螺桿泵閉環智能采油系統在油田生產中的應用

徐春亮 李丹 肖傳玉

（1.大慶油田有限責任公司第六采油廠；2.大慶油田有限責任公司第一采油廠；3.大慶潤滑油分公司）

螺桿泵閉環智能采油系統在油田生產中的應用

徐春亮1李丹2肖傳玉3

（1.大慶油田有限責任公司第六采油廠；2.大慶油田有限責任公司第一采油廠；3.大慶潤滑油分公司）

針對傳統螺桿泵存在的地面驅動螺桿泵時，轉速瞬間提高，抽油桿產生很大的慣性扭矩，導致抽油桿承受的扭矩大于額定扭矩，抽油桿易擰斷；螺桿泵停機時，抽油桿的載荷扭矩瞬間釋放，抽油桿快速倒轉，容易造成抽油桿脫扣等問題，提出了應用螺桿泵閉環智能采油系統解決上述問題的方案，介紹了螺桿泵閉環智能采油系統的適用條件、工作原理、系統組成、特點，以及現場應用情況，并對實施效果進行了分析評價。實踐證明，螺桿泵閉環智能采油系統是一種先進的低成本油井開發生產工藝技術，具有很好的油田生產現場適應能力和較高的性價比。對5口采用游梁式抽油機舉升方式且油井地層供液相對不足的油井，實施螺桿泵閉環智能采油系統節能技術改造，改造后其綜合節電率達到48.9%，年節電量達209 875 kWh，單井平均日節電達到115 kWh。此系統的應用對推進智能化油田建設具有促進作用。

螺桿泵；閉環；智能采油系統；應用；節能；增產

引言

螺桿泵采油工藝以其工藝簡單、管理方便，適用于高黏度、高含砂、大氣油比、低產油田的開采等優點，越來越多地用以開發稠油油藏[1]。螺桿泵是一種容積式泵，它的運動部件少，沒有閥件和復雜的流道，油流擾動小，排量均勻，具有適應性強，投資費用低，管理簡便，排量調節方便，效率高，節能效果好等優點[2]。但傳統螺桿泵存在著以下不足：地面驅動螺桿泵時，轉速瞬間提高，抽油桿產生很大的慣性扭矩，導致抽油桿承受的扭矩大于額定扭矩，抽油桿易擰斷；螺桿泵停機時，抽油桿的載荷扭矩瞬間釋放，抽油桿快速倒轉，容易造成抽油桿脫扣[3]。隨著智能化油田建設步伐的推進以及數字技術的迅速發展，數字信息化和智能化技術在油田生產中的不斷應用，不僅可以提高油氣開發生產效率，而且又能有效解決傳統油氣生產中的一些技術難題[4]。為此，在調查研究的基礎上，提出了《螺桿泵閉環智能采油系統在油田生產中的應用》這一研究課題，并取得了良好的現場應用效果。

1 螺桿泵閉環智能采油系統的適用條件、工作原理及組成

1.1 適用條件

智能地面驅螺桿泵采油方式對于低產井、稠油井、出砂井均有較好的適應性，且生產系統成本上升低，對直井具有較好的適應性；對于定向井，要求其抽油桿受力深小于1200 m，油井采出液含砂量小于2.5%，油井硫化氫的質量分數小于5×10-6，井溫小于100℃，泵下入深度套管完好，無變形，有良好的錨定條件[5]。智能地面驅螺桿泵系統主要由螺桿泵閉環智能采油系統組成。

1.2 工作原理

該系統的設計思路是根據光桿的扭矩、受力、螺桿泵井下液位、電動機電流、電壓等參數，以螺桿泵采油系統效率最高或能耗最小為設計原則，充分考慮智能采油系統的高效節能因素，構成智能監控閉環控制回路系統；通過設計高效節能的新型智能控制器，來實時調節電動機的運轉速度，從而有效控制螺桿泵的運行速度，使螺桿泵采油系統工作在最優狀態，提高油井采油效率[6]。

該智能采油系統的工作原理是：傳感器的信息輸入模糊-神經網絡智能控制器，智能控制器根據該信息所反映的井下實時工況，由可編程控制器（PLC）發送一個信號給變頻器，變頻器根據該信號改變電動機輸入電壓頻率，并對三相異步電動機進行無級調速，從而使抽油桿及螺桿泵轉子的轉動速度發生改變，進而達到實時智能控制油井的開采。當螺桿泵開機時，由PLC發出軟啟動指令，對螺桿泵進行軟啟動；當螺桿泵停機時，由PLC發出軟停機指令，對螺桿泵實施軟停機，可以有效避免抽油桿扭斷或脫扣現象的發生。

1.3 組成

螺桿泵閉環智能采油系統是一個智能閉環智能采油系統，主要由井下檢測傳感器、數據采集電路、PLC、變頻器、配套電動機、螺桿泵、減速器和抽油桿柱等部分組成。該系統可以根據井下生產實時參數自動控制調節螺桿泵的實時轉速，使螺桿泵處于最佳工作狀態，避免抽油桿頻繁斷、脫問題，達到增產、節能降耗和提高油井機采系統運行效率的目的。

2 螺桿泵閉環智能采油系統特點

1）智能化程度高。采用模糊-神經網絡智能控制器，高性能的智能控制器完全能滿足油田生產現場的使用要求。采用的PLC為西門子公司生產的S7-300系列，其控制準確性高。

2）節能效果好。比傳統游梁式抽油機直接節電40%左右，綜合節電45%以上，同時還可降低油井變壓器的容量。

3）安全可靠性好。采用軟剎車電氣控制系統，具有柔性自動控制功能，能有效防止抽油桿斷桿、脫扣等機械事故。同時，還采用油井防抽空保護裝置，能有效解決油井因地層供液不足造成抽油機空抽的問題，確保油井連續生產平穩運行。

4）泵效高。其螺桿泵泵效比傳統游游梁式抽油機泵效高出25%。

5）自動調速。能根據油井供液情況，自動調節變頻器運行頻率，調節電動機轉速；能根據地層供液情況變化，自動調整油井生產工藝參數，具有柔性調節等優點。

6）噪聲低。采用變頻調速控制系統，具有系統軟啟動、軟停車以及減少機械傳動機構等特點；與傳統游梁式抽油機機械驅動系統相比，不僅電動機功率大大降低，而且降低了因機械傳動機構動作而產生的噪聲，有效改善職工的工作環境，減少職業危害[7]。

3 現場應用情況及實施效果

2016年5月，大慶油田某采油廠在調查研究的基礎上，引進應用螺桿泵閉環智能采油系統，對5口采用游梁式抽油機舉升方式且油井地層供液相對不足，產液量低的油井實施整體節能技術改造，取得了良好的效果。項目實施前后5口油井生產數據對比見表1。

由表1可知，應用螺桿泵閉環智能采油系統后，油井產油量和產液量均得到提升，電動機功率因數平均提高0.496，平均單井日節電量達115 kWh，平均單井有功功率下降4.80 kW，平均單井無功功率下降14.52 kvar，百米噸液耗電下降4.12 kWh，綜合節電率達到48.9%，油井平均系統效率提升12.61%。通過應用螺桿泵閉環智能采油系統，優化了油井生產工藝狀態，降低了油井生產負荷，減少了油井變壓器容量，使油井更趨于高效、節能、低耗的生產運行狀態，達到了機采系統整體節能降耗和提高油井系統運行效率和高效開采的目的。

4 綜合效益評價分析

通過螺桿泵閉環智能采油系統在油田生產中的應用，有效地解決了油田稠油開發區塊油井舉升工藝不合理、油井系統效率低、能耗高以及噸油開采成本高等問題，取得了良好的經濟效益和社會效益。

1）變壓器減容。通過實施螺桿泵閉環智能采油系統在油田生產中的應用，降低了油井變壓器容量，優化了油井供配電系統運行配置。按照現行電費標準計算，可降低年容量費用12 480元。

2）節能。項目實施后，其綜合節電率達到48.9%，單井平均日節電達到115 kWh，5口油井年節電量可達209 875 kWh。按每千瓦時0.631元計算，預計可節省電費132 431元。

表1 項目實施前后5口油井生產數據對比

綜上分析可知，通過螺桿泵閉環智能采油系統在油田生產中的應用，則產生年直接經濟效益為14.4911萬元。

3）減排。按照節約1 kWh電能減排0.997 kg二氧化碳，即減少0.272 kg碳排放計算，應用該系統每年可減少碳排放57 086 kg。

4）提高油井系統運行效率。油井平均系統效率由節能技改前的16.18%提升到節能技改后的28.79%，達到了油井“能效倍增”的技術改造目標，完全符合油田生產綠色、節能、低碳、高效、共享的發展理念。

5）提升油井生產時率。該工藝技術具有油井免維修、延長密封組件使用壽命、降低停機維修率、節省大量維護費用的特點，增加油井采油工作效率和效益。

6）安全可靠性好，操作簡單方便。能根據油井供液情況，自動調節變頻器運行頻率和電動機轉速；能根據地層供液情況變化，自動調整油井生產工藝參數，滿足油井連續生產不間斷輸送以及長距離連續輸送防止管道堵塞的工藝要求。

5 結論

實踐證明，螺桿泵閉環智能采油系統是一種先進的低成本油井開發生產工藝技術，它具有系統整體運行效率高、節能效果好、安全可靠性好、自動調速、噪音低、智能控制器性價比高、能有效提高油井生產時率等優點，可解決部分油井供液不足、油井液面低、產液量少、油井開采成本高等問題。該系統采用模糊-神經網絡智能控制器，具有很好的油田生產現場適應能力和較高的性價比，高性能的智能控制器完全能滿足油田生產現場的使用要求，它的應用對推進智能化油田建設具有促進作用。

[1]呂彥平，吳曉東，李遠超，等.螺桿泵井系統效率分析模型及應用[J].石油鉆采工藝，2006，28（1）：64-68.

[2]朱益飛，石曉明，馬冬梅.提高孤東油田機采系統效率的探討[J].電力需求側管理，2009，11（4）：44-48.

[3]王用橋，伍名山，羅海峰.淺談配電系統節電技術應用及效果分析[J].油田節能，2007（1）：44-46.

[4]朱益飛.運用先進監控技術確保油氣管道安全[J].可編程控制器與工廠自動化，2010，10（6）：99-101.

[5]國家能源局.油田生產系統能耗測試和計算方法：SY/T 5264—2012[S].北京：石油工業出版社，2012：1-12.

[6]朱益飛.新型直驅式螺桿泵地面驅動裝置在油田生產中的應用[J].石油石化節能，2016，6（11）：51-53.

[7]史紅芳.提高稠油注汽開發質量效果的探討[J].石油工業技術監督，2012，28（4）：32-34.

沙漠綠島石西油田

2017-04-20

（編輯 張興平）

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.10.008

徐春亮，2011年畢業于東北石油大學（油氣儲運工程專業），從事地面工程管理工作，E-mail：xuchunliang@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區采油六廠四礦，163114。