螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用

徐春亮 李丹 肖傳玉

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠；2.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠；3.大慶潤滑油分公司）

螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用

徐春亮1李丹2肖傳玉3

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠；2.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠；3.大慶潤滑油分公司）

針對傳統(tǒng)螺桿泵存在的地面驅(qū)動螺桿泵時，轉(zhuǎn)速瞬間提高，抽油桿產(chǎn)生很大的慣性扭矩，導(dǎo)致抽油桿承受的扭矩大于額定扭矩，抽油桿易擰斷；螺桿泵停機(jī)時，抽油桿的載荷扭矩瞬間釋放，抽油桿快速倒轉(zhuǎn)，容易造成抽油桿脫扣等問題，提出了應(yīng)用螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)解決上述問題的方案，介紹了螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)的適用條件、工作原理、系統(tǒng)組成、特點(diǎn)，以及現(xiàn)場應(yīng)用情況，并對實(shí)施效果進(jìn)行了分析評價。實(shí)踐證明，螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)是一種先進(jìn)的低成本油井開發(fā)生產(chǎn)工藝技術(shù)，具有很好的油田生產(chǎn)現(xiàn)場適應(yīng)能力和較高的性價比。對5口采用游梁式抽油機(jī)舉升方式且油井地層供液相對不足的油井，實(shí)施螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造，改造后其綜合節(jié)電率達(dá)到48.9%，年節(jié)電量達(dá)209 875 kWh，單井平均日節(jié)電達(dá)到115 kWh。此系統(tǒng)的應(yīng)用對推進(jìn)智能化油田建設(shè)具有促進(jìn)作用。

螺桿泵；閉環(huán)；智能采油系統(tǒng)；應(yīng)用；節(jié)能；增產(chǎn)

引言

螺桿泵采油工藝以其工藝簡單、管理方便，適用于高黏度、高含砂、大氣油比、低產(chǎn)油田的開采等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地用以開發(fā)稠油油藏[1]。螺桿泵是一種容積式泵，它的運(yùn)動部件少，沒有閥件和復(fù)雜的流道，油流擾動小，排量均勻，具有適應(yīng)性強(qiáng)，投資費(fèi)用低，管理簡便，排量調(diào)節(jié)方便，效率高，節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn)[2]。但傳統(tǒng)螺桿泵存在著以下不足：地面驅(qū)動螺桿泵時，轉(zhuǎn)速瞬間提高，抽油桿產(chǎn)生很大的慣性扭矩，導(dǎo)致抽油桿承受的扭矩大于額定扭矩，抽油桿易擰斷；螺桿泵停機(jī)時，抽油桿的載荷扭矩瞬間釋放，抽油桿快速倒轉(zhuǎn)，容易造成抽油桿脫扣[3]。隨著智能化油田建設(shè)步伐的推進(jìn)以及數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信息化和智能化技術(shù)在油田生產(chǎn)中的不斷應(yīng)用，不僅可以提高油氣開發(fā)生產(chǎn)效率，而且又能有效解決傳統(tǒng)油氣生產(chǎn)中的一些技術(shù)難題[4]。為此，在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，提出了《螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用》這一研究課題，并取得了良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

1 螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)的適用條件、工作原理及組成

1.1 適用條件

智能地面驅(qū)螺桿泵采油方式對于低產(chǎn)井、稠油井、出砂井均有較好的適應(yīng)性，且生產(chǎn)系統(tǒng)成本上升低，對直井具有較好的適應(yīng)性；對于定向井，要求其抽油桿受力深小于1200 m，油井采出液含砂量小于2.5%，油井硫化氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5×10-6，井溫小于100℃，泵下入深度套管完好，無變形，有良好的錨定條件[5]。智能地面驅(qū)螺桿泵系統(tǒng)主要由螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)組成。

1.2 工作原理

該系統(tǒng)的設(shè)計思路是根據(jù)光桿的扭矩、受力、螺桿泵井下液位、電動機(jī)電流、電壓等參數(shù)，以螺桿泵采油系統(tǒng)效率最高或能耗最小為設(shè)計原則，充分考慮智能采油系統(tǒng)的高效節(jié)能因素，構(gòu)成智能監(jiān)控閉環(huán)控制回路系統(tǒng)；通過設(shè)計高效節(jié)能的新型智能控制器，來實(shí)時調(diào)節(jié)電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，從而有效控制螺桿泵的運(yùn)行速度，使螺桿泵采油系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)，提高油井采油效率[6]。

該智能采油系統(tǒng)的工作原理是：傳感器的信息輸入模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制器，智能控制器根據(jù)該信息所反映的井下實(shí)時工況，由可編程控制器（PLC）發(fā)送一個信號給變頻器，變頻器根據(jù)該信號改變電動機(jī)輸入電壓頻率，并對三相異步電動機(jī)進(jìn)行無級調(diào)速，從而使抽油桿及螺桿泵轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度發(fā)生改變，進(jìn)而達(dá)到實(shí)時智能控制油井的開采。當(dāng)螺桿泵開機(jī)時，由PLC發(fā)出軟啟動指令，對螺桿泵進(jìn)行軟啟動；當(dāng)螺桿泵停機(jī)時，由PLC發(fā)出軟停機(jī)指令，對螺桿泵實(shí)施軟停機(jī)，可以有效避免抽油桿扭斷或脫扣現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3 組成

螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)是一個智能閉環(huán)智能采油系統(tǒng)，主要由井下檢測傳感器、數(shù)據(jù)采集電路、PLC、變頻器、配套電動機(jī)、螺桿泵、減速器和抽油桿柱等部分組成。該系統(tǒng)可以根據(jù)井下生產(chǎn)實(shí)時參數(shù)自動控制調(diào)節(jié)螺桿泵的實(shí)時轉(zhuǎn)速，使螺桿泵處于最佳工作狀態(tài)，避免抽油桿頻繁斷、脫問題，達(dá)到增產(chǎn)、節(jié)能降耗和提高油井機(jī)采系統(tǒng)運(yùn)行效率的目的。

2 螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)特點(diǎn)

1）智能化程度高。采用模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制器，高性能的智能控制器完全能滿足油田生產(chǎn)現(xiàn)場的使用要求。采用的PLC為西門子公司生產(chǎn)的S7-300系列，其控制準(zhǔn)確性高。

2）節(jié)能效果好。比傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)直接節(jié)電40%左右，綜合節(jié)電45%以上，同時還可降低油井變壓器的容量。

3）安全可靠性好。采用軟剎車電氣控制系統(tǒng)，具有柔性自動控制功能，能有效防止抽油桿斷桿、脫扣等機(jī)械事故。同時，還采用油井防抽空保護(hù)裝置，能有效解決油井因地層供液不足造成抽油機(jī)空抽的問題，確保油井連續(xù)生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行。

4）泵效高。其螺桿泵泵效比傳統(tǒng)游游梁式抽油機(jī)泵效高出25%。

5）自動調(diào)速。能根據(jù)油井供液情況，自動調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行頻率，調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速；能根據(jù)地層供液情況變化，自動調(diào)整油井生產(chǎn)工藝參數(shù)，具有柔性調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

6）噪聲低。采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，具有系統(tǒng)軟啟動、軟停車以及減少機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)等特點(diǎn)；與傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)相比，不僅電動機(jī)功率大大降低，而且降低了因機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)動作而產(chǎn)生的噪聲，有效改善職工的工作環(huán)境，減少職業(yè)危害[7]。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況及實(shí)施效果

2016年5月，大慶油田某采油廠在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，引進(jìn)應(yīng)用螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)，對5口采用游梁式抽油機(jī)舉升方式且油井地層供液相對不足，產(chǎn)液量低的油井實(shí)施整體節(jié)能技術(shù)改造，取得了良好的效果。項(xiàng)目實(shí)施前后5口油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比見表1。

由表1可知，應(yīng)用螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)后，油井產(chǎn)油量和產(chǎn)液量均得到提升，電動機(jī)功率因數(shù)平均提高0.496，平均單井日節(jié)電量達(dá)115 kWh，平均單井有功功率下降4.80 kW，平均單井無功功率下降14.52 kvar，百米噸液耗電下降4.12 kWh，綜合節(jié)電率達(dá)到48.9%，油井平均系統(tǒng)效率提升12.61%。通過應(yīng)用螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)，優(yōu)化了油井生產(chǎn)工藝狀態(tài)，降低了油井生產(chǎn)負(fù)荷，減少了油井變壓器容量，使油井更趨于高效、節(jié)能、低耗的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到了機(jī)采系統(tǒng)整體節(jié)能降耗和提高油井系統(tǒng)運(yùn)行效率和高效開采的目的。

4 綜合效益評價分析

通過螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用，有效地解決了油田稠油開發(fā)區(qū)塊油井舉升工藝不合理、油井系統(tǒng)效率低、能耗高以及噸油開采成本高等問題，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1）變壓器減容。通過實(shí)施螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用，降低了油井變壓器容量，優(yōu)化了油井供配電系統(tǒng)運(yùn)行配置。按照現(xiàn)行電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)計算，可降低年容量費(fèi)用12 480元。

2）節(jié)能。項(xiàng)目實(shí)施后，其綜合節(jié)電率達(dá)到48.9%，單井平均日節(jié)電達(dá)到115 kWh，5口油井年節(jié)電量可達(dá)209 875 kWh。按每千瓦時0.631元計算，預(yù)計可節(jié)省電費(fèi)132 431元。

表1 項(xiàng)目實(shí)施前后5口油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比

綜上分析可知，通過螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用，則產(chǎn)生年直接經(jīng)濟(jì)效益為14.4911萬元。

3）減排。按照節(jié)約1 kWh電能減排0.997 kg二氧化碳，即減少0.272 kg碳排放計算，應(yīng)用該系統(tǒng)每年可減少碳排放57 086 kg。

4）提高油井系統(tǒng)運(yùn)行效率。油井平均系統(tǒng)效率由節(jié)能技改前的16.18%提升到節(jié)能技改后的28.79%，達(dá)到了油井“能效倍增”的技術(shù)改造目標(biāo)，完全符合油田生產(chǎn)綠色、節(jié)能、低碳、高效、共享的發(fā)展理念。

5）提升油井生產(chǎn)時率。該工藝技術(shù)具有油井免維修、延長密封組件使用壽命、降低停機(jī)維修率、節(jié)省大量維護(hù)費(fèi)用的特點(diǎn)，增加油井采油工作效率和效益。

6）安全可靠性好，操作簡單方便。能根據(jù)油井供液情況，自動調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行頻率和電動機(jī)轉(zhuǎn)速；能根據(jù)地層供液情況變化，自動調(diào)整油井生產(chǎn)工藝參數(shù)，滿足油井連續(xù)生產(chǎn)不間斷輸送以及長距離連續(xù)輸送防止管道堵塞的工藝要求。

5 結(jié)論

實(shí)踐證明，螺桿泵閉環(huán)智能采油系統(tǒng)是一種先進(jìn)的低成本油井開發(fā)生產(chǎn)工藝技術(shù)，它具有系統(tǒng)整體運(yùn)行效率高、節(jié)能效果好、安全可靠性好、自動調(diào)速、噪音低、智能控制器性價比高、能有效提高油井生產(chǎn)時率等優(yōu)點(diǎn)，可解決部分油井供液不足、油井液面低、產(chǎn)液量少、油井開采成本高等問題。該系統(tǒng)采用模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制器，具有很好的油田生產(chǎn)現(xiàn)場適應(yīng)能力和較高的性價比，高性能的智能控制器完全能滿足油田生產(chǎn)現(xiàn)場的使用要求，它的應(yīng)用對推進(jìn)智能化油田建設(shè)具有促進(jìn)作用。

[1]呂彥平，吳曉東，李遠(yuǎn)超，等.螺桿泵井系統(tǒng)效率分析模型及應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2006，28（1）：64-68.

[2]朱益飛，石曉明，馬冬梅.提高孤東油田機(jī)采系統(tǒng)效率的探討[J].電力需求側(cè)管理，2009，11（4）：44-48.

[3]王用橋，伍名山，羅海峰.淺談配電系統(tǒng)節(jié)電技術(shù)應(yīng)用及效果分析[J].油田節(jié)能，2007（1）：44-46.

[4]朱益飛.運(yùn)用先進(jìn)監(jiān)控技術(shù)確保油氣管道安全[J].可編程控制器與工廠自動化，2010，10（6）：99-101.

[5]國家能源局.油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法：SY/T 5264—2012[S].北京：石油工業(yè)出版社，2012：1-12.

[6]朱益飛.新型直驅(qū)式螺桿泵地面驅(qū)動裝置在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能，2016，6（11）：51-53.

[7]史紅芳.提高稠油注汽開發(fā)質(zhì)量效果的探討[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2012，28（4）：32-34.

沙漠綠島石西油田

2017-04-20

（編輯 張興平）

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.10.008

徐春亮，2011年畢業(yè)于東北石油大學(xué)（油氣儲運(yùn)工程專業(yè)），從事地面工程管理工作，E-mail：xuchunliang@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)采油六廠四礦，163114。