劉 凱，孫 凱，封永利

(中國(guó)石化勝利石油管理局有限公司現(xiàn)河采油廠，山東東營(yíng) 257000)

將“四化預(yù)警平臺(tái)”應(yīng)用于油水井安全管理是現(xiàn)河采油廠圍繞油水井安全管理實(shí)施的一項(xiàng)有力舉措。傳統(tǒng)的油水井管理，主要通過(guò)人工巡檢、錄取相關(guān)資料，然后進(jìn)行分析，存在工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、采集上報(bào)周期長(zhǎng)、信息量不全等問(wèn)題，在操作中往往由于各種原因易發(fā)生人員傷亡事故。通過(guò)應(yīng)用四化預(yù)警平臺(tái)，改變以往現(xiàn)場(chǎng)管理人員被動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，甚至受到傷害的情況，通過(guò)海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)采集，網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)時(shí)把握生產(chǎn)全過(guò)程細(xì)微變化，在發(fā)生安全問(wèn)題前，采取有效措施控制風(fēng)險(xiǎn)，使安全管理工作更精細(xì)、更精準(zhǔn)。

1 “四化預(yù)警平臺(tái)”的重要意義

1.1 傳統(tǒng)的油水井管理模式不適應(yīng)當(dāng)前安全生產(chǎn)形勢(shì)需求

油水井管理是一項(xiàng)難度系數(shù)較大的工作，涉及面比較廣泛，尤其是安全風(fēng)險(xiǎn)方面會(huì)面臨較多問(wèn)題。從縱向看，安全問(wèn)題貫穿在整個(gè)油水井生產(chǎn)過(guò)程中；從橫向看，安全問(wèn)題也在管理制度、實(shí)施狀況和管理人員等方面均有牽扯，尤其是油水井異常工況下安全風(fēng)險(xiǎn)更高。采取有效措施避免安全問(wèn)題的出現(xiàn)，并且將風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)最大程度減小，是油水井安全管理必須完成的任務(wù)。

1.1.1有桿泵井井桿斷裂存在的安全風(fēng)險(xiǎn)

有桿泵井在生產(chǎn)過(guò)程中，抽油桿柱在井筒內(nèi)往復(fù)運(yùn)行，受到不對(duì)稱(chēng)循環(huán)載荷和井液腐蝕的作用，當(dāng)達(dá)到一定周期時(shí)，往往會(huì)突然發(fā)生斷裂，此時(shí)驢頭處負(fù)荷突然變小，桿柱運(yùn)行速度突然發(fā)生變化，如果現(xiàn)場(chǎng)人員正在井口附近實(shí)施壓緊盤(pán)根、井口保溫等操作，極易發(fā)生傷人事故。

1.1.2電泵異常停井存在的安全風(fēng)險(xiǎn)

潛油電泵舉升作為油田中后期提液穩(wěn)產(chǎn)的主要采油方式，在采油廠占有一定比例。潛油電泵井地面配套有專(zhuān)用控制柜，為潛油電泵機(jī)組提供交流電源，實(shí)現(xiàn)潛油電泵啟動(dòng)或停機(jī)操作?？刂乒袷且环N高壓設(shè)備，正常工作電壓在1 000 V左右[1]。電泵井生產(chǎn)過(guò)程中由于過(guò)載、欠載、短路等原因發(fā)生停井時(shí)，管理人員需要現(xiàn)場(chǎng)鑒定檢查具體停井原因，此項(xiàng)操作具有較大的危險(xiǎn)性。

1.1.3注水井套漏存在的安全風(fēng)險(xiǎn)

現(xiàn)河采油廠油田開(kāi)發(fā)已進(jìn)入高含水期，隨著注水開(kāi)發(fā)的進(jìn)行，地層的流體場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了很大的變化，加之頻繁的注水井增注、修井作業(yè)以及完井固井質(zhì)量、套管材質(zhì)與腐蝕等諸多因素的影響，注水井套管狀況變得越來(lái)越差。套損注水井生產(chǎn)過(guò)程中，注入水將無(wú)法到達(dá)目的層，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)涤诘乇?，造成環(huán)境污染及安全隱患。

1.2 四化系統(tǒng)為安全管理奠定了基礎(chǔ)

近年來(lái)，油田全面推動(dòng)“四化”建設(shè)工作。采油廠積極組織開(kāi)展建設(shè)工作，目前管理區(qū)已全部實(shí)現(xiàn)“四化”，完成了信息化提升改造，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油氣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)全過(guò)程采集監(jiān)控。以功圖為例，改造前功圖測(cè)試每月一次，通過(guò)機(jī)采參數(shù)判斷油井工況是否正常；“四化”改造后，通過(guò)載荷傳感器+位移傳感器(角位移或上下死點(diǎn)開(kāi)關(guān))30 min/次，根據(jù)實(shí)際需求可加密錄取，實(shí)現(xiàn)工況異常實(shí)時(shí)報(bào)警。油氣生產(chǎn)全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供了海量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為工況分析提供了有力支撐。技術(shù)人員通過(guò)建立組合預(yù)警模型，與單井管理措施相結(jié)合，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)油水井的日常管理由預(yù)警報(bào)警模式向診斷治理模式轉(zhuǎn)變，為安全管理奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 “四化預(yù)警平臺(tái)”探索建立

2.1 抽油機(jī)井桿柱應(yīng)力預(yù)警模型的建立

2.1.1最大折算應(yīng)力計(jì)算

桿斷的實(shí)質(zhì)為折算應(yīng)力大于許用應(yīng)力，而折算應(yīng)力主要影響因素有兩點(diǎn)：①工況不合理、油井結(jié)蠟、回壓過(guò)高等因素，增大生產(chǎn)載荷，進(jìn)而折算應(yīng)力變大，在高應(yīng)力狀態(tài)下生產(chǎn)發(fā)生桿斷；②受腐蝕、偏磨因素影響，抽油桿橫截面減小，相應(yīng)折算應(yīng)力變大，直至超應(yīng)力生產(chǎn)造成桿斷。在交變載荷下，折算應(yīng)力過(guò)大容易發(fā)生桿斷，見(jiàn)圖1。

圖1 交變應(yīng)力疲勞壽命室內(nèi)試驗(yàn)

根據(jù)應(yīng)力校核-奧金格公式[2]，在非對(duì)稱(chēng)循環(huán)載荷下的抽油桿應(yīng)力計(jì)算方程為：

(1)

式中：Pmax——懸點(diǎn)最大載荷,kN；

Pmix——懸點(diǎn)最小載荷,kN；

fr——抽油桿橫截面積,m2。

2.1.2預(yù)警模型建立

設(shè)置超應(yīng)力預(yù)警模型，即應(yīng)用四化大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)時(shí)提取抽油桿最大載荷、最小載荷，應(yīng)用最大折算應(yīng)力公式計(jì)算實(shí)時(shí)最大折算應(yīng)力。目前現(xiàn)河采油廠已全部應(yīng)用H 級(jí)抽油桿(鎳鉬鋼)，新桿的最大許用應(yīng)力100 MPa?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的多為修復(fù)桿，在設(shè)定閾值時(shí)結(jié)合《現(xiàn)河采油廠管桿管理辦法》，根據(jù)抽油桿使用頻次將修復(fù)桿分為一到四級(jí)，同時(shí)結(jié)合每口井的腐蝕、偏磨、井筒等情況，設(shè)定各自的許用應(yīng)力極限閾值，實(shí)現(xiàn)“一井一值”。同時(shí)考慮抽油桿在低于極限值時(shí)仍存在桿斷風(fēng)險(xiǎn)，因此設(shè)置三級(jí)預(yù)警機(jī)制，根據(jù)折算應(yīng)力超過(guò)極限閾值的程度進(jìn)行不同等級(jí)的預(yù)警(見(jiàn)表1)。采油管理人員根據(jù)預(yù)警級(jí)別，采取相應(yīng)治理措施(如調(diào)參、熱洗清蠟等)，及時(shí)降低抽油桿應(yīng)力，預(yù)防桿斷發(fā)生。

表1 三級(jí)預(yù)警機(jī)制

2.2潛油電泵多參數(shù)預(yù)警平臺(tái)的建立

技術(shù)人員利用自主研發(fā)的改進(jìn)型保護(hù)中心和無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)潛油電泵電流的自動(dòng)采集、傳輸和數(shù)據(jù)分析，并建立了多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的分析處理，并采取治理措施，從而保證電泵井穩(wěn)定生產(chǎn)，有效預(yù)防躺井的發(fā)生。

“多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)”包括自主改進(jìn)的保護(hù)中心、GPRS通訊模塊和數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)三相電壓、三相電流、功率因數(shù)、耗電量等多項(xiàng)電參數(shù)的連續(xù)采集、無(wú)線傳輸和大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控。同時(shí)開(kāi)發(fā)了電泵井多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)傳輸?shù)椒?wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件有6大模塊，分別是實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、單井綜合模塊、異常查詢(xún)模塊、啟停數(shù)據(jù)模塊、多參數(shù)日?qǐng)?bào)模塊和報(bào)警信息模塊，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析、分類(lèi)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控的同時(shí)，便于對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析梳理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)異常監(jiān)控報(bào)警，及時(shí)有效預(yù)防躺井。

2.3 注水井套漏預(yù)警平臺(tái)的建立

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)套漏井，自主研發(fā)了注水井動(dòng)態(tài)預(yù)警管理系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)，確定注水量、注水壓力、檢管周期等關(guān)鍵指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)閾值，做到對(duì)每一口注水井24 h全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了套管漏失問(wèn)題的預(yù)警，改變了過(guò)去注水井問(wèn)題發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、治理不及時(shí)的粗放做法。

套管漏失預(yù)警，以日注量、油壓作為預(yù)警指標(biāo)。以末次作業(yè)開(kāi)井后，穩(wěn)定注水條件下的平均日注量、平均油壓作為預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，日注量大于標(biāo)準(zhǔn)日注50%的情況為水量異常；油壓小于標(biāo)準(zhǔn)油壓40%的情況為壓力異常。水量異常與壓力異常都顯示該井存在套管漏失的可能。

圖2 異常井預(yù)警頁(yè)面

3 “四化預(yù)警平臺(tái)”應(yīng)用

3.1 抽油機(jī)井桿柱應(yīng)力預(yù)警模型應(yīng)用

根據(jù)模型，對(duì)單井建立應(yīng)力預(yù)警模型。如河39-側(cè)平1井，該井為H級(jí)新抽油桿(鎳鉬鋼)，應(yīng)力極限閾值定為100 MPa，以此為標(biāo)準(zhǔn)建立三級(jí)預(yù)警模型，對(duì)其桿斷前的應(yīng)力情況進(jìn)行推演(見(jiàn)圖3)，結(jié)果顯示該井成功預(yù)警，其中二級(jí)預(yù)警4次，三級(jí)預(yù)警2次。

圖3 河39-側(cè)平1井預(yù)警推演結(jié)果

技術(shù)人員在前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上，在有桿泵井全面推廣應(yīng)用模型。根據(jù)預(yù)警情況，現(xiàn)場(chǎng)管理人員提前采取措施，通過(guò)降低沖次、熱洗等工作降低桿斷風(fēng)險(xiǎn)，更降低了現(xiàn)場(chǎng)管理人員操作風(fēng)險(xiǎn)，將隱患消除在萌芽階段，避免隱患擴(kuò)大化[3]。目前采油廠年桿斷躺井約190 井次，通過(guò)該模型預(yù)警并成功實(shí)施治理后，預(yù)計(jì)年預(yù)防桿斷躺井40 井次，按檢泵費(fèi)用16 萬(wàn)元/口計(jì)算，年節(jié)省檢泵作業(yè)費(fèi)用共計(jì)640 萬(wàn)元。

3.2 潛油電泵多參數(shù)預(yù)警平臺(tái)應(yīng)用

平臺(tái)建立后，將電泵躺井治理重心前移，由被動(dòng)應(yīng)對(duì)躺井轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)預(yù)防躺井，目前應(yīng)用效果良好。典型井例：河51-斜130井過(guò)載停，預(yù)警模型報(bào)警后，管理區(qū)掌握第一手現(xiàn)場(chǎng)資料，制定了治理方案，采用105 m3電泵液進(jìn)行洗井，成功開(kāi)機(jī)(見(jiàn)圖4)。避免了一次躺井，節(jié)約作業(yè)材料費(fèi)用近35萬(wàn)元，更減少占產(chǎn)時(shí)間及日油損失，為適應(yīng)低油價(jià)提供了有力支撐。

圖4 河51-斜130井電流異常數(shù)據(jù)及報(bào)警流程展示

通過(guò)推廣該系統(tǒng)，一是信息無(wú)線傳輸，解放了人工；使用多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，極大縮短停井的發(fā)現(xiàn)時(shí)間，大大提高工作效率；同時(shí)無(wú)需人員現(xiàn)場(chǎng)判斷，大幅降低了操作風(fēng)險(xiǎn)。二是利用大數(shù)據(jù)，及時(shí)準(zhǔn)確分析處理數(shù)據(jù)，為降低單井能耗提供數(shù)據(jù)支撐；多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)能顯示每口井的有功功率、功率因數(shù)和耗電量等參數(shù)，為機(jī)泵優(yōu)化提供了依據(jù)；通過(guò)電量對(duì)比分析，開(kāi)展機(jī)泵優(yōu)化，降低電泵單井耗電。三是異常報(bào)警，及時(shí)處理現(xiàn)場(chǎng)異常情況，有效減少電泵躺井。截至目前已實(shí)施異常井處理成功19井次，節(jié)約作業(yè)費(fèi)用、材料費(fèi)等380萬(wàn)元，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

3.3 注水井套漏預(yù)警平臺(tái)應(yīng)用

通過(guò)應(yīng)用套漏預(yù)警平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)水量異常，即預(yù)警當(dāng)天日注與標(biāo)準(zhǔn)日注對(duì)比，大于標(biāo)準(zhǔn)日注50%，存在水量大幅上升情況的井，共50口。通過(guò)逐井分析、比對(duì)、整理，對(duì)50口水量異常井細(xì)化分類(lèi)，其中存在水量上升、壓力下降，高度疑似套漏井26口，占52%；水量上升、壓力升高，一般疑似套漏井共9口，占18%；調(diào)配非套漏因素15口。具體見(jiàn)表2。

表2 水量異常井分類(lèi)統(tǒng)計(jì)

針對(duì)水量、壓力異常存在套漏問(wèn)題的井，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展高度疑似套漏井治理19口，水量、壓力異常井由57口下降至38口。分別采取貼堵、卡封等措施，治理后恢復(fù)有效注水468 m3/d，累增注水9 542 m3。如河74-斜更10井，2016年2月25日壓力異常預(yù)警，油壓由26 MPa降至12 MPa。4月23日上午，封隔器找漏發(fā)現(xiàn)1 682.27～1 690.22 m存在漏失。2016年5月實(shí)施貼堵治理，現(xiàn)場(chǎng)一次性貼堵成功。開(kāi)作后增加有效注水24 m3/d，油壓從12 MPa提升至21 MPa，有效期達(dá)到176 d。目前河74-側(cè)斜9日油增加0.7 t/d，已增油66 t。同時(shí)通過(guò)應(yīng)用該預(yù)警，實(shí)現(xiàn)套損井的及時(shí)發(fā)現(xiàn)，避免長(zhǎng)期無(wú)效注水，更大幅降低了安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

a) 有桿泵井桿斷應(yīng)力預(yù)警轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)管理模式，實(shí)現(xiàn)了桿斷的提前預(yù)防，提高了有桿泵井管理水平，更降低了現(xiàn)場(chǎng)管理人員操作風(fēng)險(xiǎn)。

b) 潛油電泵井多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電泵井停機(jī)信息的實(shí)時(shí)顯示，現(xiàn)場(chǎng)管理人員可根據(jù)報(bào)警信息制定相應(yīng)措施，實(shí)現(xiàn)了高精細(xì)管理。

c) 注水井套漏預(yù)警平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)套漏井的提前預(yù)警，現(xiàn)場(chǎng)管理人員提前及時(shí)關(guān)停，防止注水過(guò)量造成地面返漿等事件。

d) 通過(guò)應(yīng)用“四化”預(yù)警平臺(tái)，在提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和運(yùn)行效率的同時(shí)，把安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)降到最低，進(jìn)一步減輕員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了員工的工作環(huán)境，讓員工更安全地工作。