jí)桿柱頂端示功圖進(jìn)行仿真；根據(jù)桿柱軸向分布力仿真模型，可以對(duì)桿柱軸向分布力進(jìn)行仿真。

1.2 抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的仿真模型

以懸點(diǎn)示功圖與泵示功圖的仿真結(jié)果為基礎(chǔ)，建立系統(tǒng)效率仿真模型。具體分為地面節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)的仿真模型、井下節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)的仿真模型、系統(tǒng)效率仿真模型[1]。

通過(guò)對(duì)光桿平均功率、曲柄軸凈扭矩與輸出功率、電動(dòng)機(jī)輸出軸扭矩與輸出功率、輸入功率的計(jì)算，建立地面節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)的仿真模型；通過(guò)對(duì)排量系數(shù)、有效功率、抽油泵輸入功率、盤根輸出功率的計(jì)算，建立井下節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)的仿真模型。系統(tǒng)效率分為地面效率與井下效率。地面效率為光桿平均功率與系統(tǒng)輸入功率的比值，可分解為電動(dòng)機(jī)平均運(yùn)行效率、皮帶減速箱平均運(yùn)行效率與換向機(jī)構(gòu)平均運(yùn)行效率；井下效率為系統(tǒng)有效功率與光桿平均功率的比值，可進(jìn)一步分解為盤根效率、抽油桿柱效率與抽油泵效率。

1.3 水驅(qū)直井桿管偏磨仿真評(píng)價(jià)模型

在垂直井中，抽油桿柱產(chǎn)生偏磨的條件是抽油桿柱在油管內(nèi)屈曲而產(chǎn)生彎曲變形。抽油桿柱受沿軸向的均勻分布力和懸點(diǎn)下沖程時(shí)集中于桿柱下端的集中軸向壓力的作用[2]。通過(guò)力學(xué)計(jì)算，建立水

驅(qū)直井桿管偏磨分析的力學(xué)模型、抽油桿柱軸向分布力的仿真模型、抽油桿柱底部偏磨有效軸向壓力的仿真模型、桿管偏磨臨界軸向壓力的仿真模型，引入偏磨指數(shù)評(píng)價(jià)桿管的偏磨狀態(tài)與偏磨嚴(yán)重程度。

1.4 抽油機(jī)井參數(shù)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真模型

1）抽汲參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。以系統(tǒng)效率最高為目標(biāo)函數(shù)的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，既可以保證系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)最大值，又可以保證偏磨指數(shù)實(shí)現(xiàn)最小值，能夠?qū)崿F(xiàn)提高系統(tǒng)效率與防偏磨（或減輕偏磨）的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2）抽油桿柱組合的優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)以系統(tǒng)效率最高為目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化抽油桿柱時(shí)，桿柱優(yōu)化結(jié)果為階梯桿柱，即在滿足強(qiáng)度條件下，應(yīng)采用最輕的抽油桿柱組合；當(dāng)以降低偏磨指數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，即以預(yù)防桿管偏磨為目標(biāo)優(yōu)化抽油桿柱時(shí)，桿柱優(yōu)化結(jié)果一般為啞鈴型桿柱或具有加重桿的組合桿柱，此時(shí)抽油桿柱的重量增加，系統(tǒng)效率降低。抽油桿柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)效率與防偏磨（或減輕偏磨）的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，兩者之間存在著矛盾性。

3）扶正器配置間距優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于通過(guò)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)尚不能完全防止桿管產(chǎn)生偏磨的抽油機(jī)井，目前廣泛應(yīng)用扶正器預(yù)防桿管偏磨。扶正器的配置原則應(yīng)保證抽油桿柱不和油管產(chǎn)生接觸摩擦。配置扶正器預(yù)防桿管產(chǎn)生偏磨的實(shí)質(zhì)是以犧牲扶正器的磨損來(lái)防止抽油桿柱產(chǎn)生磨損，同時(shí)由于扶正器材質(zhì)相對(duì)于抽油桿材質(zhì)較軟，也降低了油管的磨損速度。

1.5 抽油機(jī)井綜合診斷模型

1）泵況診斷。根據(jù)測(cè)得的光桿載荷及位移，計(jì)算出每級(jí)抽油桿柱頂部及抽油泵柱塞上的載荷和位移，并繪制出相應(yīng)的井下示功圖，根據(jù)地面及井下示功圖分析抽油系統(tǒng)的工況。

2）油管漏失診斷。根據(jù)井下泵示功圖對(duì)井下產(chǎn)量進(jìn)行診斷，與井口實(shí)測(cè)產(chǎn)量進(jìn)行對(duì)比，可以判斷油管是否漏失。

3）桿管偏磨診斷。由抽油桿柱各截面示功圖的仿真結(jié)果計(jì)算抽油桿柱的軸向分布力、桿管偏磨的臨界力。根據(jù)柱塞實(shí)際下行阻力、桿管偏磨的臨界力便可以判斷桿管是否偏磨。

4）電動(dòng)機(jī)功率利用率診斷。以實(shí)測(cè)懸點(diǎn)示功圖為基礎(chǔ)，對(duì)曲柄軸凈扭矩曲線、電動(dòng)機(jī)實(shí)耗功率曲線、電動(dòng)機(jī)平均實(shí)耗功率進(jìn)行仿真，并計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率利用率，由此判斷電動(dòng)機(jī)功率利用率的合理程度。

5）系統(tǒng)參數(shù)匹配的完善程度診斷評(píng)價(jià)。對(duì)目前參數(shù)條件下的系統(tǒng)效率進(jìn)行仿真，并優(yōu)化出系統(tǒng)最佳參數(shù)與最高系統(tǒng)效率，根據(jù)最高系統(tǒng)效率的實(shí)現(xiàn)率評(píng)價(jià)系統(tǒng)參數(shù)。

1.6 抽油設(shè)備優(yōu)選的數(shù)學(xué)模型

抽油設(shè)備選擇的具體內(nèi)容包括：抽油機(jī)型號(hào)、抽油泵直徑、抽油桿柱的組合與規(guī)格、電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率?？紤]系統(tǒng)最大產(chǎn)液量供產(chǎn)協(xié)調(diào)指標(biāo)、設(shè)備能力利用率指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)。在選擇抽油設(shè)備時(shí)，必須綜合考慮諸多因素，如系統(tǒng)實(shí)際產(chǎn)液量與預(yù)測(cè)產(chǎn)液量的差別、設(shè)備能力利用率、設(shè)備初期投資和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益等，但由于這些性能指標(biāo)優(yōu)劣的描述較為模糊，如懸點(diǎn)載荷利用率通常用高、較高、一般、較低、低等模糊語(yǔ)言來(lái)描述，采用普通數(shù)學(xué)方法很難對(duì)其進(jìn)行定量描述，為此采用綜合評(píng)判方法優(yōu)選抽油設(shè)備。計(jì)算所選擇的各個(gè)方案的目標(biāo)函數(shù)值，目標(biāo)函數(shù)值最大的方案即為最優(yōu)方案。

1.7 軟件功能

根據(jù)以上建立的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)了抽油機(jī)井智能管理軟件，其操作運(yùn)行環(huán)境為中文Windows XP,采用可視化程度較高的Visual Basic 6.0語(yǔ)言進(jìn)行編程。該軟件共包括12個(gè)功能模塊：井眼軌道模擬、油井流入流出特性曲線、系統(tǒng)效率仿真評(píng)價(jià)、設(shè)備節(jié)能仿真評(píng)價(jià)、桿管偏磨仿真、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、區(qū)塊整體優(yōu)化、機(jī)型優(yōu)選、經(jīng)濟(jì)仿真評(píng)價(jià)、舉升方式優(yōu)選、綜合診斷優(yōu)化、參數(shù)管理。

2 應(yīng)用效果

2.1 抽油機(jī)井綜合診斷功能應(yīng)用效果

通過(guò)懸點(diǎn)示功圖、泵示功圖仿真為基礎(chǔ)的抽油機(jī)井系統(tǒng)效率、桿管偏磨指數(shù)、系統(tǒng)效率極值、系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)匹配的仿真優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了泵況、偏磨、節(jié)能潛力的智能一體定量診斷評(píng)價(jià)。共診斷100口井，每口井進(jìn)行3項(xiàng)診斷，綜合診斷符合率達(dá)90.3%，如表1所示。

表1 抽油機(jī)井診斷情況統(tǒng)計(jì)

2.2 抽油機(jī)井參數(shù)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)效果

在抽油機(jī)井系統(tǒng)效率、桿管偏磨指數(shù)與系統(tǒng)可靠度計(jì)算機(jī)仿真模型的基礎(chǔ)上，將抽油機(jī)井抽汲參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，以系統(tǒng)效率最高為優(yōu)化目標(biāo)，并綜合考慮偏磨指數(shù)、機(jī)桿泵系統(tǒng)可靠度、設(shè)備承載能力、油井參量、桿柱強(qiáng)度等約束條件，建立了抽油機(jī)井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)井節(jié)能、防偏磨與提高可靠性的一體優(yōu)化。共應(yīng)用優(yōu)化了145口井，其中，調(diào)大參數(shù)20井次，調(diào)小參數(shù)110井次，換大泵10井次，桿管組合優(yōu)化15井次。

統(tǒng)計(jì)優(yōu)化前后無(wú)措施的52口井，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試有功功率、產(chǎn)液量及動(dòng)液面等生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化前平均系統(tǒng)效率21.64%，優(yōu)化后平均系統(tǒng)效率28.56%，提高了6.92%。其中50口井采取地面參數(shù)調(diào)整措施，優(yōu)化前平均系統(tǒng)效率21.52%，優(yōu)化后平均系統(tǒng)效率28.53%，提高了7.01%（表2）。2口井隨作業(yè)同時(shí)調(diào)整泵徑、桿柱組合以及優(yōu)化扶正，優(yōu)化前平均系統(tǒng)效率24.6%，優(yōu)化后平均系統(tǒng)效率29.3%，提高了4.7%（表3）。

表2 軟件優(yōu)化后參數(shù)調(diào)整情況統(tǒng)計(jì)

表3 井下工具優(yōu)化隨作業(yè)調(diào)整情況統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

1）建立了抽油機(jī)井系統(tǒng)效率計(jì)算機(jī)仿真模型。該模型綜合考慮了油藏特性、抽油設(shè)備性能、產(chǎn)出液物性與抽汲參數(shù)的綜合影響，具有廣泛的適應(yīng)性和較高的仿真精度，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

2）以提高系統(tǒng)效率為目標(biāo)，以控制偏磨為約束，建立了抽油機(jī)井系統(tǒng)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了防偏磨與提高系統(tǒng)效率的綜合優(yōu)化。

3）實(shí)現(xiàn)對(duì)舉升方式優(yōu)選、作業(yè)管理、節(jié)能管理以及經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)等方面的診斷與優(yōu)化，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率提高了6.92%，達(dá)到了節(jié)能降耗的目標(biāo)。

[1]陳德春，吳春洲，孟紅霞，等.不同抽油機(jī)井系統(tǒng)效率計(jì)算模型研究與節(jié)能效果[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13（10）：2808-2812.

[2]吳延強(qiáng)，吳曉東，韓國(guó)慶，等.基于偏磨分析的桿柱磨損壽命預(yù)測(cè)模型[J].石油鉆采工藝，2013，35（1）：79-82.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.11.016

2016-01-08

（編輯 賈洪來(lái)）

孫英偉，工程師，2006年畢業(yè)于東北石油大學(xué)（石油工程專業(yè)），從事鉆井技術(shù)工作，E-mail：sunyingwei@petrochina. com，地址：黑龍江省大慶市大慶油田有限責(zé)任公司鉆井三公司，163413。