基于電參數(shù)的抽油機(jī)卡泵預(yù)警規(guī)律研究

龍　瑩，劉芳超，王思琪，邵崇權(quán)

(1.大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163000；2.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；3.中國(guó)石油技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京 100009)

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基于電參數(shù)的抽油機(jī)卡泵預(yù)警規(guī)律研究

龍瑩1，劉芳超1，王思琪2，邵崇權(quán)3

(1.大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163000；2.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；3.中國(guó)石油技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京 100009)

摘要：隨著油田進(jìn)入采油中后期，三元驅(qū)以及聚驅(qū)方式的實(shí)施，引起采出液在抽油泵柱塞和泵筒間結(jié)蠟或結(jié)垢，造成了抽油泵的檢泵周期縮短，嚴(yán)重影響了抽油機(jī)井的工作時(shí)效。從理論上分析了抽油泵摩擦載荷對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響，同時(shí)設(shè)計(jì)并加工了實(shí)時(shí)檢測(cè)儀，現(xiàn)場(chǎng)跟蹤了抽油機(jī)卡泵的懸點(diǎn)載荷及電參數(shù)的變化規(guī)律，并以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，編制了抽油機(jī)卡泵預(yù)警程序，為現(xiàn)場(chǎng)的卡泵分析提供了技術(shù)支撐，同時(shí)為現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)防卡泵措施的制定提供了參考。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)；卡泵；試驗(yàn)測(cè)試；預(yù)警

抽油泵是抽油機(jī)系統(tǒng)井下關(guān)鍵部件，其高效運(yùn)行是提高抽油機(jī)系統(tǒng)工作效率的關(guān)鍵[1]。隨著采油強(qiáng)度的增加，特別在聚合物驅(qū)及三元復(fù)合驅(qū)的油井區(qū)塊，驅(qū)油方式的多樣性，使得油井采出液復(fù)雜多變，主要表現(xiàn)在采出液含聚、含蠟導(dǎo)致井下采出液結(jié)蠟或結(jié)垢，進(jìn)而導(dǎo)致活塞與泵筒間隙變小，最終引起抽油泵卡泵[2-3]。目前，對(duì)于聚驅(qū)或三元驅(qū)區(qū)塊，抽油泵卡泵已經(jīng)成為制約抽油機(jī)高效運(yùn)行的主要因素，因此，如何及時(shí)觀測(cè)抽油泵的運(yùn)行狀態(tài)，合理預(yù)防抽油泵卡泵是采油中后期抽油機(jī)高效運(yùn)行需要解決的主要難題之一。

目前采取的措施是針對(duì)抽油泵卡泵主要研究抽油泵結(jié)蠟或結(jié)垢的原因，分析其化學(xué)組分，研究相應(yīng)的清蠟或清垢的措施，定期向井筒內(nèi)加入防蠟劑或防結(jié)劑[4]，同時(shí)制定相應(yīng)防止卡泵的操作措施，例如減少停機(jī)井?dāng)?shù)及停機(jī)時(shí)間，以防止蠟或垢進(jìn)入泵筒等。上述研究方法在延緩卡泵方面具有一定的效果，但措施具有盲目性，不能根據(jù)井下抽油泵的工作狀況合理地制定清蠟或清垢措施，主要原因在于無(wú)法獲得由于抽油泵卡泵所引起的地面參數(shù)變化規(guī)律。本文通過(guò)理論分析及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，獲得抽油泵卡泵前電參數(shù)的變化規(guī)律，并編制程序，通過(guò)地面參數(shù)對(duì)井下抽油泵的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)卡泵預(yù)警，為地面制定防卡措施提供支持。

1井下摩擦載荷對(duì)地面參數(shù)的影響分析

抽油機(jī)懸點(diǎn)示功圖反應(yīng)了井下抽油桿及抽油泵工作時(shí)的受載狀況，當(dāng)抽油泵工作時(shí)，抽油機(jī)驢頭上、下沖程懸點(diǎn)載荷可表達(dá)為：

P上=P靜上+P慣上+P振+P摩上

P下=P靜下-P慣下-P振-P摩下

式中，P上是上沖程的懸點(diǎn)載荷，單位為N；P下是下沖程的懸點(diǎn)載荷，單位為N；P靜上是上沖程的靜載荷，單位為N；P靜下是下沖程的靜載荷，單位為N；P慣上是上沖程的慣性載荷，單位為N；P慣下是下沖程的慣性載荷，單位為N；P振是振動(dòng)載荷，單位為N；P摩上是上沖程的摩擦載荷，單位為N；P摩下是下沖程的摩擦載荷，單位為N。

通過(guò)載荷分析可知，懸點(diǎn)最大、最小載荷分別出現(xiàn)在下沖程剛開(kāi)始的上死點(diǎn)和上沖程剛開(kāi)始的下死點(diǎn)附近，所以最大、最小載荷公式分別為：

Pmax=P靜上+P慣上+P振+P摩上

Pmin=P靜下-P慣下-P振-P摩下

當(dāng)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)及抽汲參數(shù)一定時(shí)，抽油桿懸點(diǎn)所受靜載荷是一定的，抽油桿慣性載荷和振動(dòng)載荷也一定，摩擦載荷不僅與沖程、沖次有關(guān)，還與液體粘度、柱塞與泵筒間隙有關(guān)；因此，當(dāng)井下井液性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，可直接反應(yīng)在懸點(diǎn)載荷中。

圖1　摩擦載荷增大引起靜示功圖的變化

2抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷、電參數(shù)與卡泵關(guān)系的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽油泵在卡泵過(guò)程中懸點(diǎn)功圖及電參數(shù)的變化規(guī)律，自主設(shè)計(jì)并加工了井口懸點(diǎn)參數(shù)及電參數(shù)測(cè)試儀，并在大慶油田某聚驅(qū)井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)井的抽油機(jī)機(jī)型為CYJY10-4.2-53HB，測(cè)試時(shí)間為2009年9月5日-2009年10月28日，于2009年10月28日下午1點(diǎn)多卡泵。試驗(yàn)井基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)井油井參數(shù)

將測(cè)試得到的不同時(shí)刻懸點(diǎn)功圖進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖2)，不同時(shí)刻電動(dòng)機(jī)平均功率及電流的變化分別如圖3和圖4所示。

圖2　不同時(shí)刻X1-31-P55井懸點(diǎn)功圖對(duì)比

圖3　不同時(shí)刻電動(dòng)機(jī)平均功率變化曲線(xiàn)

圖4　不同時(shí)刻電動(dòng)機(jī)平均電流變化曲線(xiàn)

由圖2可以看出：1)隨著抽油泵結(jié)垢程度增大，懸點(diǎn)的最大載荷逐漸增大，懸點(diǎn)的最小載荷有所減小，且最大載荷的增大幅值較大，最小載荷減小的不明顯；2)懸點(diǎn)載荷上沖程的振動(dòng)規(guī)律變化不大，下沖程的振動(dòng)增加；3)桿柱的彈性變形增加，沖程損失增大；4)由于摩擦載荷的增大使得懸點(diǎn)功圖的起始點(diǎn)降低，這是由于在抽油桿運(yùn)動(dòng)初期，桿柱的質(zhì)量由摩擦載荷平衡了一部分，使得懸點(diǎn)載荷降低；5)摩擦載荷增大后，在上、下沖程轉(zhuǎn)化過(guò)程中，摩擦載荷存在換向，使得摩擦載荷作用過(guò)程較長(zhǎng)，懸點(diǎn)載荷卸載較慢。

由圖3和圖4可以看出，隨著摩擦載荷的增大，電動(dòng)機(jī)的平均功率逐漸增大，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)的耗能增加，電動(dòng)機(jī)的平均功率增大率由0逐漸增大到19.88%，在卡泵當(dāng)天的功率增加率為19.46%，當(dāng)功率增加率到10%～14%時(shí)抽油泵運(yùn)行了約10 d，在2009年10月19日之后，功率增加率急劇增大，高位運(yùn)行2 d后，功率增加率又回落到約為8%，隨后出現(xiàn)卡泵；因此，當(dāng)抽油泵出現(xiàn)卡泵時(shí)，載荷增加率變化較為明顯，且一直處于高位變化，約5 d之后出現(xiàn)卡泵。根據(jù)功率變化率曲線(xiàn)圖可以看出，當(dāng)功率變化率>14%時(shí)，抽油泵遇到特殊情況，卡泵事故極易發(fā)生。

3抽油機(jī)卡泵預(yù)警實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)程序的編制

根據(jù)上述理論分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)油井基本參數(shù)計(jì)算并確定標(biāo)準(zhǔn)功圖，以標(biāo)準(zhǔn)功圖為基準(zhǔn)，將以懸點(diǎn)最大載荷增加量判定抽油泵的結(jié)垢程度，即:

ΔPB-Plin≥0

式中，ΔPB是懸點(diǎn)載荷最大增量，單位為N；Plin是臨界懸點(diǎn)載荷增量，單位為N。

如果滿(mǎn)足上述載荷的變化規(guī)律，且滿(mǎn)足上式條件，則提出預(yù)警信號(hào)。當(dāng)以電參數(shù)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，以懸點(diǎn)功圖的變化規(guī)律為基礎(chǔ)，結(jié)合扭矩因數(shù)，可計(jì)算一個(gè)沖程內(nèi)功率變化曲線(xiàn)。將懸點(diǎn)的載荷增量折算到功率增量中，由于不同機(jī)型的扭矩因數(shù)不同，則功率增量也不同。不同機(jī)型的臨界載荷增量與臨界功率增量的關(guān)系如下。

1)CYJ8-3-37HB型與CYJ10-3-37HB型為：

ΔP=-0.003 3ΔF4+0.091 8ΔF3-0.819ΔF2+4.525 8ΔF+0.008 4

2)CYJY10-3-37HB型與CYJY8-3-37HB型為：

ΔP=0.000 2ΔF4+0.004ΔF3-0.163 2ΔF2+2.287 5ΔF+0.0378

3)CYJY10-4.2-53HB型為：

ΔP=-0.005 9ΔF4+0.148 9ΔF3-

1.286 2ΔF2+5.761 2ΔF+0.015 5

4)CYJY14-5.5-89HF型為：

ΔP=-0.001 5ΔF4+0.046 9ΔF3-

0.540 1ΔF2+4.421 8ΔF+0.015 5

5)CYJY14-6-89HF型為：

ΔP=-0.000 6ΔF4+0.024 6ΔF3-

0.389 4ΔF2+4.432 3ΔF+0.095 4

根據(jù)臨界功率增量，可確定臨界的電流增量為：

根據(jù)上述公式，在確定臨界載荷增量的條件下，結(jié)合機(jī)型可確定臨界功率增量及臨界電流增量，當(dāng)測(cè)試得到的功率增量大于臨界功率增量，或電流增量大于臨界電流增量時(shí)，則提出預(yù)警信號(hào)。

為完成上述分析，編制了懸點(diǎn)載荷與卡泵規(guī)律的計(jì)算軟件，抽油機(jī)井結(jié)垢預(yù)警分析程序主界面如圖5所示。該軟件可根據(jù)油井基本參數(shù)，通過(guò)測(cè)試的懸點(diǎn)載荷或電動(dòng)機(jī)功率判斷井下抽油泵的卡泵程度，給出結(jié)垢進(jìn)度，為卡泵預(yù)警提供技術(shù)支撐。

圖5　抽油機(jī)井結(jié)垢預(yù)警分析程序主界面

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，可以得出以下結(jié)論。

1)通過(guò)對(duì)抽油泵結(jié)垢引起增大摩擦載荷的規(guī)律分析發(fā)現(xiàn)，摩擦載荷受運(yùn)動(dòng)速度影響較小，因此，其對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響主要表現(xiàn)在懸點(diǎn)最大載荷增加，最小載荷減小，且沖程損失增加。

2)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，抽油泵結(jié)垢嚴(yán)重時(shí)，懸點(diǎn)載荷表現(xiàn)為上沖程的最大載荷增加，上、下沖程轉(zhuǎn)換過(guò)程中載荷下降緩慢，且下沖程最小載荷降低較小。與理論分析基本吻合，下沖程載荷的降低幅值與上沖程載荷的增加幅值不相等，主要原因在于抽油機(jī)井下沖程過(guò)程是抽油桿柱的自由落體運(yùn)動(dòng)與抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)相互耦合作用，它們之間相互影響；因此，結(jié)垢后下沖程最小載荷的準(zhǔn)確計(jì)算較為困難。鑒于此，在診斷抽油泵結(jié)垢程度時(shí)，主要參考上沖程最大載荷的增加幅值。

3)以建立的臨界載荷為基礎(chǔ)，結(jié)合不同機(jī)型，獲得了以功率或電流為參數(shù)的判斷臨界值，編制了抽油機(jī)井卡泵預(yù)警程序，可實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)井卡泵程度的預(yù)警。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯鄭練

Research on the Law of Stuck Pumping Forecast of Pumping Unit based on Electrical Parameter

LONG Ying1, LIU Fangchao1, WANG Siqi2, SHAO Chongquan3

(1.Daqing Oilfield Company, Daqing 163310, China; 2.Northeast Petroleum University, Department of Mechanical Science and Engineering, Daqing 163310, China; 3.China Petroleum Technology & Development Corporation, Beijing 100009, China)

Abstract：As the production of oilfield goes into middle and later periods, the ASP flooding and polymer flooding is used, it makes that the produced liquid paraffin depositing or scaling between the plunger and pump barrel increases, the pump inspection cycle is shortened and the efficiency of pumping unit is slowed. The influence of friction load on polished rod load is analyzed in theory, the detector is designed and processed. Through tracking the polished rod load and electrical parameter before stuck pumping, and based the experiment date, the procedure to forecast stuck pumping is established, the procedure can provide technical support for analyzing stuck pumping, and can provide reference for making measures to prevent stuck pumping in oilfield.

Key words:pumping unit, stuck pumping, experimental test, forecast

中圖分類(lèi)號(hào)：TE 35

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-11-17

作者簡(jiǎn)介：龍瑩(1987-)，女，工程師，大學(xué)本科，主要從事采油工程及測(cè)試等方面的研究。