基于物聯網的抽油機井系統效率實時計算技術研究

關成堯，檀朝東，田春華，曹書瑜，張立會，閆學峰

（1.中國石油大學（北京），北京昌平， 102249；2.北京雅丹石油技術開發有限公司；3.IBM（中國）研究院；4.中國石油青海油田公司）

隨著油田自動化技術和遠程實時采集數據技術的發展［1－5］，新的物聯網的技術理念也融入了油氣田的生產過程之中［6－8］。為了提高抽油機井系統效率及損耗監測分析的實時性，需要研究應用基于物聯網技術的抽油機井系統效率及損耗構成的模型，為油田的節能降耗提供實時的數據支撐。

1 系統效率分析計算模型思路

隨著物聯網技術的發展，目前可以實時高效地采集抽油機井的油壓、套壓、回壓、電參數、功圖、油溫等主要參數。動液面目前還沒有成熟的實時測試手段，仍要人工測試；產液量能夠做到實時計算［1－5］。這些實時測試的參數為系統效率的實時計算提供了數據支撐。物聯網系統把單井及邊遠站庫采集的數據采用無線傳感網、專網和公網無線技術（融合 WSN、Mcwill、WiMAX、WiFi、3G、GPRS、CDMA、衛星等無線傳輸技術）組成無線異構網絡來進行數據傳輸；其余計量間、中轉站、聯合站等站庫和距站庫較近井場的生產數據及視頻信號通過有線網絡相連來傳輸，從而實現數據的實時傳輸［7－8］。

和油井的系統效率相關的物聯網采集與傳輸內容主要包括如圖1的主要節點，地面電控柜節點主要采集三相電壓、三相電流、功率因數，很多電參數采集硬件直接算出了有功功率曲線、無功功率曲線、功率因數曲線。井口節點主要采集流量（產液量）、油壓、套壓、回壓等參數，應用多相流計算可以獲得泵排出壓力。環空壓力可以通過回聲儀獲得動液面或者應用毛管測壓獲得環空泵入口的壓力數據。

2 效率分析計算模型

2.1 主要參數的處理

2.1.1 電參數的處理

隨著物聯網數據采集技術的進步，電參數可以采集電壓、電流、功率因數（曲線），以及據此可以獲得有功功率（曲線）、無功功率（曲線）。

（1）有功功率等曲線的處理。①判斷上下沖程線：根據數據采集中的時鐘統一，可以取得儀器儀表的時鐘統一。②有功功率：曲線必須需上沖程、下沖程分別求積分面積得正功面積A1、A2和負功面積A3、A4，這里的兩個負功面積A3、A4可能是不存在的。而據此計算的有功功率分別為PA1，PA2，PA3，PA4。

（2）負向發電功率的處理。負功面積A3、A4在實際應用中可以部分的回饋電網，部分被用電設備利用，一般認為大約有40%可以被利用，同時負向發電也會產生諧波污染，增加電網線路的損耗。實際的有功功率計算采用有功功率曲線積分法。

同時獲得了不同時間（位移）處的實時有功功率序列Pinwi和實時功率因數序列Pcosφi，i＝1～n，為功率曲線的測點數。

2.1.2 光桿功率

采集回的地面功圖進行面積積分即可獲得光桿功率Prod（kW）：

圖1 抽油機井實時計算模型的程序流程框

式中：Sr——地面功圖積分面積，橫坐標單位為m，縱坐標載荷的單位為kN。

2.1.3 泵功率

根據地下功圖面積折算，即

式中：Sp——泵功圖積分面積，單位同地面功圖。

泵功圖的求解方法采用地面功圖經過求解波動方程獲得計算［2］，也可以采用標定液量收斂法獲得泵功率的計算與修正。

2.1.4 實際產液量Q（t／d）

實際的產液量可以采用 “示功圖”計算［1－5］，也可以采用流量計等抽樣計算。目前的“示功圖”計算油井產液量技術能夠反映油井的液量動態，適合作為適時的液量計量（計算）手段，泵效等的計算也依據此方法進行。

2.2 井筒多相流計算模型

混合液密度應用多相流方法［7］來計算，已知液量和含水、飽和壓力、氣油比，計算沿程的壓力梯度、持液率等數據，迭代到泵出口壓力，可以根據需要選擇多相流計算模型，如定向井應用Beggs－brill方法［8］。計算時需要重力壓差和摩阻壓差分別計算，分別求和，獲得摩阻壓差和總壓差。

首先根據泵深Hp設置迭代步長ΔH和迭代次數n，迭代i＝1～n。一般多相流計算模型中的壓降計算模型均包括摩阻壓差ΔP1i、重位壓差ΔP2i和加速壓差ΔP3i這3個部分。多相流方法的壓力梯度的計算迭代也存在摩阻壓差ΔP1i、重位壓差ΔP2i和加速壓差ΔP3i的計算，則可以計算出泵排出壓力Ppout（MPa）、全井筒的總的摩阻壓降 P1（MPa）、油管摩阻損失功率P1t（kW）、泵輸出功率Ppo（kW）等井筒流動參數。

沉沒壓力Ps（MPa）是影響抽油機井舉升的重要指標參數，對于液面測試的井，計算如下：

如果采用毛管測壓，Ps即為泵深處的毛管壓力；如果測試深度與下泵深度不同，則需要折算成泵深度。對于套管環空放氣井，環空中的壓力折算采用環空放氣多相流模型進行計算［9－11］。

2.3 電機效率計算

電機部分的損耗構成計算有兩種數據方法，一種是地面參數測試沒有功率因數cosφ數據的情況，可以應用電機額定功率Pe來估算；另一種是有實時功率因數cosφ的情況，應用實時功率因數cosφ來計算。

2.3.1 應用電機負載率計算電機效率

根據國內一般電機的特性曲線［2］，進行統計回歸分析，形成所代表的電機負載率與電機效率之間的關系。該方法具有一定的經驗性，電機負載率定義為Fm（%），已知電機額定功率Pe，則有：

應用電機負載率Fm計算電機效率ηm分段計算式為：

根據地面有功功率曲線計算的實時有功功率序列Pinwi可分別計算出不同時間的負載率Fmi電機效率ηmi。

2.3.2 應用實時功率因數 計算電機效率

應用實時功率因數cosφ計算電機效率ηm分段計算式為：

根據地面功率因數曲線計算的實時功率因數序列cosφi可分別計算出不同時間的電機效率ηmi，采用式（16）計算得到，則電機損耗功率ΔPm：

對于井場電網動態無功補償技術［11］，由于補償后功率因數提高，計算的相關指標也相應的變化，達到節能的效果。

2.4 舉升指標計算

皮帶、四連桿加減速箱效率：

而地面系統效率為：

有效舉升高度 Hef（m）、有效功率Pef（kw）、抽油泵的機械效率ηp（%）、方液日耗電量Wdq（kW·h）、系統效率η（%）等指標計算如下：

抽油泵泵效率是指泵的機械效率，代表泵節點的能耗指標。和傳統的泵效不同，傳統泵效是指泵的實際排液量和理論排量的比值，泵效不代表泵節點的能耗指標。

3 應用

依據以上模型，采用物聯網采集、傳輸與處理系統，實時獲得系統效率與各個節點的損耗，構成分解計算數據，應用本模型編制的物聯網軟件在油田應用1200井次。雖然該方法具有一定的經驗性，但是能夠達到實時獲得抽油機井舉升系統的能耗構成指標及動態，獲得抽油機井的實時系統損耗構成，為油田的節能降耗提供實時的數據支撐，也為油氣生產物聯網技術的應用提供了支撐。

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