楊志山（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

抽油機井示功圖和動液面數(shù)據(jù)是判斷抽油機井工作狀況的重要依據(jù)，這兩個參數(shù)獲取的及時性與準確性對判斷油井工作狀態(tài)、保證油井正常運行至關(guān)重要。A油田目前因井數(shù)多、分布廣，依靠傳統(tǒng)的人工測試僅能保證為每月覆蓋1次，不僅工作量巨大，資料錄取周期也相對較長，油井一旦出現(xiàn)泵漏失、低沉沒度等情況無法及時發(fā)現(xiàn)，導致無法及時采取應(yīng)對措施，不僅影響產(chǎn)量，也增加的電量的無效消耗，降低了系統(tǒng)效率。為解決這一問題，A油田在2021年開展了基于電參數(shù)的工況診斷技術(shù)研究，該技術(shù)通過建立數(shù)學模型將電動機運轉(zhuǎn)時的電參數(shù)反演成示功圖，并根據(jù)反演示功圖實時推算動液面數(shù)值，為及時判斷抽油機井工作狀態(tài)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。同時該技術(shù)還具備智能控制功能，根據(jù)電參示功圖的飽滿度對油井運行參數(shù)進行智能閉環(huán)調(diào)控，可有效改善供排系關(guān)系，降低舉升單耗。

1 結(jié)構(gòu)組成及原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

電參數(shù)工況智能診斷技術(shù)主要是由處理器、曲柄位置傳感器、電動機轉(zhuǎn)速傳感器和三相電參監(jiān)測傳感器組成[1]。通過安裝在電動機尾軸上的電動機轉(zhuǎn)速傳感器和安裝在曲柄上的曲柄位置傳感器實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速和曲柄位置進行實時監(jiān)測，同時在配電箱內(nèi)部安裝三相電參監(jiān)測傳感器，以每秒100次高速采樣讀取電壓、電流、頻率、有功、無功等參數(shù)，最終由處理器將采集的各項參數(shù)進行計算、分析和處理[2-3]。

1.2 技術(shù)原理

電參數(shù)反演示功圖：通過三項電參監(jiān)測傳感器采集的電動機功率和電動機轉(zhuǎn)速傳感器采集的電動機轉(zhuǎn)速，計算出電動機扭矩，根據(jù)動力學傳遞關(guān)系和節(jié)點效率分布，計算出光桿懸點載荷[4]；同時，通過電動機轉(zhuǎn)速傳感器采集的電動機轉(zhuǎn)角，根據(jù)抽油機運動學關(guān)系，計算出曲柄轉(zhuǎn)角和光桿位移[5]。將計算得到的懸點載荷和光桿位移進行一一對應(yīng)，形成電參反演示功圖，然后對反演功圖的載荷數(shù)據(jù)與每口井實測功圖中的載荷數(shù)據(jù)進行逐點（360點）絕對值誤差對比，從而得到逐點的誤差率，對計算出載荷數(shù)據(jù)（360點）進行逐點修正，從而提高電參反演功圖的精確度[6]。反演示功圖修正見圖1。

圖1 反演示功圖修正Fig.1 Correction of inverse indicator diagram

計算動液面：利用反演示功圖計算動液面是根據(jù)反演示功圖遞進式疊加10 min進行分析，計算出上下沖程平均載荷，得到抽油泵的液柱載荷，減去動載荷影響，得到有效舉升液柱載荷，然后折算出有效舉升液柱高度，最終根據(jù)油壓套壓折算出動液面深度[7]。

智能閉環(huán)控制：油井智能閉環(huán)控制功能是在實時獲取示功圖及動液面的基礎(chǔ)上，通過與變頻技術(shù)相配合，由原來人為調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)改變?yōu)橹悄苷{(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，使油井始終處于最佳生產(chǎn)狀態(tài)。該技術(shù)的實現(xiàn)是由通訊模塊將采集的動液面、示功圖等信息傳遞給中心控制系統(tǒng)，中心控制系統(tǒng)對當前工況進行分析，根據(jù)預先設(shè)定的目標值智能制定調(diào)整方案，然后對變頻器發(fā)出調(diào)控命令，調(diào)整運行參數(shù)，進而引起動液面及示功圖的變化。經(jīng)過不斷的“監(jiān)測-分析-調(diào)整-再監(jiān)測”的閉環(huán)控制，持續(xù)改善油井供排關(guān)系，降低舉升單耗水平，使油井始終處于最佳生產(chǎn)狀態(tài)。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 驗證示功圖準確性

驗證電參反演示功圖的準確性是以人工測試示功圖為參照基準，重點從形狀、上下載荷、光桿位移三個方面對兩種方式得到的示功圖進行對比[8]，試驗中對5口井示功圖分別測試7井次，共計對比35組數(shù)據(jù)，結(jié)果為32井次載荷與形狀吻合度較高，吻合度高的部分示功圖對比見圖2。3井次載荷或形狀吻合度較差，準確率為91.4%，吻合度低的示功圖對比見圖3。對3組示功圖吻合度差的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)這3組數(shù)據(jù)中的人工測試示功圖分別為1個桿斷示功圖和2個蠟影響示功圖。因在這3個工況下，懸點載荷較正常工況發(fā)生較大變化，造成電動機負載與輸出功率較正常工況也發(fā)生很大變化，由電動機功率推導懸點載荷時因修正系數(shù)未發(fā)生改變從而導致反演示功圖誤差偏大。

圖2 吻合度高的部分示功圖對比Fig.2 Comparison of partial indicator diagrams with high coincidence

圖3 吻合度低的示功圖對比Fig.3 Comparison of indicator diagrams with low coincidence

2.2 驗證動液面準確性

驗證通過電參反演示功圖推算得到的動液面深度的準確性，同樣以人工測試動液面深度為基準，人工測試動液面與折算動液面數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。以誤差不超過10%判定為數(shù)據(jù)準確，5口試驗井分別測試7井次動液面，共計對比35組數(shù)據(jù)，其中誤差低于10%的共32井次，準確率為91.4%；誤差超過10%的共3井次，其中最大誤差達到85.4%。

表1 人工測試動液面與折算動液面數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.1 Data statistics of manually tested and converted dynamic liquid level

對3組動液面準確率低的數(shù)據(jù)進行分析，此3組動液面數(shù)據(jù)正好與示功圖對比吻合率偏低的3組數(shù)據(jù)對應(yīng)。經(jīng)分析，折算動液面是根據(jù)反演示功圖載荷差計算出的效舉升液柱高度折算出來的，載荷差越大說明有效舉升液柱高度越高，折算出的動液面越深；反之折算出的動液面越淺，準確率低的折算動液面數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2。由此3組對比示功圖可以看出，蠟影響的反演示功圖載荷差較人工測試示功圖載荷差小，因此表現(xiàn)出折算動液面較測試動液面較淺；在桿斷的情況下，反演示功圖的載荷中沒有液柱載荷，也就無法算出有效舉升液柱的高度，因此造成折算的動液面深度也不準確。

表2 準確率低的折算動液面數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.2 Statistical table of converted fluid level data with low accuracy

2.3 智能閉環(huán)控制效果

2.3.1 確定最佳控制目標

對抽油機進行智能閉環(huán)控制，首先要確定最佳控制目標。最佳控制目標要以產(chǎn)量最大、能耗最低為基本原則，通過人為改變抽油機運行參數(shù)，研究不同示功圖飽滿度下產(chǎn)量及能耗的變化情況。

為確定最佳示功圖飽滿度，現(xiàn)場選取4口井泵效良好的井進行試驗。當飽滿度為較大時，說明供液能力較充足，產(chǎn)量潛力未發(fā)揮；當飽滿度較小時，說明排液能力大于供液能力，參數(shù)過大，電量消耗高，因此需要通過監(jiān)測不同飽滿度下產(chǎn)量及電量的變化情況，以此確定既能充分發(fā)揮產(chǎn)量潛力，同時單耗水平較低的最佳飽滿度范圍。此次試驗首先通過人為調(diào)整抽油機沖次，控制功圖飽滿度在50%～100%之間變化。在動液面穩(wěn)定時，監(jiān)測油井在不同示功圖飽滿度下的產(chǎn)液量及耗電量情況。通過試驗數(shù)據(jù)對比，在示功圖飽滿度在85%～95%時，產(chǎn)量基本最大且機采單耗處于最低水平，因此確定示功圖飽滿度85%～95%為最佳范圍。

2.3.2 智能閉環(huán)控制試驗

確定最佳示功圖飽滿度范圍后，開展智能閉環(huán)控制試驗并跟蹤試驗效果。此次試驗分2組進行，其中第1組選取3口連續(xù)生產(chǎn)井，第2組選取2口間抽生產(chǎn)井。

1）連續(xù)生產(chǎn)井智能閉環(huán)控制：連續(xù)生產(chǎn)井的智能閉環(huán)控制試驗的控制對象是變頻器的輸出頻率，控制幅度為每次變化10 Hz，變化頻率為24 h變化1次。當實時監(jiān)測示功圖飽滿度超出95%時，控制系統(tǒng)向變頻器發(fā)出指令，升高變頻器輸出頻率，提高抽油機運行沖次，降低動液面深度，示功圖充滿度下降；當實時監(jiān)測示功圖飽滿度低于85%時，控制系統(tǒng)向變頻器發(fā)出指令，降低變頻器輸出頻率，降低抽油機運行沖次，升高動液面深度，提高示功圖飽滿度；當示功圖飽滿度處于合理范圍內(nèi)，系統(tǒng)進行持續(xù)監(jiān)測，不發(fā)出調(diào)整指令[9-10]。連續(xù)生產(chǎn)井智能閉環(huán)控制試驗效果見表3，通過對3口井試驗前后的數(shù)據(jù)進行對比，日產(chǎn)液量提高2.12 t，平均日耗電升高6.32 kWh，噸液單耗下降1.76 kWh/t，系統(tǒng)效率提高3.46%。

表3 連續(xù)生產(chǎn)井智能閉環(huán)控制試驗效果Tab.3 Test results of intelligent closed-loop control for continuous production wells

2）間抽井智能閉環(huán)控制：連續(xù)間抽井的智能閉環(huán)控制試驗的控制對象是間抽周期（1 h）內(nèi)的啟抽時間，變化幅度為啟抽時間每次調(diào)整5 min，調(diào)整頻率為24 h變化1次。當實時監(jiān)測示功圖飽滿度超出95%時，控制系統(tǒng)向變頻器發(fā)出指令，延長抽油機啟抽時間，降低動液面深度，示功圖飽滿度下降；當實時監(jiān)測示功圖飽滿度低于85%時，控制系統(tǒng)向變頻器發(fā)出指令，減少啟抽時間，升高動液面深度，示功圖飽滿度上升；當示功圖飽滿度處于合理范圍內(nèi)，系統(tǒng)進行持續(xù)監(jiān)測，不發(fā)出調(diào)整指令。間抽井智能閉環(huán)控制試驗效果見表4，通過對2口井試驗前后的數(shù)據(jù)進行對比，平均充滿程度升高21.25%，日產(chǎn)液量提高0.11，平均日耗電降低13.49 kWh，噸液單耗下降1.76 kWh/t，系統(tǒng)效率提高3.23%。

表4 間抽井智能閉環(huán)控制試驗效果Tab.4 Test effect of intelligent closed-loop control for intermittent production Wells

3 結(jié)論

1）電參數(shù)工況智能診斷技術(shù)反演的示功圖和折算的動液面數(shù)據(jù)準確率超過了90%，已初步具備替代傳統(tǒng)人工測試的基礎(chǔ)，但是對于部分井工況異常時，該技術(shù)的準確性和穩(wěn)定性還需進一步提高。

2）該技術(shù)的智能閉環(huán)控制功能，通過改變油井運行參數(shù)對功圖飽滿度進行控制，使油井供排關(guān)系得到了改善，不僅可最大程度挖掘生產(chǎn)潛力，同時也可降低機采舉升單耗。

3）該技術(shù)數(shù)據(jù)采集的準確性及智能閉環(huán)控制功能的適用性初步得到了驗證，為數(shù)字化油田建設(shè)提供了新的研究方向。