油田機采系統能源管控建設與應用

付曉林

（大慶油田有限責任公司質量安全環保部）

“十三五”以來，油田企業在完成生產任務的同時，控投資、降成本也成為企業工作重點，其中，能源成本一直以來占比較大。如何在做好能源管理的基礎上，進一步探索能源管控建設，降低能源成本，協調生產與節能降耗的關系，對企業有效控制成本、提高油田效益至關重要。能源管理是指通過合理利用、科學管理、技術進步等途徑，使耗能設備充分發揮能源利用效果，能源得到最經濟、最合理的使用，即以最少的能源消耗獲取最大的經濟效益的管理方式。能源管控是一種現代化能源管理模式，是指為強化能源利用的有效管理與控制并持續改進，推動能源管理體系的建設，以基于互聯網和計算機的現代化能源管理數據庫為基礎，通過能源計量和在線監測，運用對標分析和系統優化的方法，實現能源利用最優化，促進經濟效益最大化。按照集團公司標準，油田企業能源管控分為五個等級，即計量級、監測級、分析級、優化級和智能級。

1 發展現狀

1.1 國內能源管控發展現狀

上世紀80 年代中期寶鋼引入日本能源管理中心至今已有近40 a。這一現代化、專業化的能源管理模式使我國鋼鐵企業從原有的事后統計、分析、查找原因的能源管理模式，向以生產流程和生產計劃為中心進行預案設置、過程跟蹤、實時統計和潮流分析的能源管理模式轉變；鎮海煉化分公司能源平衡與優化調度系統。主要功能模塊包含五個部分：能源綜合監控系統、能源優化與調度系統、重點耗能單元和設備的節能優化控制系統、企業用能分析與節能評估，實現了對企業公用工程的實時監控、故障診斷和綜合管理，及基于模型的“定量調度”和“事前調度”，給企業帶來1 600 多萬元的經濟效益，提高了公用工程系統的調度水平，實現了企業的系統性節能[1-2]。

1.2 國外能源管控發展現狀

BP 公司自2003 年起，逐步在所屬4 家煉化企業全面應用了Enviros 軟件公司開發的Montage 系統。該系統對來自過程信息系統的大量數據進行處理，并通過其強大的回歸分析功能獲得了更多、更合理的節能機會，在與Enviros 的專家咨詢團隊共同對現場工藝和設備進行調研后，確定節能目標和具體措施，以實現能源成本的顯著下降；Shell 公司主要利用其殼牌全球能源解決方案在其煉化業務領域建設能源中心，在能源監測方面，由于其所屬的煉廠大多數生產裝置和新建裝置都配備有較為完善的DCS 系統，因此其煉廠均采用了數據自動化傳輸和監測的方式。在能效改進方面，Shell 公司建立專業的節能咨詢專家團隊，該團隊通過對工廠歷史數據的分析建立預測模型，并利用專業軟件分析評估企業的節能潛力，以確保改進工作的持續進行[3-4]。

2 組織機構建設

成立能源管理組織機構，是實現油田企業節能目標、加強節能管理、推進技術進步、提高能源利用效率，充分、有效、合理地使用能源，切實做好油田企業各項能源管理工作有效保障。能源管理組織應包括組長、副組長，組員應包括油田能源管理、節能管理、用能單位相關管理人員，能源管理組織應下設能源管理辦公室，為油田企業能源管理的綜合管理和監督、檢查部門，在組長的領導下，負責做好能源管理的統籌、綜合、協調管理，負責督促、檢查和考核各專業、各用能單位的各項節能工作開展情況，使各項節能措施得以有效實施[5-6]。

3 建設與應用

3.1 平臺建設基礎

慶新油田能源管控建設以油田整裝數字化建設為基礎。自2010 年開始，慶新油田開始油田數字化建設，目前已建成無線網絡站址4 座，生產指揮中心1 座，監控終端3 個，搭建了井、間、站、管網統一信息系統平臺，開發了數據采集、視頻及定位監控功能于一體的生產指揮系統，實現了生產經營管理全面數字化。慶新油田數字化通信工程建設情況見表1， 數字自動化工程建設情況見表2。

表1 數字化通信工程建設情況Tab.1 Construction of digital communication engineering

3.2 機采系統能源管控建設

目前，國內外油田的油井主要以抽油機井為主，抽油機井由地面和井下兩部分組成，其中地面部分包括配電柜、電動機、減速箱、四連桿機構；井下部分包括抽油泵、油管和抽油桿。機采系統能源管控建設的基礎，包含安裝在現場可采集抽油機井電參、力參、位移、運行狀態等參數的一次儀表，以及可將采集數據遠程傳輸至后臺的有線或無線傳輸網絡[7-8]。

慶新油田抽油機井通過安裝在井場的電流互感器、載荷傳感器、角位移傳感器、油套壓力傳感器等數據采集設備，自動采集三相電流、三相電壓、載荷、油套壓等油井數據15 項，計算得到日耗電量、平衡度等數據16 項。采集的數據經過McWill傳輸網絡，每20 min 傳輸至后臺一次。實現了油井數據的實時采集與自動回傳。

機采系統能源管控主要由能耗預警、原因分析、措施推送和效果評價四個部分組成，以此形成閉環管控模式，將能耗控制落實到單井，處理方式細化到具體措施，以點及面、操作性強，有效提高了機采能耗管理效率[9-10]。

3.2.1 能耗預警

主要指對高能耗設備進行的自動識別、提示和報警。可根據實際情況，從數字化自動采集的參數中，選擇某一個或多個參數，通過將實際值與目標值、歷史均值或標準設備值等進行對比，從而識別高能耗設備。機采系統能耗預警主要應用三個參數，即單臺抽油機井的日耗電量、系統效率、用電單耗，其中任一參數超過報警閾值，都能進行能耗預警。慶新油田機采系統能耗預警閾值見表3。

表3 慶新油田機采系統能耗預警閾值Tab.3 Energy consumption warning threshold for the mechanical mining system of Qingxin oilfield

3.2.2 原因分析與處置措施

慶新油田通過能源管控系統對單井靜態數據、電參、力參以及產出情況綜合判斷，實現單井高能耗原因自動分析及措施推送，自動分析的原因主要分為地層因素、設計因素、管理因素和井下工況因素4 大類。

3.2.2.1 地層因素

系統根據能耗預警內容、考慮設計因素、管理因素和井下工況因素，結合電參、力參等數據，綜合歸因分析為地層因素，按照地層問題情況分為地層原始能力不足和地層供液能力變差2 種類型。

1）單井自投產以來系統效率始終小于5%，引發能耗預警，同時產液量自投產以來始終小于3.0 t/d，如系統判斷不是電動機機型偏大、動液面在井口、油管以及泵效問題導致的系統效率偏低，則該井歸因分析為地層原始能力不足。

處理措施：核實自投產以來連通層注水是否合理；通過周期抽油等措施，使地層供液能力得到階段性恢復；地層原始條件較差，通過補孔增加地層液體流入井筒通道，或通過壓裂、酸化等措施，對地層實施改造，改善地層條件，以達到增產目的。

2）系統效率或用電單耗異常，起出閾值，引發能耗預警，同時產液量在近30 d 內逐步減少，如系統判斷不是油管漏失、泵漏失問題，則該井歸因分析為地層供液能力變差。

處理措施：核實近段時間連通層注水是否發生變化，通過調節注水量和注水方式來提高油井產液量；執行間抽或周期抽油；地層條件隨不斷開發逐漸變差，通過補孔或壓裂、酸化等措施，對地層實施改造，來提高供液能力。

3.2.2.2 設計因素

利用數據庫存儲的抽油機機型、抽油桿、抽油泵等靜態數據，實現單井設計參數自動比對，設計因素自動歸因分析。單井自投產以來系統效率始終小于產液、泵深、動液面等參數相近的其他井，系統自動調取靜態數據，將該井設計參數與標準進行對比判斷，如存在設計參數偏大問題，則該井歸因分析為電動機偏大、抽油機機型偏大、抽油泵泵徑偏大等設計因素。抽油機井設計參數見表4。

表4 抽油機井設計參數Tab.4 Design parameters of pumping wells

處理措施：如抽油桿組合或抽油泵泵徑偏大，則利用動管柱機會，進行降桿級、降低抽油泵泵徑調整；如抽油機機型、電動機功率或控制箱功率偏大，則利用轉注井、轉投撈利舊機會或申請老區改造對設備進行調整。

3.2.2.3 管理因素

當單臺抽油機井日耗電量、系統效率、用電單耗任一參數超出閾值，能耗預警后，都要對該井管理因素進行逐項識別判斷，確定其是否因管理問題而導致的能耗預警。

1）平衡問題。利用自動采集的電流、功率數據，實現抽油機井平衡狀態判斷，可根據實際生產情況而選擇應用電流或功率平衡法。慶新油田目前應用電流平衡法，實現單井平衡問題自動判斷和不平衡推送。抽油機井平衡調節工作由生產保障分公司負責，在實際應用過程中，平衡等級劃分的閾值會根據生產保障分公司處理能力而進行調整。抽油機井平衡等級閾值及歸因情況見表5，共劃分為優秀、良好、中等和偏差四個等級。單井能耗預警后，如系統自動判別的電流平衡度為中等、偏差兩個等級，則該井歸因分析為平衡問題。

表5 抽油機井平衡等級閾值及歸因情況Tab.5 Balance level threshold and attribution of pumping well

處理措施：按照不平衡程度，以先偏差、后中等順序處理平衡問題井；針對無法調平衡或調至止點仍不平衡井，采取更改平衡方式、添加輔助平衡塊等措施解決。

2）參數問題。利用自動采集的沖程、沖次和后臺處理得到的功圖數據，結合數據庫存儲的抽油泵泵徑、是否應用變頻配電柜等靜態數據，實現參數優化方案自動推送。系統按照“長沖程、低沖次”的低能耗原則，自動對單井擬合計算達到功圖“微虧”、泵效、系統效率相對較高狀態下的沖程、沖次最優參數組合，其中變頻井沖次按無極調速匹配，工頻井沖次按抽油機井額定可調沖次匹配。單井能耗預警后，如實際的沖程、沖次與最優參數差值超過20%，則該井歸因分析為參數問題。

處理措施：變頻井沖次直接在配電柜控制屏上調節；沖程和工頻井沖次由專業隊伍進行調節。

3）結蠟問題。利用自動采集的最大載荷、最小載荷以及計算得到的載荷比數據，結合數據庫存儲的額定載荷靜態參數，系統通過對實際運行載荷情況運算、結蠟程度識別，實現油井結蠟自動推送。

油井需加藥判斷過程：

第一、二次加藥：當油井實際最大載荷超過額定載荷的85%、實際最小載荷小于10 kN、載荷比大于2.5，滿足以上三個條件中的任一條件，系統推送該井需要加藥。

第三次及后期加藥：系統依據實際載荷、歷史載荷變化情況，判斷是否加藥。第二次加藥結束后，系統自動計算實際最大載荷與最小載荷的差值，當載荷差超過前兩次加藥時載荷差的平均值，則系統推送該井需要加藥。

油井需熱洗判斷過程：加藥后，系統仍推送需加藥的井；載荷突變，當油井在連續3 個沖程的最大（最小） 載荷超出（小于） 前30 個沖程最大（最小）載荷的30%，系統推送該井需熱洗；載荷震蕩，當油井在連續的30 個沖程中，存在12 個沖程滿足最大載荷與最小載荷差值大于2 時，系統推送該井需熱洗；超載停機，當油井在連續運行的30 d 內，存在3 次因超載導致的停機時，系統推送該井需熱洗。單井能耗預警后，如結蠟分析模塊自動推送油井需加藥、需熱洗，則該井歸因分析為結蠟問題。

處理措施：按歸因分析推送的具體處置措施進行加藥或者洗井處理。

4） 電壓問題。利用自動采集的三相電壓數據，及時發現單井電壓不合理情況。單井能耗預警后，系統通過將實際電壓與設定的標準電壓370~380 V 進行對比，當電壓值不在合理區間范圍，則該井歸因分析為電壓問題。

處理措施：目前慶新油田抽油機井所使用的變壓器，可對電壓進行三擋調節，變比分別為10 000/380、10 000/400、10 000/420，通過調節分接開關，實現抽油機井輸入電壓精確調整。

5）其他管理問題。單井能耗預警后，系統對數字化采集的各種電參、力參等數據進行綜合分析，如判斷不是可定量因素導致的能耗預警，利用排除法，系統對該井歸因為其他管理因素。其他管理因素主要指無法通過數字化采集的數據實現定量判斷的因素，包括現場盤根盒過緊、皮帶松緊度不合理、四點一線問題、電動機潤滑不充分、剎車未完全松開等定性判斷因素。

處理措施：當系統歸因分析為其他管理問題時，應及時到現場核實情況，對抽油機井進行全面、細致檢查，對存在的問題進行處理，最大限度降低因摩擦、潤滑不好等原因導致的能耗增加。

3.2.2.4 井下工況因素

利用數字化實時采集的載荷、角位移等數據，后臺可處理得到油井實際功圖情況，利用靜態參數數據，后臺可計算模擬得到油井標準功圖情況。系統將實際功圖與標準功圖進行對比分析、定量計算，實現油井井下工況問題自動推送。

1）抽油桿斷脫。當數字化計算得到的抽油桿斷脫示功圖見圖1。

圖1 抽油桿斷脫示功圖Fig.1 Indicator diagram of sucker rod detachment

慶新油田通過應用探索，代表抽油桿斷脫判定條件見表6，即實際載荷情況同時滿足下表中條件1、條件2 的判定閾值，則該井歸因分析為抽油桿斷脫。

表6 抽油桿斷脫判定條件Tab.6 Criteria for determining the detachment of sucker rods

處理措施：現場核實，如光桿斷脫，打撈光桿斷頭，更換新光桿，啟抽憋泵合格后交井，不合格則執行洗井、碰泵或檢泵工序；如井筒內抽油桿斷脫，作業起抽油桿，如斷脫部位為抽油桿桿體，同時斷脫位置在400 m 以上，則進行打撈作業；如斷脫部位為抽油桿結箍或斷脫位置在400 m 以下，則進行起抽油管、檢泵作業。

2）油管漏失。當數字化計算得到的油管漏失示功圖見圖2。

慶新油田目前將代表油管漏失的數學公式歸納如下：即同時滿足實際最大載荷大于井下抽油桿重量，實際最大載荷、摩擦載荷、慣性載荷與實際最小載荷、泵入口壓力的差值小于油管內理論液體重量，則該井歸因分析為油管漏失。

處理措施：現場進行憋泵、泵車油管正打壓核實；核實準確后，進行檢泵作業，對油管漏失進行處理。

3）抽油泵漏失。當數字化計算得到的排出部分（游動凡爾）漏失示功圖見圖3、吸入部分（固定凡爾）漏失示功圖見圖4，同時滿足數學計算判定閾值(慶新油田目前判定調節較復雜，不作展示)，則該井歸因分析為油管漏失。處理措施與油管漏失處理措施相同。

圖3 排出部分（游動凡爾）漏失示功圖Fig.3 Indicator diagram of discharge part(swimming valve)leakage

圖4 吸入部分（固定凡爾）漏失示功圖Fig.4 Indicator diagram of suction part(fixed valve)leakage

綜合以上井下工況問題，油井單井能耗預警后，如井下工況模塊自動推送油井為抽油桿斷脫、油管漏失、抽油泵漏失原因，則該井歸因分析為井下工況問題。

能源管控系統應用后，慶新油田噸液耗電減少3.46 kWh/t、噸液耗氣減少0.61 m3/t，噸液綜合能耗減少1.97 kgce/t。 年節電340×104kWh， 節氣60×104m3，節能1 934 tce，節約成本304 萬元。

4 配套制度建設

為了貫徹落實國家和上級管理部門的節能管理部署，有效發揮節能約束與激勵機制的作用，進一步加大節能工作的考核力度，提高油田企業節能管理水平，確保油田企業中長期節能目標，油田企業應進行節能考核管理。應編制節能考核管理制度，考核體系內容包括節能指標、節能措施和節能基礎工作。其中節能指標包括節能量、主要能源消耗量、單耗量、單位產品能耗指標等；節能措施主要包括下屬單位建立節能工作機制、編制節能中長期規劃和年度工作計劃、分解節能指標、實施節能措施、投資項目節能管理、節能技術進步、節能監測實施率；節能基礎工作包括能耗計量、能耗統計、分析、控制等。

5 結論

能源管控體系建設、配套激勵制度的完善，對能源管控的頂層設計、實際推廣與應用推進意義重大。能源管控建設工作，應在具有一定數字化、智能化基礎的油田開展，以達到經濟最優、效益最大化。

設計因素對用能設備能耗指標起決定性作用，應充分結合實際生產情況優化方案設計，避免載荷過小等設備與生產情況不符情況。機采地面管理因素中，按實際統計，對能耗影響排序為平衡、結蠟、其他管理因素，實際生產中，應按先重要后次要、先單點后整體的思路進行管理。