間歇井采液技術(shù)監(jiān)督及控制

高玉森，張愛(ài)華，陳勝利，季芳，季峰，初波，張瑞豐，李海彬

1.大安鴻源管業(yè)有限公司（吉林 白城 131300）

2.中國(guó)石油吉林油田分公司扶余采油廠(chǎng)（吉林 松原 138000）

3.戈壁能源公司（吉林 白城 131300）

4.丹東源興科技有限公司（遼寧 丹東 118002）

5.大安市慶一機(jī)械廠(chǎng)（吉林 白城 131300）

0 引言

在我國(guó)有30%以上的供液不足油井在50%～80%的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)處于空抽狀態(tài)[1]，很多時(shí)候由于缺乏有效的監(jiān)督檢測(cè)，抽油機(jī)配置及工作流程不合理，無(wú)法達(dá)到理想值，影響了產(chǎn)液量，浪費(fèi)了能源，增加了設(shè)備磨耗[2]。對(duì)間歇井實(shí)時(shí)進(jìn)行技術(shù)監(jiān)督，根據(jù)監(jiān)督檢測(cè)結(jié)果控制抽油機(jī)工作，達(dá)到井下有可以進(jìn)行開(kāi)采的液量就指令抽油機(jī)工作，一旦發(fā)現(xiàn)井下沒(méi)有可以進(jìn)行開(kāi)采的液量，則指令抽油機(jī)待機(jī)。我國(guó)很多油田單井產(chǎn)液量低，日產(chǎn)液低于2 m3油井占總井?dāng)?shù)的34%[3]，低產(chǎn)油井普遍存在間歇狀況，這樣就更需要實(shí)時(shí)監(jiān)督油井出油液狀況，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)與井下產(chǎn)液同步。井下地質(zhì)情況是不斷變化的，間歇時(shí)間也在不斷變化。大部分油田為保證原油產(chǎn)量，對(duì)間歇油井的開(kāi)采還是采用連續(xù)生產(chǎn)的方式[4]。隨著油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，地層的能量逐漸下降，極易出現(xiàn)油井間歇產(chǎn)液的狀況，若不能以合理的方式采液，則會(huì)浪費(fèi)大量能量，使系統(tǒng)效率降低[5]。

為取得最佳經(jīng)濟(jì)效益，合理制定間歇井采液流程，是各采油廠(chǎng)不斷研究改善的重要課題之一。有的基于示功圖分析制定間歇井采液方案[6]；有的通過(guò)單井單量、結(jié)合動(dòng)液面進(jìn)行摸底分析，制定間歇制度[7]采液。

1 間歇井采液理想效益

間歇井采液因?yàn)樯婕皣?guó)際市場(chǎng)不斷變化的油價(jià)，以及每口油井低產(chǎn)作業(yè)時(shí)間和空抽時(shí)間的長(zhǎng)短，使采液成本產(chǎn)生大幅度變化。

1）間歇井采液能耗和產(chǎn)液量，即能耗投入和產(chǎn)出大體分為3個(gè)階段。圖1是間歇井能耗和產(chǎn)液量的關(guān)系曲線(xiàn)示意圖。需要說(shuō)明的是，由于地質(zhì)情況的不斷變化，不論處于哪個(gè)階段每個(gè)沖次的產(chǎn)液量也是不可能相同的，圖1 顯示的只是為闡述問(wèn)題的理想示意圖。

圖1 間歇井能耗和產(chǎn)液總量的關(guān)系曲線(xiàn)

在綠色區(qū)域，即間歇井采液第一階段，井下供液比較充足，隨著可變要素的投入量增加，總產(chǎn)液量一直在增加。在這一階段單位時(shí)間產(chǎn)液量比較平穩(wěn)，產(chǎn)液總量和能耗近似于正比。

在黃色區(qū)域，即間歇井采液第二階段，井下供液越來(lái)越不足，產(chǎn)液總量和能耗曲線(xiàn)近似于拋物線(xiàn)，單位時(shí)間平均產(chǎn)液量在遞減。

到了紅色區(qū)域，即間歇井采液第三階段，井下已經(jīng)無(wú)液可抽，抽油機(jī)處于空抽狀態(tài)，只是能耗增加，產(chǎn)液總量不再增加。

2）商品生產(chǎn)成本包括固定成本，如折舊和可變成本，如工人工資。當(dāng)銷(xiāo)售收入等于兩項(xiàng)成本加一起之和的時(shí)候達(dá)到盈虧平衡。一般在用盈虧平衡圖表示的時(shí)候，總成本曲線(xiàn)和銷(xiāo)售額曲線(xiàn)相交的點(diǎn)，就是盈虧平衡點(diǎn)，隨著兩條線(xiàn)的不斷延長(zhǎng)，盈利區(qū)會(huì)越來(lái)越大。但是對(duì)于間歇井采油，還有一些不定因素。一是間歇井供液不穩(wěn)定，導(dǎo)致單位產(chǎn)量費(fèi)用不穩(wěn)定。二是國(guó)際市場(chǎng)油價(jià)不穩(wěn)定，并且變化幅度很大，導(dǎo)致盈虧平衡區(qū)域有著很大不確定性。圖2是間歇井盈虧平衡分析。

圖2 間歇井盈虧平衡分析

由于間歇井采油的不穩(wěn)定性，盈虧平衡分析圖屬于非線(xiàn)性。綠色方格部分屬于間歇井采油采液第一階段，橙色方格部分屬于間歇井采液第二、第三階段。只要不是油價(jià)特別低的時(shí)候，都有兩個(gè)盈虧平衡點(diǎn)，BEP1 和BEP2 是在油價(jià)一般的時(shí)候兩個(gè)盈虧平衡點(diǎn)，BEP3 和BEP4 是在油價(jià)高的時(shí)候兩個(gè)盈虧平衡點(diǎn)。綠色斜線(xiàn)部分屬于盈利區(qū)，它會(huì)隨著銷(xiāo)售價(jià)格上升而擴(kuò)大。

3）國(guó)際油價(jià)變動(dòng)幅度較大，在間歇井實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，不可能每天跟蹤國(guó)際油價(jià)改變間歇井生產(chǎn)制度。一般情況下只能確定一個(gè)認(rèn)可油價(jià)，并根據(jù)認(rèn)可油價(jià)制定間歇井生產(chǎn)制度。另外，石油作為重要戰(zhàn)略物資，有時(shí)候需要“以電換油”，這種政策性因素也在制定間歇井采油生產(chǎn)制度的考慮范圍之內(nèi)。

4）通過(guò)采集電動(dòng)機(jī)參數(shù)、示功圖或者人工直接觀察獲得數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)制定比較合理的工作制度。如：某采油廠(chǎng)把握“一切成本皆可降”的工作基調(diào)，將油井間抽作為機(jī)采提效的主攻方向，通過(guò)擴(kuò)大間抽選井規(guī)模和頻次，合理擴(kuò)大選井范圍，由月篩選減至周篩選，半年共篩選間抽潛力井326 口，有效保證了可執(zhí)行間抽井?dāng)?shù)量。同時(shí)，將間抽井的月跟蹤改為日跟蹤，保證間抽方案有效執(zhí)行，形成了以工藝所為主的多專(zhuān)業(yè)聯(lián)動(dòng)、閉環(huán)運(yùn)維管理的局面。在間抽過(guò)程中，密切關(guān)注油井動(dòng)態(tài)反應(yīng)，針對(duì)性開(kāi)展連續(xù)電參和功圖等監(jiān)測(cè)測(cè)試，優(yōu)化調(diào)整制度，在不十分影響產(chǎn)量的前提下增加停井時(shí)間，優(yōu)化制度79 口，增加日停井時(shí)間207 h，對(duì)比前6 個(gè)月增加間抽井319 口，節(jié)電量增加30.9×104kW·h。

2 間歇井采液作業(yè)中幾種常用的監(jiān)督方法

2.1 觀察法

直接觀察油井工作狀態(tài)，初步判斷油井產(chǎn)液情況，雖然準(zhǔn)確程度很低，但是比較簡(jiǎn)單、直接。常用的觀察法主要包括：電動(dòng)機(jī)噪音變化、出液口液壓變化、采樣口是否出液以及單位時(shí)間累計(jì)產(chǎn)量等。

2.2 監(jiān)督電耗參數(shù)

圖3 和圖4 是某配套動(dòng)力22 kW 油井在比較正常采液和出液嚴(yán)重不足時(shí)的電參圖。

圖3 正常出液電參圖

圖4 出液嚴(yán)重不足電參圖

每口油井的地質(zhì)狀況是不同的，采液機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、傳動(dòng)效率也是不一樣的。而且隨著時(shí)間的推移，地質(zhì)狀況和機(jī)械狀況也在不斷變化，所以電參圖也在不斷變化。這樣就要先獲得數(shù)據(jù)集，優(yōu)選出最優(yōu)模型，并預(yù)設(shè)多個(gè)最優(yōu)模型，通過(guò)最優(yōu)模型判斷出液情況。

2.3 通過(guò)示功圖監(jiān)督

首先使用抽油機(jī)電參數(shù)法進(jìn)行快速診斷抽油機(jī)工作狀況，無(wú)法精準(zhǔn)診斷工況時(shí)引入示功圖方法，充分發(fā)揮抽油機(jī)電參數(shù)法的快速性和抽油井示功圖法的準(zhǔn)確性?xún)?yōu)勢(shì)［8］。

如圖5 所示，當(dāng)示功圖由Ⅰ變化到Ⅲ的時(shí)候井下供液嚴(yán)重不足。

圖5 示功圖變化情況

如果不涉及復(fù)雜設(shè)備直接監(jiān)督油井出液情況，進(jìn)一步實(shí)行自動(dòng)控制，應(yīng)該是間歇井理想的監(jiān)督和控制方法。

3 間歇井自動(dòng)控制

3.1 技術(shù)要求

1）當(dāng)抽油機(jī)正常工作時(shí)，如果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)突然監(jiān)測(cè)不到產(chǎn)液，并達(dá)到一個(gè)設(shè)定的時(shí)間段后始終沒(méi)有產(chǎn)液的，抽油機(jī)超低速運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)入自動(dòng)待機(jī)狀態(tài)。

2）抽油機(jī)在超低速運(yùn)轉(zhuǎn)待機(jī)狀態(tài)時(shí)，如果某一沖次時(shí)有液量產(chǎn)出，并在設(shè)定幾個(gè)沖次中始終有液量產(chǎn)出時(shí)，抽油機(jī)自動(dòng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

3）自動(dòng)記錄抽油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和待機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的起始時(shí)間，以及在某一個(gè)時(shí)間段正常運(yùn)轉(zhuǎn)和待機(jī)時(shí)間的時(shí)長(zhǎng)累計(jì)，便于相關(guān)人員在滿(mǎn)足產(chǎn)量要求的情況下選擇抽汲參數(shù)的最佳配合［10］。

3.2 技術(shù)方案

3.2.1 軟件開(kāi)發(fā)

采用STM32F105RBT6單片機(jī)，單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)要具備抗干擾性強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)便、人機(jī)交互界面友好、調(diào)用方便［11］。圖6是軟件開(kāi)發(fā)原理框圖。

圖6 軟件開(kāi)發(fā)原理框圖

3.2.2 單向閥改造

在采油井出液管口處一般都裝有單向閥，當(dāng)有液量產(chǎn)出時(shí)，單向閥閥芯會(huì)產(chǎn)生位移，只要監(jiān)測(cè)閥芯是否位移，就可以知道是否產(chǎn)液。為了獲取閥芯是否開(kāi)啟，以及開(kāi)啟程度、開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)等信息，便于選擇最佳抽汲參數(shù)，對(duì)閥芯立式移動(dòng)的單向閥進(jìn)行改造，改造后的單向閥如圖7所示。

圖7 改造后的單向閥

3.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和監(jiān)控

當(dāng)抽油機(jī)產(chǎn)液時(shí)，單向閥里面的閥芯開(kāi)始位移，閥芯上部的永磁鐵同步產(chǎn)生位移。由于永磁鐵的位移，使霍爾元件產(chǎn)生跟位移量大小同步變化的電子信號(hào)，信號(hào)經(jīng)放大、濾波后輸出。只要抽油機(jī)開(kāi)啟，改造后的單向閥就能實(shí)時(shí)反映抽油機(jī)的出液狀況，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，設(shè)有數(shù)據(jù)復(fù)制轉(zhuǎn)移接口，便于數(shù)據(jù)讀取。

3.3 實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的不同方式

為了實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)在正常產(chǎn)液和待機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的兩個(gè)不同轉(zhuǎn)速，要求抽油機(jī)必須有可以方便切換的兩個(gè)高低不同轉(zhuǎn)速。

使抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同運(yùn)轉(zhuǎn)速度的方法很多。原來(lái)安裝有變頻器的油井，可以直接利用變頻器實(shí)現(xiàn)設(shè)定好的不同頻率切換；原來(lái)裝有多速電動(dòng)機(jī)的油井，可以根據(jù)產(chǎn)液情況自動(dòng)改變電動(dòng)機(jī)接頭連接方式，產(chǎn)生兩種不同速度。有的抽油機(jī)為了減少?zèng)_次，已經(jīng)在減速機(jī)和電動(dòng)機(jī)大小兩個(gè)皮帶輪之間另外安裝一級(jí)皮帶減速介輪，可以將這級(jí)皮帶減速介輪改造后加以利用，實(shí)現(xiàn)自由切換的雙速模式。

3.3.1 用變頻器實(shí)現(xiàn)待機(jī)和正常運(yùn)轉(zhuǎn)的不同速度

電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速裝置是抽油機(jī)井生產(chǎn)管理中常用的節(jié)能設(shè)備。抽油機(jī)井在安裝電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速裝置后，可充分發(fā)揮變頻調(diào)速的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)井下供液能力的變化任意調(diào)整抽油機(jī)沖速，提高泵的充滿(mǎn)系數(shù),達(dá)到節(jié)電、增產(chǎn)、預(yù)防偏磨的目的,提高了系統(tǒng)效率,使油井在最佳經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下生產(chǎn)［12］。

利用變頻器內(nèi)置簡(jiǎn)易可編程控制器（PLC）,完成多段速邏輯控制［13］。變頻器控制回路標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)如圖8所示。

圖8 變頻器控制回路標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)圖

3.3.2 利用多速電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)不同速度的自動(dòng)切換

近年來(lái)工農(nóng)業(yè)部門(mén)采用有級(jí)調(diào)速的多速電動(dòng)機(jī)的范圍不斷擴(kuò)大［14］。原來(lái)裝有多速電動(dòng)機(jī)的抽油機(jī)可以利用原有電動(dòng)機(jī)本身的功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。電動(dòng)機(jī)接線(xiàn)如圖9所示。

圖9 多速電動(dòng)機(jī)接線(xiàn)圖

3.3.3 皮帶減速介輪進(jìn)行雙速改造

皮帶減速介輪進(jìn)行雙速改造是利用已經(jīng)加裝皮帶減速介輪的抽油機(jī)，對(duì)原介輪進(jìn)行改造，使其可以切換2種速度。傳動(dòng)結(jié)構(gòu)原理如圖10所示。

圖10 雙速介輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)原理圖

當(dāng)介輪中的大皮帶輪在電動(dòng)機(jī)皮帶輪的帶動(dòng)下按照原來(lái)設(shè)定方向（定義為順向）旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于直接和介輪中小皮帶輪配合安裝的單向軸承處于逆向安裝，所以大皮帶輪通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)小皮帶輪同方向同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。另一組和中心齒輪配合的單向軸承處于順向安裝，所以不影響小皮帶輪的運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)需要抽油機(jī)慢速工作時(shí)，改變電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，介輪中的大皮帶輪由順向旋轉(zhuǎn)變成逆向旋轉(zhuǎn)，由于單向軸承的作用，小皮帶輪不能和大皮帶輪同方向同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，另一組和中心齒輪配合的單向軸承由順向變?yōu)槟嫦颍谑侵行凝X輪和大皮帶輪同方向同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，中心齒輪通過(guò)中介齒輪帶動(dòng)固定在小皮帶輪上的內(nèi)齒輪旋轉(zhuǎn)。由于中介齒輪的作用，與內(nèi)齒輪固定在一起的小皮帶輪仍然按照原來(lái)定義的順向旋轉(zhuǎn)。由于中心齒輪齒數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)齒輪齒數(shù)，可實(shí)現(xiàn)較低的第二速度。

控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)是非常簡(jiǎn)單的，需要正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，需要待機(jī)時(shí)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，在監(jiān)控系統(tǒng)的指令下實(shí)現(xiàn)間歇井的合理運(yùn)行。

3.4 自動(dòng)控制應(yīng)用效果

間歇井采液實(shí)時(shí)監(jiān)督及控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)礦場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試達(dá)到了預(yù)期效果。表1是部分油井應(yīng)用前后效果對(duì)比。

表1 自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用前后效果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

1）間歇井采液可以通過(guò)多種方法進(jìn)行監(jiān)督和控制。自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)督及控制間歇井作業(yè)，通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)單向閥閥芯運(yùn)動(dòng)的軌跡，記錄存儲(chǔ)油井出液情況，根據(jù)油井出液情況自動(dòng)指令抽油機(jī)工作狀態(tài)，達(dá)到了增產(chǎn)節(jié)能的既定目標(biāo)。

2）在實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)不同運(yùn)轉(zhuǎn)速度的方法中，由于變頻器輸出頻率是可以無(wú)級(jí)調(diào)整設(shè)定的，所以采用變頻器實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的不同運(yùn)轉(zhuǎn)速度，應(yīng)用后效果比較理想。

3）采用間歇井采油自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單井實(shí)時(shí)檢測(cè)，單井自動(dòng)控制，不需要通過(guò)總控制臺(tái)，簡(jiǎn)化了流程。