基于電參示功圖技術的抽油機井智能優(yōu)化運行

徐廣天 徐天竺 谷瑀（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

某油田已進入特高含水開發(fā)階段，通過加大節(jié)能管理和技術措施的實施，各項指標得已控制，取得了一定的效果。但仍存在年耗電量增高、參數(shù)不合理井仍呈上升趨勢，造成電能浪費、機采設備無功磨損。針對上述問題，基于前期人工手動優(yōu)化運行機理分析和現(xiàn)場試驗，確定連續(xù)運行井優(yōu)化思路，依托電參數(shù)轉(zhuǎn)示功圖成果結合單井智能控制技術，制定優(yōu)化運行控制模式，進行現(xiàn)場試驗，對具有優(yōu)化潛力的抽油機井實施智能優(yōu)化運行，實現(xiàn)智能優(yōu)化全覆蓋。

1 技術原理

1.1 電參示功圖及其計產(chǎn)原理

電參采集處理模塊與數(shù)字定位模塊高精度采集抽油機井運行參數(shù)，計算電動機輸出功率沿曲柄旋轉(zhuǎn)一周的分布，結合抽油機井位置因數(shù)和扭矩因數(shù)，進而得到相應的電參示功圖[1]。

電參示功圖計算產(chǎn)液量原理[2]見圖1。根據(jù)公式可知，在泵徑一定的情況下，電參示功圖產(chǎn)液量與沖次、有效進液沖程的乘積成正比：

圖1 計算產(chǎn)液量原理

式中：Q為單井電參功圖產(chǎn)液量，m3/d；D為抽油泵活塞直徑，mm；L1為有效進液沖程，m；n為沖次，次/min；K為考慮各種因素導致的沖程損失的計產(chǎn)系數(shù)，取值0.86。

1.2 電參示功圖充滿度計算原理

1.2.1 有桿泵動態(tài)充滿度數(shù)學模型

有桿泵的泵筒充滿度為進泵的兩相流井液總量與柱塞升程容積間的比值，兩相井液流物性分布見圖2，氣水兩相井液在進泵時會受到井液進泵摩阻、泵內(nèi)外壓差、氣液比和泵工作制度（沖程和沖次等）的影響[3-7]。

圖2 兩相井液流物性分布

1）有桿泵動態(tài)充滿度數(shù)學模型。井液進泵后，柱塞行程增量ds所對應的泵內(nèi)液面高度增量dL計算式為：

式中：dL為泵內(nèi)液面高度增量，m；ds為柱塞行程增量，m；dt為時間增量，s；v2為泵內(nèi)液體流速，m/s；ns為沖次，次/min；S為沖程，m；s為柱塞行程，m。

由此，可得泵內(nèi)液面高度動態(tài)變化關系式為：

2）井液入泵數(shù)學模型。兩端面處，根據(jù)井液不穩(wěn)定流動的伯努利方程和等徑管路中的井液流速與位移無關、僅與時間相關的兩相流理論，可得到泵內(nèi)井液液面速度變化的微分表達式[8]：

式中：dv2為井液流經(jīng)泵內(nèi)液面的流速增量，m/s；dt為時間增量，s；g為重力單位，9.8 N/kg；Aw為尾管截面積，m2；L和Ls為泵內(nèi)液體的高度和泵的余隙長度，m；Lw為固定閥座的高度，m；p1和p2為泵入口和泵筒內(nèi)部壓力，Pa；ρ1和ρ2為入泵前、后的井液密度，kg/m3；Ap和Av為柱塞截面積和閥孔截面積，m2；μ為固定閥的流量系數(shù)[9]；v2為井液流經(jīng)泵內(nèi)液面的流速，m/s。

3）泵內(nèi)氣相狀態(tài)模型。在某一時刻t，柱塞位于s位置，泵內(nèi)自由氣體摩爾數(shù)為nm，壓力為po上沖程中，柱塞向上運動ds時，泵內(nèi)進液量為ApdL，自由氣體和壓力分別為nm+dn和p+dp，在溫度恒定的情況下，依據(jù)氣體狀態(tài)方程可得[10]：

將式（4）與式（5）相除，同時忽略二階小量整理后得

式中：p為壓力，MPa；s為柱塞行程，m；L為泵內(nèi)液體的高度，m；Ap為柱塞界面積，m2；Z為氣體壓縮因子；nm為泵內(nèi)自由氣體摩爾數(shù)；R為氣體常數(shù)8.341，J/(mol·K)；T為溫度，℃；dp為壓力增量，MPa；ds為柱塞行程增量，m；dL為泵內(nèi)液面高度增量，m；dn為柱塞向上運動ds時，從油管和套管環(huán)空進入泵中空氣量，m3。

4）充滿度計算模型定解條件。上沖程中，當泵內(nèi)外壓差能夠克服固定閥球重力時，井液開始進泵，此時可得柱塞位移為so計算公式：

式中：so為柱塞位移，m；Ls為泵的余隙長度，m；R′余隙氣液體積比；n為多變過程指數(shù)，近似取為1.1；ps為抽油泵吸入壓力，MPa；pos為固定閥開啟時的泵內(nèi)井液壓力，MPa；Δp為泵閥開啟壓力。

1.2.2 充滿度計算模型仿真

根據(jù)泵筒動態(tài)充滿度計算模型進行仿真計算：假定油井套管外徑177.8 mm，油管外徑73 mm，日產(chǎn)液10 t/d，井口套壓0.55 MPa。油井工況影響見表1，研究沖次、泵入口壓力（沉沒度）對泵筒瞬時充滿度的影響。

表1 油井工況影響

沖次與充滿度關系見圖3，泵入口壓力充滿度關系見圖4。充滿度隨沖次的降低而增大，充滿度隨泵入口壓力（沉沒度）的增大而增大，因此可以尋求最佳充滿度作為最佳控制參數(shù)。

圖3 沖次與充滿度關系

圖4 泵入口壓力與充滿度關系

1.2.3 電參示功圖充滿度計算原理

電參示功圖充滿度η計算公式為：

式中：η為電參功圖的充滿度，%；L1為有效進液沖程，m；L2為有效沖程，m。

依據(jù)式（8）可知，當有效沖程一定時，有效進液沖程與充滿度成正比且通過模型得到充滿度隨沖次降低而增大，因此降低沖次后，存在目標產(chǎn)液量下的合理沖次。

2 智能優(yōu)化運行方案制定

針對常規(guī)參數(shù)調(diào)整不適應性的問題，首先確定以不影響產(chǎn)液量，單井能耗最低的原則，開展智能優(yōu)化運行試驗。以智能優(yōu)化自學習功能為手段，依托于電參示功圖自動計算充滿度功能，人為設定自動運行邊界條件，制定優(yōu)化運行方案。

2.1 智能優(yōu)化電參示功圖充滿度范圍確定

在連續(xù)優(yōu)化運行狀態(tài)下，借助油井數(shù)字化平臺，連續(xù)監(jiān)測抽油機井充滿度、產(chǎn)液量、沖次等參數(shù)變化，監(jiān)測周期10 min/次。基于前期優(yōu)化運行機理分析和現(xiàn)場試驗，確定連續(xù)運行井優(yōu)化思路，初步制定優(yōu)化運行控制模式，現(xiàn)場試驗4口井，井1監(jiān)測曲線見圖5，可看出當沖次下降到一定程度后，充滿度上升幅度減慢，且沖次與有效進液沖程開始呈現(xiàn)下降趨勢。因此確定充滿度范圍在85%～90%，存在目標產(chǎn)液量下的最優(yōu)沖次。

圖5 井1監(jiān)測曲線

連續(xù)跟蹤4口試驗井數(shù)據(jù)，試驗效果見表2。優(yōu)化后平均充滿度為92%，噸液耗電下降1.63 kWh/t，沖次下降1.89次/min，日產(chǎn)液量下降僅0.42 t，驗證了存在目標產(chǎn)液量下的合理沖次，因此可以進行擴大推廣該試驗。

表2 試驗效果

2.2 智能優(yōu)化運行井摸索最佳充滿度過程

以當前連續(xù)運行一段時間內(nèi)的平均產(chǎn)液量作為初始目標產(chǎn)液量，同時記錄目前沖次作為優(yōu)化初始沖次。按照設定步長智能優(yōu)化運行一定時間并計算平均產(chǎn)液量，若產(chǎn)液量降幅超過設定值，則沖次按照設定值回退，運行一定時間后再次進行調(diào)整采集，若多次調(diào)整后產(chǎn)液量均低于目標產(chǎn)液量，則退回調(diào)整沖次，并固定沖次調(diào)整結束，開始持續(xù)運行；若產(chǎn)液量下降幅度小于設定值，則繼續(xù)調(diào)整沖次，繼續(xù)程序自學習調(diào)節(jié)至最佳充滿度區(qū)間，固定沖次結束調(diào)整，開始持續(xù)運行。

2.3 智能優(yōu)化運控制模式

1）優(yōu)化前充滿度小于最佳充滿度區(qū)間的實施精細調(diào)小參數(shù)，實現(xiàn)節(jié)能降耗。對于可以恢復到最佳充滿度區(qū)間的，摸索到最佳充滿度區(qū)間后固定到最優(yōu)沖次，穩(wěn)定生產(chǎn)；對于調(diào)整至最小沖次后仍不能達到最佳充滿度區(qū)間的井，轉(zhuǎn)不停機間抽模式運行。

2）優(yōu)化前充滿度大于最佳充滿度區(qū)間的實施精細調(diào)大參數(shù)，釋放產(chǎn)液能力。對于可以恢復到最佳充滿度區(qū)間的，摸索到最佳充滿度區(qū)間后固定到最優(yōu)沖次，穩(wěn)定生產(chǎn)；對于沖次調(diào)整至最大仍大于最佳充滿度區(qū)間，推送換大泵或落實泵況建議。

3 現(xiàn)場應用效果

現(xiàn)場應用24口井，試驗數(shù)據(jù)對比見表3。其中精細調(diào)小參13口、精細調(diào)大參3口，8口井參數(shù)變化幅度小于1.18%未對比效果。通過數(shù)據(jù)驗證，充滿度到達最佳運行區(qū)間后，實施精細調(diào)小參井節(jié)能率達22.47%，系統(tǒng)提高了7.68%；實施精細調(diào)大參井日產(chǎn)液量提升7.25 t，系統(tǒng)效率提高了15.1%，達到了預期的效果。

表3 試驗數(shù)據(jù)對比

統(tǒng)計參數(shù)調(diào)整幅度較大的16口井，按時率95%計算年節(jié)電能力達19.044 8×104kWh，電價按0.637元/kWh計算，年創(chuàng)經(jīng)濟效益12.131 6萬元。

對于精細調(diào)小參井，在最佳充滿度下可得到最佳沖次下的目標產(chǎn)液量，能耗顯著降低；對于精細調(diào)大參井，日產(chǎn)液顯著增加、系統(tǒng)效率明顯提升，充分釋放油井產(chǎn)液潛力。通過智能精細調(diào)節(jié)沖次，可實現(xiàn)單井產(chǎn)量最大、沖次最佳、能耗最低。

4 結論

1）確定了機采井智能優(yōu)化運行的最佳控制參數(shù)以及智能優(yōu)化控制模式，最佳充滿度區(qū)間為85%～90%。

2）通過建立智能優(yōu)化控制模式，抽油機井可自動摸索最佳充滿度下最優(yōu)沖次，保證在目標產(chǎn)液量下，節(jié)能效果最優(yōu)，日常管理方便的目標。

3）智能優(yōu)化控技術為油田參數(shù)不合理抽油機井調(diào)參，提供了有力的技術支持，對于未安裝數(shù)字化自動采集的油井也同樣具有重要的推廣應用價值。