機(jī)采井智能采油技術(shù)研究進(jìn)展及趨勢

汪麗麗，胡秀榮

（大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

1 概述

近年來，智能采油技術(shù)在我國石油開采工業(yè)發(fā)揮著重要作用，能夠有效地促進(jìn)石油工業(yè)發(fā)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。長慶油田的數(shù)字抽采技術(shù)、吉林油田的電參數(shù)檢測技術(shù)、中石化的多參數(shù)調(diào)控技術(shù)等數(shù)字化集成技術(shù)為機(jī)采井邁向智能化發(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

2 機(jī)采井智能采油技術(shù)

2.1 機(jī)采井智能采油技術(shù)的工作原理

機(jī)采井智能采油技術(shù)原理，是通過在線動態(tài)檢測技術(shù)，提取油管與套管的環(huán)形裝置的動液面作為調(diào)控參數(shù)，通過對比動液面參數(shù)的實(shí)際值與設(shè)定值的波動范圍，改變油井電動機(jī)自動變頻的調(diào)頻，從而調(diào)節(jié)抽油桿聯(lián)動的抽油泵做機(jī)械往復(fù)的頻次，最終機(jī)采井實(shí)現(xiàn)智能采油的全過程。從技術(shù)分類范疇來看，智能采油技術(shù)是一種將自動化技術(shù)、信息轉(zhuǎn)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)智能運(yùn)算技術(shù)綜合性集成技術(shù)。機(jī)采井智能采油的工作流程，當(dāng)動液面的實(shí)際值高于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，井下的供液體的能力強(qiáng)，中心控制系統(tǒng)將加強(qiáng)抽油泵電動機(jī)的運(yùn)行頻率，及時(shí)調(diào)整抽排油層的速率；當(dāng)動液面的實(shí)際值低于系統(tǒng)的設(shè)定值時(shí)，說明井下提供液體的能力較弱，中心控制系統(tǒng)將減少抽油泵電動機(jī)工作頻次，減慢油泵排出液體的速率，從而建立油井提供液體的能力與油泵排出液體的能力成為動態(tài)的平衡，實(shí)現(xiàn)對油泵的高效、智能化控制。

2.2 智能采油的工作系統(tǒng)

2.2.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)

機(jī)采井智能調(diào)整系統(tǒng)的首要參數(shù)是動液面，即油管與套管之間環(huán)形裝置的液面，該液面的作用是計(jì)算抽油泵沉沒度和油井底部流體壓力的重要依據(jù)。動液面直接反映出油井提供液體的多少，通過液體提供量可以得出油井的生產(chǎn)能力與開采持久性，最終影響智能采油技術(shù)在油井的應(yīng)用。動液面檢測的介質(zhì)是次聲波，一種頻率小于20Hz的聲波，比正常的聲波在油管及套環(huán)之間傳播的距離更遠(yuǎn)，信號檢出率和響應(yīng)度更高。動液面檢測以音標(biāo)法為基礎(chǔ)，通過打氣泵在套管間產(chǎn)生次聲波，遇到氣體-油層過渡帶發(fā)生聲波的反射，在不同套壓下通過對比前后聲速值，可以計(jì)算出油層動液面的位置。

為了彌補(bǔ)動液面數(shù)據(jù)檢測不準(zhǔn)確或供液排液調(diào)控失效的情況，智能采油技術(shù)集成了示功圖檢測系統(tǒng)，采用示功圖檢測儀在特定頻率下檢測不同做功情況，得到采油過程實(shí)時(shí)示功圖，從而對油井供液體情況進(jìn)行輔助評價(jià)。示功圖檢測儀的工作過程是，在一定時(shí)間間隔下，通過位移傳感器和荷載傳感器得到抽油機(jī)滑桿的位移以及受力點(diǎn)載荷，將機(jī)械數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電信號傳送給單片機(jī)處理器，完成數(shù)據(jù)分析和處理后，再通過無線單元接收信號并送智能控制數(shù)據(jù)終端裝置保存。

通常優(yōu)化控制系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程終端單元（RTU）、自動控制模塊、電動機(jī)變頻器、電參數(shù)據(jù)測量模塊和通訊裝置等。智能終端單元是智能控制系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)動液面數(shù)據(jù)或示功圖數(shù)據(jù)的分析處理變換工作，并將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成電子信號傳遞給遠(yuǎn)程中心控制系統(tǒng)處理器。最新的RTU裝置通常與控制裝置集成在一起，具有可視化、多功能性、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)本地閉環(huán)控制和調(diào)節(jié)。電參數(shù)據(jù)測量模塊是定期測定電動機(jī)參數(shù)，并轉(zhuǎn)化成電子信號供遠(yuǎn)程終端分析。當(dāng)通信模塊接收到中心處理器的調(diào)控指令后，經(jīng)由遠(yuǎn)程終端單元分析調(diào)配，再由控制單元執(zhí)行變頻的數(shù)值，表現(xiàn)為電動子抽油桿做往復(fù)運(yùn)動的沖程次數(shù)的改變，實(shí)現(xiàn)抽油泵的運(yùn)行速度與泵體進(jìn)液速度的動態(tài)匹配，從而維持采油泵的高效運(yùn)行。

2.2.2 中心分析及控制系統(tǒng)

機(jī)采井中心分析的核心組成是通用分組天線服務(wù)技術(shù)（GPRS）所擁有的路由器數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，包括數(shù)值交換機(jī)、自動分析軟件、動液面分析軟件、示功圖運(yùn)算軟件以及其他頁面輔助設(shè)備。采油井智能中心的分析過程，數(shù)值交換機(jī)獲得通用分組天線服務(wù)器傳遞的GPRS數(shù)據(jù)信號，動液面分析軟件和示功圖運(yùn)算軟件對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行分析和模擬環(huán)境，經(jīng)GPRS路由器提供數(shù)據(jù)運(yùn)算支持，經(jīng)人工核實(shí)后發(fā)布自動管控命令，將動液面、示功圖等多種參數(shù)通過數(shù)值交換機(jī)轉(zhuǎn)化成GPRS電子通信信號，經(jīng)GPRS路由器分解后傳遞給智能控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制模塊。機(jī)采井智能分析技術(shù)的方法是示功圖法和電參數(shù)法，其中示功圖法又可分為地面示功圖和井下示功圖。地面示功圖分析是利用懸點(diǎn)的載荷和位移開展示功圖分析，通過API類比實(shí)測的示功圖與標(biāo)準(zhǔn)示功圖的微小差別，分析診斷抽油機(jī)的工作狀態(tài)。井下示功圖則更多利用求解波的方程開展井下故障分析，該方法通常與人工神經(jīng)、矩陣特征法等人工智能技術(shù)結(jié)合，主要應(yīng)用在排除柱塞泵桿柱變形、機(jī)器非簡諧振動和慣性行動等危害因素的預(yù)防和研究工作。電參數(shù)法是基于測定的電參數(shù)模型，間接計(jì)算出示功圖。目前國內(nèi)的科研院所已經(jīng)能夠利用所測得的電參數(shù)，開展相關(guān)科學(xué)研究，如建立油井工況動態(tài)分析模型，排查電機(jī)輸出軸扭矩和懸點(diǎn)載荷，結(jié)合示功圖開展油井故障分析等。

機(jī)采井智能控制系統(tǒng)是油井采集數(shù)據(jù)、參數(shù)調(diào)節(jié)和控制的核心組成。在多電壓等級控制方面，系統(tǒng)根據(jù)不同的電壓等級建立分布式排列的電源柜，并配置獨(dú)立的總配電柜、獨(dú)立的控制開關(guān)，其中電潛柱塞泵和電潛螺桿泵都采用變頻調(diào)節(jié)功能，柱塞泵的變頻器同時(shí)具備變頻和改變充磁兩項(xiàng)功能。在采油智能控制環(huán)節(jié)，供電變壓器的容量能夠智能調(diào)節(jié)，在滿足油井動液面平衡的前提下，根據(jù)用電波峰和波谷的周期變化規(guī)律采取錯(cuò)峰供電，智能調(diào)節(jié)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，實(shí)現(xiàn)變壓器在“低電價(jià)多采，高電價(jià)少采”的經(jīng)濟(jì)化運(yùn)行模式。在電潛柱塞泵上引入柔性技術(shù)控制泵的震顫，通過改變柱塞泵的運(yùn)行頻率和波形空置比例調(diào)整減少泵體額外振動。在電動機(jī)的上下靜止點(diǎn)容易與殼體發(fā)生碰撞，進(jìn)而損壞機(jī)械設(shè)備，通過系統(tǒng)智能設(shè)定電機(jī)動子的運(yùn)行幅度，有效避免上下行靜止點(diǎn)接觸泵體，從而有效減少機(jī)械損傷性碰撞。同時(shí)，機(jī)采井中心控制系統(tǒng)除了具備現(xiàn)場/遠(yuǎn)程控制自由切換和現(xiàn)場手動控制三重功能，還必須加裝電子預(yù)警系統(tǒng)，并與緊急自我保護(hù)裝置聯(lián)動，共同組成機(jī)采井智能控制體系。

2.2.3 自我保護(hù)系統(tǒng)

自我保護(hù)系統(tǒng)是采油井智能開采過程中針對電壓電流的臨時(shí)突發(fā)情況而采取的一種自我調(diào)節(jié)保護(hù)機(jī)制，其目的是通過自動切換動作頻率，保護(hù)電動機(jī)變頻器及相關(guān)裝置。機(jī)采井智能開采的自我保護(hù)系統(tǒng)包括斷路器、繼電器和接觸器等控制元件。當(dāng)電源電壓劇烈下降或發(fā)生瞬時(shí)停電事故時(shí)，總線的電壓降低，此時(shí)電動機(jī)變頻器降低輸出頻率，適當(dāng)引導(dǎo)慣性能量回流母線電流，保持直流電壓值始終高于欠電動作電壓值，避免因?yàn)殡妷贺?fù)荷變化造成非必要停機(jī)；當(dāng)電機(jī)由于負(fù)荷較大或負(fù)載突變等原因?qū)⒁獙?dǎo)致臨時(shí)停車或短時(shí)再生性制動情況下，此時(shí)母線電壓過大，需要啟動自我保護(hù)機(jī)制降低輸出頻率，延長減速時(shí)間，降低制動軸的力矩，從而逐漸控制母線的電壓值穩(wěn)定。

2.2.4 自動報(bào)警系統(tǒng)

自動報(bào)警裝置是為了應(yīng)對采油過程突發(fā)情況建立的一種實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)控油井狀態(tài)變化的監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)。通常針對油井設(shè)備不同，發(fā)生事故的嚴(yán)重程度不同，建立不同等級、不同相應(yīng)程度的預(yù)警報(bào)警制度，從而為采油設(shè)備進(jìn)行自動化保護(hù)提供信息支持。采油井智能控制報(bào)警系統(tǒng)的突發(fā)情況包括，采油參數(shù)模擬運(yùn)算錯(cuò)誤、基礎(chǔ)物理參數(shù)報(bào)錯(cuò)、時(shí)效泵參數(shù)不在設(shè)定區(qū)間、采油裝置發(fā)生斷裂漏失情況、電動機(jī)頻率過載、通訊變頻等電氣設(shè)備故障等。

工況實(shí)時(shí)預(yù)警技術(shù)包括工況實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)篩查、工況問題算法研究和工況問題評價(jià)方法。機(jī)采井電動機(jī)優(yōu)選工況如下：電流0～150A，載荷0～140kN，沖程與沖程孔徑誤差不超過50%，沖程非技術(shù)性波動范圍不超過30%。工況數(shù)據(jù)的篩查應(yīng)該遵循的原則，實(shí)測電流和載荷值等單個(gè)參數(shù)應(yīng)該在優(yōu)化工藝范圍內(nèi)波動，示功圖等多個(gè)數(shù)據(jù)值應(yīng)該選擇中位數(shù)的上載荷對應(yīng)的示功圖數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)及時(shí)導(dǎo)入單位數(shù)據(jù)庫作為工況分析決策的參考。

3 國外智能采油發(fā)展趨勢

3.1 國外智能采油技術(shù)

當(dāng)前國外代表性的智能采油技術(shù)有三種，分別是WTF公司光纖傳感液壓采油技術(shù)、Baker公司的InCharge全電子化智能采油技術(shù)和InForceTM井下永久性參數(shù)測量液壓采油技術(shù)。WTF公司將光纖技術(shù)引入地下檢測系統(tǒng)用作井下傳感器，將液壓控制套件、液壓調(diào)配裝置、配套公共設(shè)備作為流體控制方案，整體上具備數(shù)據(jù)傳輸速度快、流量安全可靠、現(xiàn)場維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。Baker公司的InCharge系統(tǒng)簡化了動力系統(tǒng)的液壓元件，將電力系統(tǒng)與控制閥及調(diào)節(jié)閥智能化關(guān)聯(lián)，并且用單線串聯(lián)封隔器與井口組件，能夠?qū)崿F(xiàn)單一控制線同時(shí)對一口井內(nèi)的12個(gè)參數(shù)的檢測和調(diào)控。Baker公司的InForceTM系統(tǒng)將隔離器、遙控液壓管件與永久性檢測儀表互聯(lián)互通，其中多引線隔離器能對多個(gè)管件進(jìn)行精準(zhǔn)定位調(diào)節(jié)，SCADA控制器能夠?qū)崿F(xiàn)三層控制，即一根輔助控制線加兩根液壓平衡相關(guān)的控制管線，可以實(shí)現(xiàn)井下測量儀表與各種閥門及傳動裝置的自動或手動切換，保證井下測量溫度、壓力等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

3.2 國外采油智能控制系統(tǒng)

國外成熟的機(jī)采井智能控制系統(tǒng)，通常將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)場智能傳感裝置、本地控制器以及遠(yuǎn)程控制終端銜接，同時(shí)具備智能診斷、方案優(yōu)化、遠(yuǎn)程控制三大優(yōu)點(diǎn)。最典型的應(yīng)用是Schlumberger公司的Lift IQ人工舉升檢測系統(tǒng)和GE公司的FieldVantage遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)。Schlumberger公司的Lift IQ人工舉升檢測系統(tǒng)采用DesignPro軟件和Pipesim模擬器優(yōu)化采油設(shè)備穩(wěn)定程序ESP的用電量，降低了開采成本，提高了采油設(shè)備的舉升效率。GE公司的FieldVantage遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)集成了傳感器、控制器、通訊模塊、模擬軟件、終端顯示等元件，同時(shí)具備本地閉環(huán)控制和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，又可兼容抽油機(jī)、電動機(jī)、螺桿泵等大多數(shù)舉升裝置，具有平臺化診斷、模擬優(yōu)化計(jì)算、通用性廣等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 其他人工智能技術(shù)的應(yīng)用

云計(jì)算技術(shù)在智能采油領(lǐng)域的應(yīng)用。云計(jì)算技術(shù)作為一種共享計(jì)算設(shè)備、通用應(yīng)用程序、拓展儲存容量等的計(jì)算模式，具有設(shè)備投資少、運(yùn)算效率高、方便快捷、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。德國西門子公司開發(fā)出A14ESP預(yù)測性維護(hù)方案，將人工智能技術(shù)與采油設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控融合，提高了ESP設(shè)備的穩(wěn)定性，同時(shí)AI技術(shù)與供液物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合在采油工況分析中具有異常檢測、動作標(biāo)記和預(yù)期維護(hù)等優(yōu)勢。

數(shù)字孿生技術(shù)在智能采油技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)是將大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)依靠數(shù)字化軟件搭建虛擬的工業(yè)化運(yùn)行模型，并對真實(shí)生產(chǎn)工況進(jìn)行方案性指導(dǎo)。數(shù)字孿生技術(shù)具有可視化、虛擬化模擬、全流程全周期檢測和應(yīng)用等特點(diǎn)。目前，美國通用公司基于數(shù)字孿生技術(shù)的Preix工作平臺在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域開始應(yīng)用，OspreyData Vision工作平臺能夠應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行機(jī)械學(xué)習(xí)并開展早期ESP和電潛泵優(yōu)化分析實(shí)踐，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)檢測泵的工況狀態(tài)、實(shí)時(shí)診斷分析矯正泵在合理范圍內(nèi)運(yùn)行。

4 智能采油技術(shù)的發(fā)展趨勢

4.1 平臺井智能群系統(tǒng)

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，我國的石油開采已經(jīng)普遍推廣并應(yīng)用了機(jī)械化、自動化運(yùn)行的生產(chǎn)模式，隨之而來機(jī)采井的數(shù)量出現(xiàn)了大幅增長。隨著石油開采井的增多，開采用管桿磨損嚴(yán)重，設(shè)備集成化程度不高，存在設(shè)備不兼容、重復(fù)投資等現(xiàn)象。因此，在有條件石油開采區(qū)引進(jìn)消化吸收智能化、集約化、平臺化的新型開采平臺顯得尤為必要。同時(shí)，企業(yè)內(nèi)部要整合資源，大力發(fā)展采油平臺集中監(jiān)測、智能調(diào)峰、優(yōu)化設(shè)計(jì)等調(diào)控技術(shù)，從而不斷適應(yīng)油田智能化和集成化的發(fā)展要求，不斷提高生產(chǎn)運(yùn)行效率和企業(yè)管理水平。

4.2 基于邊緣計(jì)算機(jī)的智能化閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)

邊緣計(jì)算是指在生產(chǎn)數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣位置，打造數(shù)據(jù)檢測、分析、運(yùn)算及存儲為一體的分布式管理平臺，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)邊緣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和智能化處理的智能運(yùn)算技術(shù)。基于邊緣計(jì)算的機(jī)采技術(shù)本質(zhì)上是一種本地閉環(huán)數(shù)據(jù)檢測分析處理技術(shù)，由于無需經(jīng)過通訊系統(tǒng)和中心處理器遠(yuǎn)程調(diào)控，具有低投資、快應(yīng)答的特點(diǎn)，特別適合現(xiàn)場人員對設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化調(diào)節(jié)的要求。未來機(jī)采井智能化閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)將會減少人工調(diào)控，更多依靠油井自我感知、自我監(jiān)控、自我調(diào)控，實(shí)現(xiàn)無人值守、無人采樣的智能化、數(shù)字化開采的發(fā)展模式。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)加大數(shù)據(jù)集成技術(shù)

目前國內(nèi)的數(shù)字化石油開采工作還處于起步階段，長慶油田、勝利油田等雖然建成了機(jī)采井融合物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的試驗(yàn)采油平臺，但是在實(shí)際運(yùn)行中還是存在智能集成化程度不高、監(jiān)測數(shù)據(jù)精度有待改善等問題。未來，有必要借助人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，建立針對石油機(jī)采井平臺的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)整合平臺。

5 結(jié)束語

為了應(yīng)對石油開采中含水量逐漸增多的情況，國內(nèi)許多油田逐步采用機(jī)采井采油，對其工況、設(shè)備、維修的工作勢必提出更加嚴(yán)苛的要求，如何保障機(jī)采井平穩(wěn)高效地采油愈發(fā)成為制約石油行業(yè)健康發(fā)展的突出問題。借助數(shù)字化、人工智能的發(fā)展，在石油開采行業(yè)大力推進(jìn)智能化改造項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)機(jī)采井大平臺、大數(shù)據(jù)運(yùn)作，共同推動企業(yè)提質(zhì)增效。

積極對接國外機(jī)采井智能開采平臺，引進(jìn)國外先進(jìn)的OspreyData Vision、Lift IQ檢測系統(tǒng)、A14ESP預(yù)測維護(hù)系統(tǒng)等石油開采技術(shù)，提升我國石油化學(xué)工業(yè)機(jī)械裝備水平；鼓勵(lì)相關(guān)院校、高新技術(shù)企業(yè)加大相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，在國內(nèi)機(jī)采井的基礎(chǔ)上大力開展數(shù)據(jù)集成分布和智能化改造項(xiàng)目，從整體上逐步提高我國機(jī)采井的數(shù)據(jù)智能化水平，實(shí)現(xiàn)石油開采井的平穩(wěn)高效運(yùn)行。