電泵井實時智能化診斷和優化決策技術研究與應用

張朋陳德春楊康敏李霖紀國帥姚亞

（1.中石化河南油田分公司；2.中國石油大學（華東））

電泵井實時智能化診斷和優化決策技術研究與應用

張朋1陳德春2楊康敏1李霖1紀國帥1姚亞2

（1.中石化河南油田分公司；2.中國石油大學（華東））

為提高電泵井現場管理水平，達到無人值守、生產運行自動化管理、節能的目的，2015年開始河南油田分公司對江河油田10口電泵井進行了信息化改造，通過在井口安裝壓力、溫度、電參數、刮板流量計、視頻等自動采集設備，實時采集電泵井運行的各項參數和井場圖像，采用ZigBee無線通訊或4G網絡傳輸至數據控制終端，同時針對河南油田電泵井開發了實時工況診斷和優化決策軟件系統，實現了油井工況的實時智能化診斷和優化決策。

電泵井；智能化；實時；工況診斷；優化決策

引言

電泵井具有排量大、地面工藝簡單等優點，是油田進入高含水開發后期，為達到穩產而廣泛使用的采油方式之一。目前河南油田在用電泵井總計46口，主要分布在江河和下二門油田，但由于潛油電泵在井下的工作環境惡劣，電動機燒毀、卡泵、分離器軸下串、分離器軸折斷、電纜擊穿、電纜頭燒毀、機組落入井中、花鍵套松脫等故障時有發生，油井隨時都有躺井的可能。因此，及時診斷電泵井工況，同時對電泵井進行及時優化，保障其正常高效運行，具有十分重要的意義。

為提高電泵井的管理水平，達到無人值守、生產運行自動化管理、節能的目的[1][2]，2015年開始河南油田分公司對江河油田的10口電泵井進行了信息化提升和改造。通過在井口安裝壓力、溫度、電參數、刮板流量計、視頻等自動采集設備，實時采集電泵井運行的各項參數和井場圖像，采用ZigBee無線通訊或4G網絡傳輸至數據控制終端，實時掌握電泵井的各項運行參數。

同時以油田現場測試的工作參數和特性曲線以及故障診斷經驗為依據，通過對電潛泵采油系統常見故障的特性以及對工況的影響進行理論分析，通過數學計算或其他特征分析來提取可區分不同故障下電流曲線的特征量，然后再完成電泵井工況診斷的軟件編制，以判斷異常井井下工況故障原因，并提出措施建議，實現電泵井工況的實時智能化診斷和優化決策[3]。

1 硬件（數據自動采集設備）

電泵井數據實時自動采集設備主要包含視頻監控系統、流量監測系統、壓力監測系統、溫度監測系統、電參數采集系統和數據采集控制系統。系統各組成部分功能如下：

1）視頻監控系統：通過高清網絡攝像機對井場、重要設施及路口進行視頻圖像采集和周界闖入報警。圖像存儲采用分布式和集中存儲相結合的方式，路口監控采用前端分布式存儲，報警井場、作業井場、重點油井在管理區二次集中存儲。前端分布式存儲時間7 d，集中存儲時間為30 d，圖像存儲格式至少720P，壓縮格式H.264。正常情況下圖像顯示采用D1或CIF格式傳輸，在報警時，采用720P格式傳輸。

2）流量監測系統：采用刮板流量計進行計量，流量計字碼現場可直接讀取，同時配置脈沖發射器發射脈沖信號，采用ZigBee無線通訊方式，將管道流量數據傳輸至數據采集控制系統。

3）壓力監測系統：配置油壓、套壓、回壓無線壓力傳感器，數據采用LCD數字顯示，配置低功耗處理模塊，通過信號處理電路，將壓力變化轉化為脈沖信號，采用ZigBee無線通訊方式，將油井壓力數據傳輸至數據采集控制系統。

4）溫度監測系統：井口安裝無線溫度變送器實時監測井口溫度，無線溫度變送器選用PT100熱電阻作為傳感信號源，經過內部智能化微處理器將溫度變化數據變送輸出為脈沖信號，采用ZigBee無線通訊方式，將油井溫度數據傳輸至數據采集控制系統。

5）電參數采集系統：控制柜中加裝無線智能多功能電表，采集油井電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等數據，通過數字化處理將各參數轉化為脈沖信號，采用ZigBee無線通訊方式，將油井溫度數據傳輸至數據采集控制系統。

6）數據采集控制系統：油田專用的集成一體化RTU，采用32位處理器，嵌入式實時多任務操作系統，具有現場信號的數據采集、控制輸出、數據處理、PID運算等功能，通過4G通訊模式，將井場數據和圖像傳輸至智能化監控系統服務器。

2 數據傳輸網絡

針對江河油田的具體情況，數據傳輸網絡采用了基于TD-LTE的無線監控解決方案[4]。方案包括EPC（4G核心網絡）、ENB（基站）、UE（無線終端）和OMC（網管中心）等設備的部署，數據傳輸組網結構圖見圖1。

圖1 數據傳輸組網結構

1）EPC（4G核心網絡）：是TD-LTE網絡數據的交換和路由設備，負責基站的管理、無線終端的接入控制、認證和用戶的移動性管理等功能。EPC提供SGi接口為上層應用提供與無線終端之間的數據通道。

2）ENB（基站）:負責基站和終端之間的無線傳輸。采用分布式基站架構，分為基帶處理單元BBU和射頻拉遠單元RRU以及配套智能天線。

3）UE（無線終端）：包括手機、數據卡、CPE和DTU等多種形態。

4）OMC（網管中心）：統一網管設備，通過O接口管理核心網、基站等網絡設備。

方案優點在于網絡部署簡單、便捷。只需在經過勘測并符合要求的站點建設基站，在此基站可覆蓋的范圍內，都可以更加便利地部署CPE終端。在基站可覆蓋的范圍內，無需額外部署承載光纖等，大大提高建設的便利性并降低建設成本。4G網絡可提供的帶寬也可以完全滿足高清圖像圖傳的要求。

3 實時工況診斷與優化決策軟件系統

3.1 技術原理

從電潛泵的工作原理出發，以現場測試的工作參數和特性曲線以及故障診斷經驗為依據，通過對電潛泵采油系統常見故障的特性以及對工況的影響進行理論分析，同時在充分了解不同工況下電流卡片曲線的形態特征的前提下，通過數學計算或其他特征分析來提取可區分不同故障下電流曲線的特征量，然后再完成電動潛油離心泵電流卡片工況診斷的軟件編制，以判斷異常井井下工況故障原因，并提出措施建議，實現了電潛泵實時故障診斷及優化決策[5]。

3.2 軟件應用舉例

下面應用泵氣鎖時的電流卡片數據導入軟件進行應用舉例[6]（圖2）：

圖2 泵氣鎖時的電流卡片數據

首先點擊軟件主界面上的數據導入菜單，然后在彈出的“打開”對話框中找到存放電流卡片數據的文件夾，然后單擊“泵氣鎖.xls”的文件確定導入。運行界面如圖3所示。

然后選擇“讀點軟件數據”，單擊“確定”進行診斷即可顯示診斷結果及優化建議。運行界面如圖4所示。

圖3 數據導入運行界面

圖4 診斷結果及優化建議界面

4 現場應用效果

該技術自投入現場應用以來，運用軟件系統對江河油田10口電泵井進行診斷及優化80井次，診斷故障主要有泵型選擇不合理、氣鎖、砂堵、電動機燒毀、卡泵、泵軸斷、電纜絕緣差、保護器進液等故障，同時對各類故障井提供了優化建議。通過應用，為提高電泵井的管理水平，達到無人值守、生產運行自動化管理、節能降耗的目的。

2016年2月19日上午8點，對雙6-10進行診斷，診斷結果為正常過載停機，優化建議更換葉導輪。當天上午9點26分管理區組織機泵維修班更換葉導輪，11點45分再次對該井診斷，診斷為正常工況。僅用不到4 h完成了電泵井的故障診斷及維護，防止了泵機組的進一步損壞，提高了油井時率和生產效率。

2016年3月5日上午9點，對雙檢5進行診斷，診斷結果為泵抽空，軟件優化建議為加深泵掛120 m，同時將泵由QYB-150優化為QYB-100。當天上午11點18分管理區組織作業隊上井加深泵掛換小泵深抽，19點27分作業完成，20點16分再次用系統診斷工況正常。作業后產液量由127.6 t升至147.4 t，產油量由1.3 t上升至4.5 t，日增油3.2 t。

5 結論

1）電泵井井口安裝壓力、溫度、電參數、刮板流量計、視頻等自動采集設備，實時采集電泵井運行的各項參數，采用ZigBee無線通訊或4G網絡傳輸至數據控制終端，井場無需人工巡檢，數據無需手動錄取，減少了作業強度。

2）江河油田10口井80井次現場試驗表明，該軟件系統診斷結果及優化建議準確率高，實用性強，推廣價值高。

3）電泵井實時智能化決策系統的應用，提高了電泵井的管理水平，達到無人值守、生產運行自動化管理、節能的目的。

[1]關于加快推進信息化與工業化深度融合的若干意見[Z].中華人民共和國工業和信息化部.2011.

[2]冉新權，朱天壽.油氣田數字化管理[M].北京：石油工業出版社，2011：23-32.

[3]黃曉，石步乾，范喜群,等.電泵井優化設計及工況診斷技術的應用[J].鉆采工藝，2000，23（6）：87-89.

[4]葉洲峰，張建軍，楊國強,等.電泵井遠程無線監控系統在河南油田的應用[J].石油工業計算機應用，2003，11（3）：23-25.

[5]李志強，葉洲峰，張建軍，等.河南油田潛油電泵井遠程無線監控系統研制[J].江漢石油學報，2003，25（3）：29-30.

[6]黃志強，羅旭，彭世金，等.智能井智能化開采系統軟件開發[J].石油鉆采工藝，2014，36（6）：55-59.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.02.013

2016-12-08

（編輯 李珊梅）

張朋，2011年畢業于長江大學（石油工程專業），現從事油田智能化建設及井下工具的研究工作，E-mail：zhangpeng123.hnyt@sinopec.com，地址：河南省鄭州市鄭東新區正光北街33號，473000。

中石化股份公司科研項目“提高采油系統效率與智能化監控技術”（編號：P15121）。