基于示功圖的抽油機智能間抽系統研究

曹慶年，張杰，孟開元

基于示功圖的抽油機智能間抽系統研究

曹慶年，張杰，孟開元

（西安石油大學， 陜西 西安 710065）

隨著油井產出液的開采，會出現油井供液能力不足的情況，造成抽油機運行效率低、耗能大等問題。針對這些問題，提出了一種基于示工圖分析的抽油機智能間抽系統。該系統根據數字化系統采集到的示功圖進行泵效分析，對供液不足的油井改為間抽模式。對間抽井提出了根據示功圖面積變化來確定間抽時間的控制方法。該系統在一個數字化間歇采油井組中進行應用，結果表明該系統有很好的節能降耗的作用。

示功圖；智能間抽系統；沖次優化；數字化系統

我國的油田多為低滲透的低能、低產油田，隨著油井的開采普遍出現供液不足的問題。抽油機不能根據井下液面的波動進行實時的調整，油井實際供液能力與抽油機電機輸出功率不匹配，供排不協調，既降低了抽油機工作效率又增加了抽油機設備損耗。雖然可以通過油層改造等措施，提高油井的供液能力，但都會使得油井供液能力較大幅度偏離設計排量，出現理論設計排量與地層供液能力參數不匹配的情況，增大開采難度[1-3]。因此，對于此類油井可以采用間抽的生產方式，并通過調節合理的沖次減少抽油機低效運行時間，來提高抽油機運行的效率，降低油田生產能耗。

目前，間抽的方法主要有限時間抽法和人工間抽法。限時間抽法是在規定的時間起抽和停抽，成本較低但效率低。人工間抽法需要大量的人工，通過對油田生產現場取樣測量來確定起抽和停抽，成本高執行難度大且易出現誤差[4]。因此，通過對抽油機工作狀態與示功圖理論的研究，提出了一種基于示工圖分析的抽油機智能間抽系統，通過自動采集示功圖分析面積變化情況，根據面積變化對抽油機進行合理的間抽與沖次調節。該系統依靠油田數字化系統，對抽油機的進行智能化的控制，在不影響產量的條件下，有效降低抽油機工作能耗。

1 智能間抽抽油機結構

智能間抽抽油機裝置主要包括速度、震動、溫度、壓強和示功圖傳感器、智能控制器、電參與變頻模塊。

圖1給出了具體的智能間抽抽油機結構圖，圖中電參模塊采集電機運行電流、電壓頻率等參數，實時監測驅動大小；電機速度傳感器根據采集電機轉角，監測電機的運行情況。智能控制器控制擺動運行與整周運行的切換，擺動的角度由采集到的曲柄位置、電參數及電機速度計算得出。變頻模塊控制電機在整周運行時柔性啟動，在擺動運行時按照控制指令進行驅動速度實時調整。

圖1 智能間抽抽油機結構

2 技術原理及系統設計

2.1 基于示功圖的泵效分析

油井的供液能力是由地層的壓力決定的，不能直接測量獲得。一口油井正常工作每一個抽油沖次得到的示功圖可以間接的反映油井的供液情況。示功圖面積的變化過程可以體現油井單位沖次內產油速度和采油速度之間的關系，不同面積的示功圖反映著抽油泵做功不同[5-6]。因此，可以根據示功圖面積變化對抽油機運行狀態的進行相應的調整。示功圖是由載荷和位移數據點組成的圖形。在進行位移傳感器和載荷數據信息采集時，得到的示功圖數據是一個離散的數組，數組包括沖次、載荷和位移。計算一個沖次的示功圖面積計算公式如下：

2.2 沖次調節技術原理

油井液面高度變化主要受采油速度和產油速度的影響。單純利用公式推導得到的抽油機示功圖與抽油機沖次的數學關系很難反映真實的油井情況。結合對油井生產的實際測試，推導出示功圖面積變化與抽油機沖次的關系，從而根據示功圖面積變化調整抽油機沖次，實現抽油機的節能降耗。示功圖面積差和沖次的對應關系如表1所示：

表1 示功圖面積差和沖次的對應關系

利用上述表格，可擬合出對應的公式：

式中對應沖次值，對應示功圖的面積差值。一口油井實際生產的數據如表2所示：

表2 示功圖面積差和沖次對應的實測數據

依靠軟件可以計算得出示功圖面積差與沖次對應的關系（誤差小于4%）公式為：

= 0.028 0+ 3.437 3 （3）

2.3 智能間抽方案設計

常規間抽井通過人工控制開/關井降低了平均沖次，使理論排量與油井產量相匹配，見到了較好的節能效果，但執行難度大且停機時間長，井筒容易結蠟造成抽油機故障，影響正常生產。通過對抽油機常規間抽方式的改進，用井下泵停抽，曲柄低耗擺動與整周運行工作方式，代替常規長時間停機間抽的工作方式。主要目的如下：

1） 停抽時曲柄做低能耗小角度擺動。

2） 擺動時桿柱運動控制在彈性變形范圍內，井下柱塞保持不動。

3） 擺動時桿柱在井筒中擾動井液，防止凍井口和井筒結蠟。

4） 到設定間隔，電機自動柔性啟動，抽油機連續運行抽油。

5） 抽油時井下動液面基本穩定、地面抽汲參數合理匹配，實現高效運行。

根據示功圖面積的變化控制抽油機的工作狀態，當前后時刻示功圖面積相差較大且后一時刻示功圖面積變小時，抽油機變頻器工作由高頻變為低頻，電機轉速下降，采油速率降低；當后一時刻示功圖面積變大時，抽油機采油速率需提高，電機轉速上升，變頻器工作由低頻變為高頻。當某一時刻示功圖面積小于設定的最小值，進行不停機的擺抽。具體控制方案為：

4）從第二步開始重復，根據示功圖前后時刻面積變化的規律進行沖次調整或者不停機的擺抽，間抽控制流程圖如圖2所示。

3 實際應用結果分析

將開發的智能間抽控制系統在1個間歇采油井組（共計4口油井）進行測試，各油井的生產數據如表3所示。測試結果顯示4口油井間抽運行后每天的平均開井時間由14 h下降為5.5 h，每日節電44.6 kW·h，節電率56.7%，系統效率提高4.3%。測試結果表明智能間抽系統對油田生產起到了很好的節能降耗效果。

圖2 間抽控制流程圖

表3 各油井生產情況表

4 結論與展望

采用基于示功圖面積變化的抽油機運行模式大幅降低了抽油機運行時的能耗，并依靠改進的不停機短周期間抽工藝消除了啟動安全隱患，可全天候自動執行間抽采油，解決了常規油井間抽執行難度大和冬季井口凍堵等問題。在保證油田合理穩定生產的同時，降低能耗，滿足了油田對降本增效，節能安全的需求。但現有的數字化系統都是基于云端的中心式數據處理模式，隨著大數據時代的到來，已難以滿足油田數據業務對實時性和可靠性的需求。邊緣計算技術作為云計算技術的補充，通過對云端服務的下沉很好地彌補了云計算技術的缺陷，將是下一步油田優化生產的重要研究方向。

［1］鞏宏亮, 戚興, 常瑞清, 等. 抽油機不停機間歇采油技術研究與應用[J]. 石油石化節能, 2017, 7 (10): 3-6.

［2］李健. 不停機間抽井合理間抽制度研究[J]. 中外能源, 2020, 25 (01): 61-64

［3］孫成. 基于泵功圖的間抽技術研究[D]. 西安石油大學, 2018．

［4］謝瑛莉. 基于示功圖的油井智能間抽系統研究[J]. 長江大學學報(自科版), 2017, 14 (19): 97-98.

［5］徐向前, 周好斌, 李茂. 基于懸點示功圖面積變化的抽油機沖次優化調整方法[J]. 石油化工自動化, 2017, 53 (03): 44-46.

［6］李明江, 李珍, 邱亮, 等. 示功圖技術在長慶油田的應用[J]. 石油化工自動化, 2015, 51 (01): 43-45.

Research on Intelligent Pumping System of Pumping Unit Based on Indicator Diagram

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（Xi’an Shiyou University, Xi’an Shaanxi 710065, China）

With the production of oil well fluids, there will be insufficient fluid supply capacity of the oil well, causing problems such as low operating efficiency and high energy consumption of the pumping unit. In response to these problems, an intelligent pumping system based on indicator diagram analysis was proposed. The pump efficiency of the system was analyzed according to the indicator diagram collected by the digital system, and the pumping mode of oil wells with insufficient liquid supply was changed to the indirect pumping mode. A control method for determining the time of the intermittent pumping according to the area change of the indicator diagram was proposed for the semiagitator. The system was applied in a digital intermittent production well group, and the results showed that the system had good effect of energy saving and consumption reduction.

Indicator diagram; Intelligent pumping system; Stroke optimization frequency; Digital system

2021-01-13

曹慶年（1963-），男，山東省濟南市人，教授，工學碩士，1988年畢業于西北工業大學信號電路與系統專業，研究方向：通信與信息系統。

張杰（1996-），男，在讀碩士研究生，研究方向：計算機控制系統。

TE933

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1004-0935（2021）03-0340-04