抽油機載荷隨動控制系統的研制及應用

張少雷，劉凱輝，劉奇峰，艾波

(1. 河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘062552； 2. 中國石油天然氣集團公司西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834000)

多年以來，油氣開發生產過程中游梁式抽油機以其皮實耐用的特點一直受到油田生產單位的青睞。隨著變頻技術的不斷普及及應用，抽油機驅動也逐漸采用了變頻的方式[1]，隨之實現了無級調速的目的。但是，隨著油井開采的進行，井下供液能力在不斷發生變化，很多油氣井出現了供液不足現象，井下采油泵充滿度不斷降低，嚴重影響了油田生產單位的采收效率，增加了開采成本[2]。

傳統的變頻調速方式是整體改變抽油機的運行沖次，這樣雖然能在一定時間內提高泵的充滿度，但排采效率也會隨之降低。另外，當井下出現供液不足情況，抽油機下沖程時，抽油桿會受到強烈的反作用力，使抽油桿的彎曲度增加，降低了采油泵的有效沖程，增加了斷桿的概率。抽油桿沖擊現象如圖1所示。

針對上述問題，研究開發了一種抽油機載荷隨動控制方案，它能實時地監測抽油機的運行載荷，實時地調整抽油機1個周期內的運行速度，避免了抽油機的最大載荷沖擊，降低了抽油桿的彎曲度，提高了最大有效沖程，增加了抽油機的使用壽命和產液量[3]。抽油機載荷隨動控制是一種結合游梁式抽油機采油工況的智能型變速驅動技術，它將速度控制與采油工藝相結合，將傳統的變頻調速控制技術更加深入細化，根據實時功圖進行載荷隨動控制，達到了降低抽油機沖擊載荷、提高泵的最大有效沖程、提高充滿度和降低機械疲勞損耗的目的。

圖1 抽油桿沖擊現象示意

1 抽油機載荷隨動控制系統研究

抽油機載荷隨動控制是依據抽油機地面功圖的匯總分析而自動生成的單周期無級變速控制技術，將抽油機運行載荷曲線按照上、下沖程的方式平鋪展開，多張功圖重疊分析，采用一階滯后濾波算法減少數據采集的波動，借鑒大數據分析理論降低突發事件概率，形成最終的單周期變速策略，通過單周期速度匹配模型進行變速控制。

通常供液不足的油氣井會在地面功圖上有明顯的識別特點，該類功圖與理論功圖相比，在右下角有明顯的缺失，供液不足油氣井示功圖如圖2所示。

圖2 供液不足示功圖曲線示意

根據示功圖數據，將示功圖的載荷數據在時間軸上展開，形成抽油機1個周期內的載荷變化曲線，單周期載荷曲線如圖3所示。利用大數據分析理論，將多次采集的數據連續展開連接，形成多周期的載荷變化曲線，多周期載荷變化曲線如圖4所示。

圖3 單周期載荷曲線

圖4 多周期載荷變化曲線

得到抽油機多周期載荷曲線后，需要對游梁式抽油機進行載荷核算與分析，尋找載荷變化與抽油機懸點位移和井下泵的工作周期之間的關系，利用抽油機沖次速度變化，直接影響井下泵的抽汲狀態，減小供液不足井的液面撞擊力度。

抽油機懸點載荷分為靜載荷和動載荷。影響靜載荷的因素有抽油桿柱的重力、液柱載荷、泵的沉沒壓力和井口壓力，影響動載荷的因素有抽油桿柱和液柱的慣性載荷、震動和沖擊載荷、摩擦載荷等[4]。

1.1 抽油機桿柱載荷

上沖程時，抽油機桿柱在空氣中的重力Gr：

Gr=ArLρsg=GrL

(1)

(2)

父親感嘆：“真后悔沒有早點種樹，要是從你讀大學那年開始，現在又是另一番景象了。”我搖頭：“老爸，你的心思我不懂……”

(3)

式中：b——抽油桿在液體中的失重系數，b=(ρs-ρl)/ρs。

1.2 液柱載荷

抽油機只在上沖程時液柱載荷才會作用于驢頭懸點處，因此上沖程液柱載荷：

Wl=(AP-Ar)Lρmlg

(4)

式中：AP——活塞截面積，m2；ρml——油水混合液密度，kg/m3。

1.3 慣性載荷

慣性載荷既與抽油桿柱和液柱的質量有關，還與懸點處的加速度成正比，并且隨著抽油機運行的不同角度而呈現周期性變化[5]，加速度對懸點載荷的影響見表1所列。

表1 加速度對懸點載荷的影響

續表1

1.4 摩擦載荷

抽油機在運行過程中，作用在懸點處的摩擦載荷主要有以下幾種：

1)活塞與襯套之間的摩擦力，它的大小與活塞和襯套間的配合及泵徑的大小有關，直井中可以忽略。

2)抽油桿與油管之間的摩擦力，直井可以忽略。

3)液柱與油管之間的摩擦力，大小取決于液體流速和液體黏度。

5)液體通過游動閥的摩擦力，大小取決于游動閥的結構、液體流速和液體黏度。

抽油機在上沖程時主要受到1)，2)，3)項的影響，下沖程時受到1)，2)，4)，5)的影響。

1.5 其他載荷

抽油機懸點載荷還受到振動載荷、沉沒壓力和井口壓力的影響[6]。由于交變載荷中慣性載荷和液柱載荷的交替變化，引起了抽油桿的振動，從而產生了振動載荷。沉沒壓力會使懸點載荷減輕，井口壓力會使懸點載荷增重，兩者作用相反，會部分抵消產生的影響，因此在計算中可以忽略不計。

1.6 最大最小載荷計算

1)懸點最大載荷：

(5)

式中：S——沖程，m；n——曲柄轉速，r/s。

2)懸點最小載荷：

(6)

式中：R——曲柄回轉半徑，m；Lu——連桿長度，m。

1.7 建立載荷隨動調速機制

載荷隨動調速是跟隨懸點載荷的變化和懸點位移的主要位置情況進行針對性的變速調整[7]。當載荷在上沖程和下沖程的理論最大最小時，對比實際位置載荷進行井底情況的預處理和判斷，判斷當前井下采油泵的工作情況和位置，通過速度變換影響固定凡爾和游動凡爾的開合情況，盡最大限度地使泵桶內充滿液體，并提前預知碰撞位置，提前降速，進行緩沖。

懸點位移曲線是抽油機運行位置的唯一參考標準，是載荷隨動控制的基礎，如何正確地采集位移數據，保證數據的真實有效是控制的先決條件。由于載荷隨動控制將改變游梁式抽油機四連桿結構的物理運行函數，使得懸點處的加速度發生變形，常規的無線示功儀采集的示功圖和位移參數已經不再準確，所以在實際中使用傳感器進行懸點位移的測定，并采用一階滯后濾波算法對位移數據進行濾波處理[8]，濾波算法如下：

d=(1-a)dc+adl

(7)

式中：d——本次位移值，m；a——濾波系數，取0～1；dc——本次采集位移值，m；dl——上一次位移值,m。

由于控制精度問題，將通用的144個點的位移數據提升為200個點，在實際載荷和理論載荷達到最大之前進行降速，速度根據載荷大小進行對比控制。抽油機卸載后進行大幅度提速控制，加快下泵桶排空，提升抽汲效率。整個周期的速度控制是按照位移數值進行精確位置對應控制的，控制曲線由載荷曲線周期形態決定，控制點由實際載荷和理論載荷最大最小值決定，利用速度變化的反向加速度改善整個抽汲桿柱的受力情況，降低抽油桿彎曲度，增大有效沖程，提高充滿度。

2 載荷隨動控制系統集成

載荷隨動控制系統主要由游梁式抽油機、載荷傳感器、角位移傳感器、變頻電機、控制柜組成，載荷傳感器和角位移傳感器負責采集抽油機的懸點載荷和運行位移，控制系統中的RTU進行載荷隨動變速控制程序運算，控制柜內變頻器驅動變頻電機進行調速，載荷隨動控制系統結構如圖5所示。

圖5 載荷隨動控制系統結構示意

3 應用案例

經過現場試運行和系統控制參數調整，最終在某油田第二采油廠進行了現場試用驗證。載荷隨動變速控制采用類似人工提撈的仿生提液技術[9]，有效增大了泵的充滿度，提高了泵的排采效率，達到了最初的設計目的。試驗表明，載荷隨動變速控制尤其適用于泵效較低的井和稠油井。

1)有效改善功圖形態。載荷隨動變速控制有效改善了功圖形態，使功圖更加飽滿，載荷隨動變速控制功圖如圖6所示。

圖6 載荷隨動變速控制功圖對比示意

2)有效降低沖擊載荷。載荷隨動變速控制技術有效降低了抽油機排采過程中的沖擊載荷，載荷隨動沖擊載荷與工頻載荷對比見表2所列。

表2 載荷隨動沖擊載荷與工頻載荷對比

3)有效提高泵效。載荷隨動變速控制可智能識別上、下沖程，合理地安排抽油機運行速度，采用類似人工提撈的仿生提液技術，有效增大了泵的充滿度，提高了泵效，載荷隨動充滿度對比見表3所列。

表3 載荷隨動充滿度工頻充滿度對比

4 結束語

1)載荷隨動變速控制使得整個沖程過程可根據井況進行不定數量的分階段變速運行，懸點的運動速度始終根據井底情況不斷地進行自適應調整，在沖擊點來臨之前提前進行變速驅動控制，使整個抽采機械體有效避免了最大沖擊。

2)經過試驗證明，該控制方案更加適用于沖次低、供液不足的井，并對平衡度變化頻繁、低產、平均運行電流較大、電流跳動較大的井有明顯改善作用。

3)載荷隨動變速控制的成功研制，為抽油機精細化控制提出了一個新的方向，它將控制手段應用于抽油機的單周期控制內。該技術是自動化控制方法與采油工藝相結合的成果，充分挖掘了電氣控制在采油工藝上的應用，為用戶實現智能化和數字化油氣田管理，提高勞動生產率、節能降耗有明顯的積極作用。