不停井間抽技術(shù)在葡萄花油田的應(yīng)用與認(rèn)識

婁治生 李長生（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

前言

葡萄花油田部分區(qū)塊的注采出現(xiàn)失衡，呈現(xiàn)出“注少采多”的局面。采出端機(jī)采參數(shù)已降至最低，機(jī)采井的動液面仍不能有效恢復(fù)，部分機(jī)采井的沉沒度一度達(dá)到了50 m水平，甚至更低，液面抽空導(dǎo)致燒泵危險(xiǎn)急劇增加。因此，油田及時(shí)采取了間抽措施。全廠間抽總井?dāng)?shù)達(dá)到1050口，約占總開井?dāng)?shù)的25%。

技術(shù)人員結(jié)合地層性質(zhì)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，綜合分析動液面恢復(fù)資料，以“動液面合理，產(chǎn)量最優(yōu)”為原則[1]，為不同單井制定了間抽制度，并下發(fā)基層隊(duì)執(zhí)行。基層隊(duì)在執(zhí)行過程中普遍反映，由于單井每日需啟、停各1次，且不同井的啟、停時(shí)間不一，工作量較大，工人勞動強(qiáng)度高，且執(zhí)行過程中影響因素過多，總體效果不盡理想。為此，開展間抽井自動啟停技術(shù)研究，最終優(yōu)選了不停井間抽技術(shù)在葡萄花油田進(jìn)行試驗(yàn)并進(jìn)行規(guī)模推廣。

1 技術(shù)方案設(shè)計(jì)與技術(shù)原理

1.1 方案設(shè)計(jì)

為防止不停井間抽技術(shù)出現(xiàn)功能缺陷，對用戶以及礦場實(shí)際進(jìn)行了充分的調(diào)研，同時(shí)充分考慮多種影響因素，以“滿足功能、效果最優(yōu)”作為基本原則，在電子設(shè)備選擇、通訊兼容情況等方面嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，并經(jīng)多次室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，確保設(shè)計(jì)無缺陷。設(shè)計(jì)方案見圖1。

圖1 方案設(shè)計(jì)

1.2 設(shè)備組成

圖2 工作原理

該技術(shù)以抽油機(jī)現(xiàn)有變頻控制箱為基礎(chǔ)，在其上加裝通訊模塊和間抽控制裝置，并在抽油機(jī)減速箱外部安裝感知曲柄位置的傳感器。間抽控制裝置與變頻器之間通過通訊模塊實(shí)現(xiàn)通訊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的連續(xù)運(yùn)行與非連續(xù)運(yùn)行之間的自由切換，在傳感器的配合下完成間歇狀態(tài)時(shí)的搖擺控制[2]。

1.3 基本原理

間抽控制裝置通過微控制器將控制指令通過RS485通訊模塊傳送給變頻器的DSP主控芯片，變頻器按照控制指令進(jìn)行整周期正常運(yùn)行，同時(shí)將運(yùn)行狀態(tài)反饋給間抽控制器，當(dāng)整周期運(yùn)行時(shí)間達(dá)到設(shè)定的時(shí)間時(shí)，間抽控制器向變頻器發(fā)送一個(gè)擺動運(yùn)行指令，變頻器接收到指令后，抽油機(jī)曲柄運(yùn)行到位置傳感器附近時(shí)，運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換為擺動運(yùn)行，并將當(dāng)前擺動頻率和擺動角度等信息回饋給間抽控制器，當(dāng)正向擺動角度到達(dá)所設(shè)定的角度時(shí)，間抽控制器發(fā)出反轉(zhuǎn)指令，變頻器通過主控芯片處理控制逆變模塊的工作狀態(tài)，從而驅(qū)動電動機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)反轉(zhuǎn)到達(dá)所設(shè)定的角度時(shí)，輔助控制器發(fā)出正轉(zhuǎn)指令，變頻器驅(qū)動電動機(jī)正轉(zhuǎn)，直到擺動時(shí)間到達(dá)設(shè)定時(shí)間后重新切換到整周期正常運(yùn)行，使抽油機(jī)井處在整周期正常運(yùn)行和曲柄小幅度擺動運(yùn)行的一個(gè)周期性的運(yùn)行方式下，實(shí)現(xiàn)間抽井不停井連續(xù)運(yùn)行（圖2）。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)的準(zhǔn)確性

對電動機(jī)是否按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的停、啟時(shí)刻進(jìn)行停止和啟動即系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。現(xiàn)場采取技術(shù)人員小規(guī)模盯井與基層員工大規(guī)模跟蹤兩種方式進(jìn)行驗(yàn)證。

1）技術(shù)人員以隨機(jī)抽樣的方式選取停井時(shí)間較短（一般為2～4 h）的不同單位的井共10口，累計(jì)派出5組技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場盯井，填寫盯井情況表，分析驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)跟蹤結(jié)果見表1。

2）技術(shù)單位制定大規(guī)模跟蹤方案，一線基層隊(duì)落實(shí)執(zhí)行。分別在3月、7月和12月，每個(gè)月由各基層隊(duì)隨機(jī)選取3天，對本基層隊(duì)的不停井間抽技術(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行跟蹤，并按要求填寫跟蹤表。技術(shù)單位對全廠1050口井的跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，選取10口具有代表性的井進(jìn)行列舉，進(jìn)而分析驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)跟蹤結(jié)果見表2。

兩種方案的數(shù)據(jù)跟蹤結(jié)果表明，不停井間抽技術(shù)能夠按照設(shè)計(jì)的停止和啟動時(shí)間進(jìn)行電動機(jī)的停止和啟動，且在生產(chǎn)井停止生產(chǎn)期間，未發(fā)現(xiàn)無故啟動的井（部分停井時(shí)間較長井未全程盯井），系統(tǒng)的準(zhǔn)確性較好[3]。

2.2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性

間抽控制裝置是不停井間抽技術(shù)的核心部件，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對其溫度、濕度、電壓等情況進(jìn)行了測試，結(jié)果見表3。

表1 方案一現(xiàn)場跟蹤情況

表2 方案二現(xiàn)場跟蹤情況

表3 間抽控制裝置適應(yīng)參數(shù)

與有關(guān)部門結(jié)合，對葡萄花油田2017年度的溫度、濕度及電網(wǎng)電壓變化范圍進(jìn)行收集與整理，數(shù)據(jù)顯示，該技術(shù)的核心部件完全可以適應(yīng)葡萄花油田的礦場實(shí)際，穩(wěn)定性較好。同時(shí)，對大慶地區(qū)50年來的空氣溫度及濕度情況進(jìn)行了搜集，確定了其極值情況，數(shù)據(jù)顯示其變化范圍處于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的區(qū)間內(nèi)，預(yù)計(jì)在今后的使用過程中設(shè)備不會出現(xiàn)問題。

如何使用工具對非常規(guī)油氣藏水平井減摩降扭……………………………………………………………………陳 帥（2.21）

2.3 安全作用

不停井間抽技術(shù)的間抽控制功能有搖擺模式和不搖擺模式。搖擺模式即機(jī)采井處于間歇狀態(tài)時(shí)，電動機(jī)不停機(jī)，而是小角度的往復(fù)運(yùn)動，體現(xiàn)為抽油機(jī)曲柄的扇形往復(fù)式擺動和抽油光桿的上下往復(fù)短位移運(yùn)動；不搖擺模式即機(jī)采井處于間歇狀態(tài)時(shí)，電動機(jī)停止運(yùn)動，抽油機(jī)、光桿等完全處于靜止?fàn)顟B(tài)。葡萄花油田在用的控制功能為搖擺模式。

不搖擺模式存在的安全隱患主要體現(xiàn)為：停井時(shí)，一線員工可能會誤以為機(jī)采井故障停井，在無人為操作的情況下不能啟動。如果此時(shí)進(jìn)行抽油機(jī)的加盤根、擦拭光桿或者上機(jī)保養(yǎng)等操作而抽油機(jī)間歇時(shí)間已到突然啟動將會發(fā)生較大的危險(xiǎn)，非常容易造成人員傷害事故；搖擺模式將提示到礦場進(jìn)行有關(guān)操作的工人，該井的電動機(jī)仍在工作，抽油機(jī)仍在運(yùn)動，需要注意安全。從上述分析可以明確，在消除安全隱患上，搖擺模式的控制功能更適合礦場實(shí)際。

2.4 設(shè)備的能耗分析與測試

在間歇狀態(tài)時(shí)，電動機(jī)的扇形擺角越小其耗電量越低。為達(dá)到該要求，需要抽油機(jī)曲柄擺角盡量小，進(jìn)而要求光桿的位移盡量小。設(shè)計(jì)以“光桿位移小于機(jī)采井全井抽油桿伸長量”為原則，確定光桿位移量，從而滿足間歇狀態(tài)時(shí)電動機(jī)耗電量最低的要求。

2.4.1 抽油機(jī)井桿柱彈性形變量優(yōu)化設(shè)計(jì)

合理優(yōu)化曲柄擺動運(yùn)行時(shí)的光桿位移量是有效控制擺動運(yùn)行能耗的關(guān)鍵問題。通過圖3分析可知，在抽油機(jī)井驢頭下死點(diǎn)和上死點(diǎn)剛剛受力時(shí)，桿、管發(fā)生彈性變形，這時(shí)活塞并沒有跟著光桿發(fā)生位移，這段變形量稱為沖程損失λ[4]，其中包括桿損和管損。抽油機(jī)井曲柄擺動運(yùn)行時(shí)，假如光桿運(yùn)行的位移量在桿損的范圍內(nèi)，此時(shí)既保證了抽油機(jī)井桿柱有效位移量，又可實(shí)現(xiàn)抽油泵活塞不移動，電動機(jī)消耗功率最小，所以抽油機(jī)井曲柄擺動運(yùn)行時(shí)的位移量應(yīng)小于或等于桿損。

圖3 抽油機(jī)井理論示功圖

抽油桿彈性形變所引起的桿損可由下式表示：

式中：λ1——桿損，m；

ρm——采出液密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

Ap——泵柱塞橫截面積，m2；

Lf——折算動液面深度，m；

Er——抽油桿彈性模量，N/m2；

Lri——各級抽油桿的長度，m；

Ari——各級抽油桿橫截面積，m2；

nr——抽油桿級數(shù)。

以29#井為例，該井所屬區(qū)塊的原油密度[5]為849.7 kg/m3，該井抽油泵泵徑為38 mm，動液面為999.4 m，碳鋼彈性模量為2.0×105～2.1×105MPa，?28光桿長9.2 m，?22抽油桿總長231.3 m，?19抽油桿總長906.7 m。

將抽油機(jī)井各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入上式，得出抽油桿彈性形變所引起的桿損為0.172 m。抽油機(jī)井?dāng)[動運(yùn)行時(shí)，將光桿直線位移距離設(shè)計(jì)為小于或等于0.172 m，這時(shí)抽油泵活塞并未移動，光桿及桿柱實(shí)現(xiàn)了有效的位移量，電動機(jī)所做的功也較小，同時(shí)節(jié)能效果也較好。

光桿伸長量的值確定后，即可確定抽油機(jī)曲柄的擺動角度，利用位置傳感器即可實(shí)現(xiàn)其功能。

2.4.2 能耗測試

分別對機(jī)采井的間歇搖擺時(shí)與整周運(yùn)行時(shí)的功率進(jìn)行測試，評價(jià)能耗情況。

以33#井為例，該井的工作制度為：9：00—12：00為間歇時(shí)段，12：00—次日9：00為整周期運(yùn)行時(shí)段。分別選取不同狀態(tài)下的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的時(shí)間段進(jìn)行能耗測試，時(shí)間段分別選在10：30—10：40和16：20—16：30。測試結(jié)果見表4。

表4 33#井能耗數(shù)據(jù)對比

數(shù)據(jù)顯示，該井主要生產(chǎn)參數(shù)基本不變的前提下，間歇搖擺狀態(tài)下的能耗僅為整周期運(yùn)行狀態(tài)下的約1/5，其節(jié)電率達(dá)到了80%以上。對全廠1050口井的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與統(tǒng)計(jì)。平均單井日間歇時(shí)間約為8 h，應(yīng)用不停井間抽技術(shù)后，全廠日節(jié)電量達(dá)到2.49×104kWh，全年節(jié)電達(dá)897.3×104kWh。

3 結(jié)論

1）不停井間抽技術(shù)具備較好的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，能夠滿足葡萄花油田的礦場實(shí)際。

2）不停井間抽技術(shù)采取搖擺模式運(yùn)行，能夠較好的消除安全隱患。

3）搖擺模式運(yùn)行時(shí)較正周期生產(chǎn)時(shí)耗電低，對比節(jié)電率達(dá)到80%以上，具備良好的節(jié)電效果。

4）不停井間抽設(shè)備適用溫度、濕度及電壓波動范圍較廣，但高海拔（大于1000 m）地區(qū)未進(jìn)行試驗(yàn)，其對海拔的適應(yīng)性須進(jìn)行驗(yàn)證。

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