水平井故障診斷技術研究與應用

羅改芬，高榮華，馬贊，黃貴花 ，馬煥煥

（1.延長油田股份有限公司勘探開發技術研究中心，陜西 延安 716000； 2.延長油田股份有限公司七里村采油廠，陜西 延安 717100）

傳統巡檢需要對抽油設備進行人工定時、定點巡視，靠眼睛、耳朵的感官去發現運行設備的異常，但巡檢的工作量、巡檢線路的長度與地理環境和氣候的變化都有很大的關系，不僅周期長、費時費力，設備故障的及時發現更是無從談起，一個月測試一次示功圖根本不能反映井下抽油泵運行狀況。針對上述問題，油田信息化建設應運而生，它是伴隨計算機在石油工業中應用而發展的，它是從剛開始的地震勘探，到后來的電子示功儀、計量站轉油站建設，直到現在油田進入數字化階段，該階段實現了油井和站點的實時監測、自動控制、自動預警和自動診斷。數字化抽油機控制柜、抽油機節能控制器、無人值守站和DMS 系統等技術，是油田現代化發展所必需的，對于水平井井況監測與控制也是亟需的。本技術將物聯網與油田生產工藝融合，以現場實時采集的油井示功圖為主要依據，遠程控制抽油機的工作制度，達到全面實現油田地面生產過程的自動化監測與遠程優化的目的[1]。

1 技術研究思路

為實現快速油田機采參數優化、故障診斷以及智能檢測等目標，首先需了解水平井當前生產工藝現狀和現場基礎通信條件，再結合設計目標，進行技術方案的設計，對比相關方案，通過試驗發現潛在問題并加以完善，試驗成功后再進行最終的推廣應用。

利用當今物聯網技術，將井場現場參數（如示功儀、電壓、電流等）傳到主控室[2]，在主控室中完成現場參數的接收、分析、計算，并將分析結果發送給現場執行機構，使抽油機按照最佳的經濟參數運行。依據現場生產和采油大隊管理模式，基于系統安全考慮，采用智能終端與智能分析系統相結合方法來實現水平井井況檢測和最優控制，如圖1所示。

圖1 技術路線圖

首先基于現場智能設備，完成功圖和電參數據采集，采集完成后進行本地數據分析和異常數據處理，檢測調節裝置當前狀態；同時將采集數據通過GPRS 上傳至服務器端，在服務器端進行產液量、油井故障和泵效分析，同時結合歷史參數，分析最優生產參數，并將指令下發給水平井控制器。最后依據下發的最佳指令，確定最終生產指令，并控制變頻器實現參數調節，完成調節后，進行生產狀態評價，為下一次調節做好準備。

2 井況監測技術研究

隨著物聯網技術的發展，油氣生產物聯網監控系統已經成為國內數字化油田向智能化井場發展的關鍵，其核心是通過示功圖與電流圖實現油井工況異常診斷、抽油機故障監控及油井的產液準確計量，在抽油機上、下沖程的同一個周期內同步采集示功圖、電流與電功率數據。

1）通過功圖傳感器，可以連續測量抽油機一個周期內光桿拉力與位移數據，并最終形成一個封閉的圖形，通過這個圖形來反映油井的狀況。其安裝在光桿上，所測量功圖數據通過4～20 mA 信號上傳到井口RTU。

2）電參數測量模塊由信號取樣電路、邏輯電路及其他元器件測量單元結構共同組成。由芯片完成三相電參數的測量以及以數字方式校正系統誤差（增益、相位和失調等）所必須的信號處理并對各項數據進一步加工處理。軟件主要的功能是完成測量數據的處理；同時，利用外部通信接口傳輸采集的數據，響應外部設備的各種查詢，校準數據設置操作。

3）在抽油機上、下沖程同一個周期內分別采集示功圖、電流與電功率數據，由同步處理單元定時喚醒休眠狀態的示功圖采集單元，電參單元接收到同步處理單元下發的同步采集信號，開始采集電參數據，直到同步處理單元下發同步停止信號，示功圖單元上傳示功圖數據完畢，下發電參單元上傳信號，待電流圖、功率圖數據上傳完畢，對示功圖、電流圖、功率圖進行同步算法處理，最后將圖形數據上傳至油井智能 RTU。

3 最優控制技術研究

提高抽油系統效率主要集中在以下兩個方面：一是提高設備的效率，即提高抽油機設備的利用率并保證在較低的能耗水平下，提高油井的產量；二是，優化抽油機的抽汲參數，使抽汲參數與油井的供液能力相匹配，實現最優化生產。當在采油設備生產性能和下泵深度已經確定情況下，抽汲參數中決定抽油系統效率的因素主要有沖程、沖次、泵徑。

在油田的實際生產中沖次是調節產量和提高效率實現節能高產的最快捷途徑，隨著變頻技術的應用，沖次調節可以實現無級自動調節。依據泵的充滿度以及當前產量需求調節沖次是目前采用較為廣泛的技術之一，從而實現對水平井井況實時檢測。系統會對所采集的水平井數據實時分析，依據油井生產規律，提出參數調節指標，利用智能控制裝置[3]，調節水平井的生產參數，從而提高水平井的生產效率，達到最優控制。同時通過自動調參設備的研發和應用，豐富了延長油田油井調參技術手段，降低了油井作業成本，在確保油井供排協調的前提，達到節能降耗、降本增效的效果。

4 應用情況

在延長油田志丹采油廠選取10 口井試驗，抽油機井平均沖次由每分鐘5.15 次降至4.2 次，下降了18.45%，在未使用該技術情況下，平均噸液耗電量13.292 kW·h，平均功率因數0.368；在使用該技術的情況下，平均噸液耗電量10.540 kW·h，平均功率因數0.851，噸液平均節電率為17.27%。依據油井目前實際產液能力，將現有過剩的抽油機的工作沖次與油井工況進行匹配下調，把以往多余消耗的電力輸出節約下來，同時把以往高頻次的機件載荷造成的系統磨損成倍降低，使油井在生產過程中的成本與損耗處于最低狀態，節約電力消耗和不必要的機械磨損[4]，達到了節能降耗的目的。