基于生產(chǎn)工藝分析的抽油機(jī)井皮帶斷模型報(bào)警研究與應(yīng)用

摘要：針對(duì)新疆油田稀油生產(chǎn)過程中抽油機(jī)井皮帶斷裂這一閾值報(bào)警無法有效發(fā)現(xiàn)且常見的異常工況，引入了一種基于生產(chǎn)工藝分析的模型報(bào)警方法。該方法通過對(duì)抽油機(jī)井皮帶斷裂時(shí)的工藝特征進(jìn)行深入分析，建立多參數(shù)組合的機(jī)理模型報(bào)警規(guī)則，并經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證與不斷優(yōu)化，顯著提高報(bào)警的準(zhǔn)確性和可靠性，減少誤報(bào)和漏報(bào)。經(jīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果驗(yàn)證，通過該方法建立的抽油機(jī)井皮帶斷模型報(bào)警準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上，無漏報(bào)情況，平均提前2小時(shí)發(fā)現(xiàn)異常工況，有效提升了生產(chǎn)安全和效率。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)井皮帶斷裂；工藝分析；模型報(bào)警

一、前言

隨著工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，特別是在石油行業(yè)，生產(chǎn)過程自動(dòng)化與智能化的推進(jìn)已成為驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)效率飛躍的核心要素。然而，在這一轉(zhuǎn)型升級(jí)的過程中，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程中異常情況的精準(zhǔn)監(jiān)控與高效報(bào)警，成為擺在行業(yè)面前的一項(xiàng)緊迫挑戰(zhàn)[1]。在新疆油田，隨著生產(chǎn)管理向“大生產(chǎn)、大調(diào)度、大指揮”這一全新模式的深刻轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)異常報(bào)警數(shù)量急劇增加，不僅對(duì)工作人員造成巨大壓力，還因分析難度大、處置效率低等問題，頻繁出現(xiàn)誤報(bào)和漏報(bào)，進(jìn)而可能引發(fā)生產(chǎn)事故或降低生產(chǎn)效率[2]。

具體而言，在新疆油田某采油廠，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)的日均報(bào)警量高達(dá)約5000條，但其中實(shí)際有效處理的報(bào)警卻僅有30次，這表明大量報(bào)警信息未能得到及時(shí)有效的響應(yīng)。此外，由于現(xiàn)有報(bào)警系統(tǒng)缺乏智能化分析手段，難以在復(fù)雜的工藝流程中迅速而準(zhǔn)確地識(shí)別異常工況，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)難以及時(shí)被消除。

為解決上述問題，本文引入一種基于工藝分析的機(jī)理模型建立方法，該方法特別針對(duì)那些傳統(tǒng)閾值報(bào)警難以有效發(fā)現(xiàn)或重點(diǎn)關(guān)注的異常工況，如抽油機(jī)井皮帶斷裂等，通過構(gòu)建多參數(shù)組合的模型報(bào)警體系，顯著提升了異常工況的識(shí)別精度與報(bào)警效率。這一創(chuàng)新舉措不僅有效降低了分析難度，還極大提高了報(bào)警處置的時(shí)效性，為實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)、高效的異常工況監(jiān)測(cè)與報(bào)警提供了有力支撐。

二、工藝分析

（一）抽油機(jī)井基本結(jié)構(gòu)

抽油機(jī)采油是一種利用機(jī)械能增強(qiáng)地層壓力，從而有效將原油從油井深部提升至地面的技術(shù)流程。鑒于石油儲(chǔ)藏地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，往往需輔以注水、注蒸汽、注聚合物等輔助手段，以促進(jìn)原油流動(dòng)，便于抽油機(jī)高效開采。在眾多采油設(shè)備中，有桿泵抽油系統(tǒng)占據(jù)主導(dǎo)地位，其應(yīng)用比例在全球主要產(chǎn)油國的油井作業(yè)中超過85%，尤其以游梁式抽油機(jī)為核心的有桿泵設(shè)備最為普及[3]。

地面部分的游梁抽油機(jī)，其核心功能在于提供驅(qū)動(dòng)力。它依靠皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與減速箱，將三相異步電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)動(dòng)能傳遞給減速箱的輸出軸，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)曲柄低速旋轉(zhuǎn)。曲柄軸與連桿、游梁緊密相連，將這一低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為“驢頭”的上下擺動(dòng)。在此過程中，抽油桿與懸繩器也隨之進(jìn)行垂直方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成原油的抽取作業(yè)[4]。

（二）物聯(lián)網(wǎng)采集情況

在抽油機(jī)井的物聯(lián)網(wǎng)采集體系中，各項(xiàng)關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)。具體而言，回壓（單位：MPa）通過在采油樹的生產(chǎn)閘門處安裝傳感器進(jìn)行精確測(cè)量，反映了油井內(nèi)部的壓力狀況。而套壓（MPa）則是在套管閘門一側(cè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為油井管理提供了重要參考。

為了全面了解抽油機(jī)的工作狀態(tài)，當(dāng)前負(fù)荷（N）通過在井口懸繩器處安裝的示功儀進(jìn)行直接測(cè)量，反映了抽油過程中的實(shí)際負(fù)載情況。進(jìn)一步的，抽油機(jī)井的RTU（遠(yuǎn)程終端單元）依據(jù)示功圖計(jì)算出負(fù)荷跨度（N），為優(yōu)化生產(chǎn)提供了數(shù)據(jù)支持。此外，沖次（次/分鐘），即抽油桿每分鐘上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的次數(shù)，也是監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)之一，它直接關(guān)聯(lián)到油井的產(chǎn)量和效率。

在電氣參數(shù)方面，通過精確監(jiān)測(cè)抽油機(jī)井光桿在上、下行程時(shí)的電流（A），不僅保障了設(shè)備的安全運(yùn)行，也為節(jié)能降耗提供了科學(xué)依據(jù)。

（三）抽油機(jī)井皮帶斷裂

抽油機(jī)井皮帶斷裂是油田生產(chǎn)過程中常見的一種故障，其發(fā)生原因多樣，主要包括皮帶長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后的自然磨損、外力沖擊以及皮帶安裝調(diào)整不當(dāng)?shù)取＿@一故障對(duì)抽油機(jī)的正常運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

從系統(tǒng)構(gòu)成來看，抽油機(jī)井可大致分為電機(jī)和抽油桿兩大部分。當(dāng)皮帶斷裂時(shí)，電機(jī)雖仍保持運(yùn)轉(zhuǎn)，卻進(jìn)入了空轉(zhuǎn)狀態(tài)，即其動(dòng)力未能通過皮帶有效傳遞至抽油機(jī)，導(dǎo)致實(shí)際抽油作業(yè)停止。此時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的電流數(shù)據(jù)應(yīng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，反映出電機(jī)負(fù)載的減輕。

對(duì)于抽油桿而言，皮帶斷裂意味著動(dòng)力傳遞的突然中斷，抽油桿隨即停止上下往復(fù)的抽油運(yùn)動(dòng)。這一變化直接導(dǎo)致抽油機(jī)井的抽油作業(yè)暫停，現(xiàn)場(chǎng)采集的負(fù)荷、產(chǎn)量、沖次及沖程等關(guān)鍵參數(shù)均會(huì)發(fā)生顯著變化，為故障的快速識(shí)別提供了重要依據(jù)。

進(jìn)一步從上下游關(guān)聯(lián)關(guān)系分析，若抽油機(jī)井在皮帶斷裂時(shí)正處于計(jì)量狀態(tài)，則計(jì)量間分離器的液位將停止上漲，反映出油井產(chǎn)量的即時(shí)減少。同時(shí)，計(jì)量間分離器壓力過高可能反作用于井口，導(dǎo)致井口壓力異常升高，進(jìn)而增加抽油機(jī)的負(fù)荷，形成惡性循環(huán)，進(jìn)一步加劇了皮帶斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

三、模型設(shè)計(jì)

在模型設(shè)計(jì)之前，首先需要對(duì)稀油生產(chǎn)流程進(jìn)行全面細(xì)致的梳理，明確各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)和工藝流程之間的相互作用關(guān)系。針對(duì)抽油機(jī)井皮帶斷裂這一異常工況，需要重點(diǎn)關(guān)注電機(jī)電流、抽油桿沖次、負(fù)荷以及分離器液位等參數(shù)。這些參數(shù)的變化能夠直接反映皮帶斷裂時(shí)的工藝特征，為模型報(bào)警提供有效依據(jù)。

（一）初步理論規(guī)則建立

基于深入的工藝分析，本文初步構(gòu)建了機(jī)理模型，該模型由六條核心理論規(guī)則組成，全面描述了皮帶斷裂時(shí)各關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律及其內(nèi)在聯(lián)系。

具體而言，電機(jī)方面，規(guī)則1（電流）：電流突然下降后趨于直線；抽油桿方面，規(guī)則2（沖次）：沖次落零；規(guī)則3（負(fù)荷）：負(fù)荷趨于一條直線；規(guī)則4（負(fù)荷跨度）：負(fù)荷跨度大幅下降；規(guī)則5（油壓）：油壓持續(xù)下降；此外，從上下游關(guān)聯(lián)角度，規(guī)則6（分離器液位）：若該井正在計(jì)量，分離器液位停止上漲。

為確保這些理論規(guī)則的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，本文采用了石西油田作業(yè)區(qū)皮帶斷裂事件的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)證。通過將實(shí)際數(shù)據(jù)與模型規(guī)則進(jìn)行對(duì)比，規(guī)則1、2、3、4與歷史參數(shù)變化曲線趨勢(shì)符合，因此可以判斷初步理論規(guī)則1、2、3、4是適合作為模型規(guī)則的。

（二）實(shí)際參數(shù)選取分析

為了進(jìn)一步提升模型的精確度，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)際質(zhì)量，開展了參數(shù)的二次優(yōu)化選取分析。首先，針對(duì)規(guī)則1，盡管電流變化特征明顯，即突然下降后趨于穩(wěn)定，但需注意，這一數(shù)據(jù)并非所有油井均采集，因此在使用時(shí)需謹(jǐn)慎考慮其普適性。接著，對(duì)于規(guī)則2中的沖次變化，觀察到?jīng)_次在皮帶斷裂后會(huì)落零，但受采集算法影響，實(shí)際數(shù)據(jù)中沖次仍存在波動(dòng)，要求在模型構(gòu)建時(shí)需對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以消除噪聲干擾。

在規(guī)則3與規(guī)則4中，負(fù)荷趨于穩(wěn)定直線與負(fù)荷跨度大幅下降是重要特征，但負(fù)荷跨度的數(shù)據(jù)不僅采集量有限，且常伴隨劇烈波動(dòng)，從而增加了判斷難度。

至于規(guī)則5的油壓變化，其規(guī)律并不統(tǒng)一，需結(jié)合具體情況分析。而規(guī)則6雖然理論上具有指導(dǎo)意義，即皮帶斷裂時(shí)若油井正在計(jì)量，則分離器液位與壓力將停止上漲，但實(shí)際情況中皮帶斷裂與計(jì)量同時(shí)發(fā)生的概率極低，因此該規(guī)則的實(shí)用性有限。綜合以上分析，研究者最終選定電流、沖次、負(fù)荷這三個(gè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高且對(duì)皮帶斷裂具有顯著指示作用的參數(shù)，作為模型的關(guān)鍵輸入變量。

（三）模型報(bào)警規(guī)則研究

在確定將電流、沖次、負(fù)荷作為核心參數(shù)后，深入挖掘歷史數(shù)據(jù)中的特征與規(guī)律，同時(shí)緊密結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)儀表的實(shí)際采集情況，進(jìn)行具體報(bào)警規(guī)則的研究。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集包含電參的情況，研究者匯總了皮帶斷裂時(shí)的電流極差歷史數(shù)據(jù)，見表1。

通過對(duì)比分析工作狀態(tài)與皮帶斷裂狀態(tài)下的電流極差，以及空載電流值，發(fā)現(xiàn)皮帶斷裂往往伴隨著電流極差的顯著減小。基于此，初步確定了電流規(guī)則的框架：當(dāng)電流最大值下降超過20%，且最小值仍高于停機(jī)電流，同時(shí)電流極差小于0.6時(shí)，觸發(fā)報(bào)警。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)采集無電參的情況，則重點(diǎn)關(guān)注了負(fù)荷的變化。通過統(tǒng)計(jì)皮帶斷裂時(shí)的負(fù)荷極差，見表2，發(fā)現(xiàn)負(fù)荷極差在皮帶斷裂時(shí)通常較小。因此，設(shè)定了負(fù)荷規(guī)則：當(dāng)負(fù)荷極差小于300時(shí)，視為異常信號(hào)。

同時(shí)，結(jié)合沖次數(shù)據(jù)的分析，明確了沖次規(guī)則：沖次最小值若為零，則表明可能存在皮帶斷裂等異常情況。

（四）模型建立

根據(jù)上表所展示的歷史數(shù)據(jù)，經(jīng)過深入分析，最終確定了電流、沖次、負(fù)荷在兩種不同采集條件下的具體規(guī)則。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)采集包含電參的情況，明確了電流規(guī)則的三個(gè)關(guān)鍵條件：電流最大值需下降20%以上，最小值需高于停機(jī)電流，且電流極差需小于0.6。同時(shí)，沖次規(guī)則設(shè)定為沖次最小值等于零，表明抽油機(jī)已停止工作。負(fù)荷規(guī)則則要求負(fù)荷極差小于300，以反映皮帶斷裂時(shí)的負(fù)荷變化特征。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)采集無電參的情況，綜合考慮了載荷、沖次及運(yùn)行狀態(tài)等多個(gè)因素。具體規(guī)則為：在近40分鐘內(nèi)，若載荷有效值超過3個(gè)，且負(fù)荷極差小于300，同時(shí)沖次最小值等于零，且運(yùn)行狀態(tài)為1 （即正在運(yùn)行），則視為異常情況，可能表明皮帶已斷裂。

四、模型優(yōu)化

（一）調(diào)試運(yùn)行

在將模型部署至石西油田作業(yè)區(qū)并投入運(yùn)行后，受生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜性的干擾，模型在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生了誤報(bào)現(xiàn)象。為提升模型報(bào)警的準(zhǔn)確性，必須對(duì)既有規(guī)則與數(shù)據(jù)算法進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。

首先，針對(duì)部分油井因長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)而引發(fā)的誤報(bào)（誤報(bào)情況1），已對(duì)規(guī)則進(jìn)行修訂：僅當(dāng)油井負(fù)荷在前一階段存在波動(dòng)，隨后階段負(fù)荷歸零時(shí)，才視為停機(jī)狀態(tài)，以此規(guī)避長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)導(dǎo)致的誤報(bào)。其次，對(duì)于功圖儀故障所造成的誤報(bào)（誤報(bào)情況2），已引入自動(dòng)消警機(jī)制。一旦檢測(cè)到儀表故障，系統(tǒng)將即刻取消相關(guān)報(bào)警，從而有效排除儀表故障對(duì)報(bào)警準(zhǔn)確性的干擾。最后，針對(duì)空值數(shù)據(jù)引發(fā)的誤報(bào)（誤報(bào)情況3），已明確規(guī)則：僅在數(shù)據(jù)時(shí)間段內(nèi)為有效值時(shí)，方進(jìn)行報(bào)警判斷，以此徹底排除空值數(shù)據(jù)對(duì)報(bào)警結(jié)果的影響。

（二）迭代優(yōu)化

經(jīng)過多輪嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的迭代調(diào)優(yōu)，模型誤報(bào)率實(shí)現(xiàn)了顯著下降，性能得到了根本性提升。在為期一個(gè)月（4月10日至5月10日）的石西油田作業(yè)區(qū)實(shí)地監(jiān)測(cè)中，該模型所觸發(fā)的全部4次報(bào)警，均與實(shí)際發(fā)生的抽油機(jī)井皮帶斷裂事件精確吻合。此結(jié)果不僅充分驗(yàn)證了模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，更彰顯了其在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的高度可靠性與實(shí)用性，為油田生產(chǎn)的安全高效運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

（三）應(yīng)用效果

經(jīng)持續(xù)運(yùn)行與不斷優(yōu)化，模型報(bào)警的誤報(bào)情況得到了顯著減少，其準(zhǔn)確率已穩(wěn)定提升至95%以上，同時(shí)確保了無漏報(bào)情況的發(fā)生。更值得一提的是，該模型能夠提前平均2小時(shí)發(fā)現(xiàn)異常工況，為及時(shí)處理潛在問題贏得了寶貴時(shí)間。

相較于傳統(tǒng)的閾值報(bào)警機(jī)制，將模型報(bào)警與閾值報(bào)警相結(jié)合帶來了諸多顯著效果。首先，模型能夠基于數(shù)據(jù)分析自動(dòng)判斷異常工況，極大地減輕了人工分析曲線、排查異常的工作負(fù)擔(dān)，提高了工作效率。其次，模型能夠直接定位報(bào)警的異常工況，使得人工排查故障隱患及分析診斷原因的時(shí)間大幅縮短，異常工況的發(fā)現(xiàn)時(shí)間得以提前，平均縮短時(shí)間超過2小時(shí)。最后，通過建立計(jì)量間通信斷等模型報(bào)警，能夠智能地掛起相應(yīng)的閾值報(bào)警，從而有效減少了整體報(bào)警量，降低幅度約達(dá)10%，進(jìn)一步提升了報(bào)警系統(tǒng)的精準(zhǔn)度與實(shí)用性。

五、結(jié)語

本文針對(duì)新疆油田稀油生產(chǎn)過程中抽油機(jī)井皮帶斷裂這一異常工況，創(chuàng)新性地引入了一種基于生產(chǎn)工藝分析的模型報(bào)警方法。該方法通過深入分析抽油機(jī)井的基本結(jié)構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集情況，以及皮帶斷裂時(shí)的工藝特征，建立了多參數(shù)組合的抽油機(jī)井皮帶斷裂機(jī)理模型報(bào)警規(guī)則。在石西油田作業(yè)區(qū)的實(shí)際應(yīng)用中，該模型取得了顯著效果，不僅明顯提升了報(bào)警的精確性與可靠性，還有效降低了誤報(bào)與漏報(bào)的發(fā)生概率，為生產(chǎn)人員贏得了寶貴的時(shí)間窗口，以便他們能夠迅速進(jìn)行故障排查與妥善處理，進(jìn)而大幅增強(qiáng)了生產(chǎn)的安全性與效率。

未來研究將持續(xù)深化對(duì)抽油機(jī)井皮帶斷裂機(jī)理的探索，不斷優(yōu)化并完善模型報(bào)警規(guī)則，以期進(jìn)一步提升模型的精準(zhǔn)度與可靠性。同時(shí)，還將積極拓展該方法的應(yīng)用邊界，嘗試將其應(yīng)用于抽油桿斷脫、注水管線破裂等其他類似異常工況的監(jiān)控與報(bào)警中，從而全面擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，為提升整體生產(chǎn)效率與安全性貢獻(xiàn)更多力量。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒婕，李國榮，趙春雪，等.集輸生產(chǎn)預(yù)警分析系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].信息系統(tǒng)工程，2022（12）：47-50.

[2]劉婷，郭寶靈，張建軍.復(fù)雜報(bào)警機(jī)制在石西油田中的應(yīng)用[J].中國管理信息化，2022，25（04）：105-107.

[3]綦耀光，石臨嵩，高福光.淺談我國抽油機(jī)的類型及發(fā)展趨勢(shì)[J].鉆采工藝，1995（02）：46-49+61.

[4]張學(xué)魯，紀(jì)祥云，羅仁全.游梁式抽油機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001.

作者單位：新疆油田公司數(shù)智技術(shù)公司

責(zé)任編輯：張津平 尚丹