油井直流母線群控節電技術研究

秦延才 劉鵬 趙闖 趙永杰 張翼（勝利油田河口采油廠）

前言

隨著油田開采難度的增大及信息技術的發展，實時采集油井參數顯得越來越重要。油井電參數具有測取方便，維護成本低，分辨率高，信息反應全面，能夠長期連續測量等優點。隨著“四化”建設的進行，電參數的實時采集已在油田普遍推廣。基于直流母線的油井集控技術將同一采油區塊的多口油井視為一個整體，共用1臺變壓器和1臺整流濾波器，集中整流后以1條共用直流母線的形式輸送到單井，每口單井配備專用的“直-交”逆變器，并聯掛接在母線上完成電動機拖動。該技術改變了傳統配電采用“一井一變”模式，具有減容、降耗，便于調頻，提升綜合治理水平等優點。

以直流母線群控技術與電參數精確分析技術為支撐，建立井群優化管控平臺，實現對電參數的解釋和深度挖掘，生成壓力、液量、動液面等生產參數，完成油井的工況管理及系統優化。通過對能量、液量等的分析，形成井群決策信息。井群優化管控平臺利用直流母線群控技術，實時控制油井參數，達到提高井群開發效益的目的。

1 油井直流母線群控節電技術原理

1.1 電參數

電動機通過機械傳動裝置將能量傳遞給井下泵，因此電參數包含了抽油機、抽油桿、抽油泵等地面和井下的信息。通過解釋及深度發掘，可以計算出油井的關鍵參數[1]。通過電參數解釋可以得到電功圖，電功圖是電動機的電功率在抽油機一個沖速周期內隨光桿位移的變化趨勢，進一步深度挖掘可以取得油井的示功圖、動液面、產液量、平衡度、平衡調整等參數[2]。

1）電功圖與示功圖互相轉換。抽油機懸點載荷同曲柄旋轉軸扭矩之間存在著對應的關系，就比如游梁式抽油機，懸點載荷同曲柄旋轉軸扭矩之間、電動機功率和曲柄軸轉矩之間均存在對應關系，因此抽油機功率與載荷之間存在一一對應的關系，根據這個理論，通過建立計算模型，實現了電功圖與示功圖互相轉換[3]。

2）基于電功圖的動液面計算。通過分析抽油機工作過程中，閥開、閉前后泵腔內的壓力及泵載的變化規律，并應用井筒及環空壓力分布計算模型，建立利用泵功圖計算動液面的數學模型和方法。將電功圖轉化為示功圖，進行歸一化處理，沿柱塞沖程展開，可求得兩者之間的載荷差。在泵功圖高、低載荷段各求出2個曲率變化最大點來確定閥開閉點，從而確定上下沖程載荷差。根據泵功圖上下沖程載荷差計算得到沉沒壓力。根據沉沒壓力，結合井筒及環空流體壓力分布計算相關式，計算泵的沉沒度及動液面深度。

3）基于電功圖的產液量計算。示功圖是一條反映抽油機在上下沖程中懸點載荷與位移關系的封閉曲線，它真實反映了泵的工作狀態，只要能解析好功圖，就能準確地求出油井的產液量。油井群控技術綜合考慮井身結構和流體黏度、泵閥漏失、泵充滿程度、油井含氣、沖程損失等因素的影響，真實地描述出泵的工作狀態，從而準確地計算出油井的產液量。

將電功圖轉化為示功圖，進行歸一化處理，沿柱塞沖程展開，根據“取小”原則確定柱塞有效沖程。由油井的實際產液量計算公式，求取油井產液量。

4）做功法平衡診斷及調整。現場測得的電參數是P-S關系（功率-位移），通過建立將P-S關系轉化為P-t關系需要建立S-t（位移-時間）關系模型，對各種抽油機型的運動進行分析，實現了由電功圖計算抽油機平衡度的方法[4]。并進行相應的平衡優化，平衡優化后運行電流、功率均降低，平衡的改善明顯（表1）。

表1 做功法調整平衡度實例效果分析

1.2 單井工況診斷及系統效率優化技術

以“動液面”、“示功圖”、平衡供排關系為目標，以調整抽油井生產參數（沖程、沖速、換泵等）為手段，進行單井工況診斷及系統效率優化，根據智能化閉環管理，對電參數進行解釋及深度挖掘，獲取最優生產參數通過在線變頻調沖速等生產參數，實現產液量最大化。

1）單井工況診斷—單一功圖法。單一功圖法就是依據某一時刻測得的電信號，自動生成的示功圖、動液面、產液量等參數進行綜合診斷，系統自動診斷問題范圍，自動推薦對策系列[5]。以供液不足的功圖為例，其問題范圍主要有地層能量不足、生產參數過大、地層污染、出砂等，通過單一功圖法分析，給出相應的增加注水、調參、解堵、防砂等調整對策。

2）單井工況診斷—三維功圖法。三維功圖法就是根據一段時間連續測取的電信號，自動生成不同時間的示功圖、動液面、產液量等參數，根據示功圖最大載荷、最小載荷、上沖程線、下沖程線、功圖面積等5個要素及其他的生產參數隨時間的變化情況，進行綜合診斷，從而判斷地面、油井、油藏等存在的問題（表2）。

3）系統效率最優化。對于給定的1口油井，在不同的情況下，系統效率最大值是多少，怎樣進行優化挖潛，一直困擾著技術人員。智能化閉環管理運用采油工程原理，編制了系統效率優化軟件，通過不同的約束條件，及流入動態計算模型、井筒多相流動規律、溫度場計算模型、流體物性參數計算模型、抽油桿柱設計強度理論等模型，獲得相對應的最優系統效率，為優化調整、優化設計提供參考[6]。

1.3 井群優化調控技術

整體噸液電耗最低、最大化生產時率，以整體經濟效益最佳為目標的井群控制策略。在某一個時間步長內，假設生產主要參數沒有發生變化，由此生成了靜態預測線；由電參數獲得的動液面、產液量以及數據庫的含水可以獲得相對應的動態評估線，生成井群優化調控圖版，并以此為手段，不斷進行對井群進行優化調控（表3）。整個控制過程按照靜態預測—動態評估—小步預警—保持高效的閉環管理方法進行。

表2 三維功圖法工作示例

表3 動態預測方法

1.3.1 能量分析—注采調控

圖1為動態預測—能量分析圖版，從圖版中可以看出地層能量下降、液量減少、油量減少。可以判斷該區塊地層能量得不到有效的補充，地層能量下降，液量、油量減少。需要及時補充地層能量，提高區塊注水量。

圖1 動態預測—能量分析圖版

1.3.2 液量分析—生產參數調控

圖2為動態預測—液量分析圖版，從圖版中可以看出該區塊地層能量上升、液量上升、油量上升。可以判斷在配注增加后，動液面上升，井群液量、油量上升，需要及時對潛力油井上調參數，提高產量。

圖2 動態預測—液量分析圖版

1.3.3 油量分析—流線調控

圖3為動態預測—油量分析圖版，從圖版中可以看出該區塊地層能量上升/穩定、液量上升/穩定、油量減少。可以判斷參數上調后，出現液量上升、油量下降微水竄現象，繼而對井組進行流線調整，調節對應水井的注水量、下調含水上升井生產參數、上調含水下降井生產參數，對生產參數進一步優化。

需要注意的是動態調整是一個連續的、逐漸完善、逐步優化的過程，不能孤立的看一個階段就得出結論，需要結合前期的生產變化，及地面、井筒、底下的情況進行綜合調整。

圖3 動態預測—油量分析圖版

2 油井群控節電技術應用效果評價

2.1 井群優化調控效果

以渤南油田十區羅36塊為例，該區塊為稠油中低滲油藏，共有油井7口、水井4口。通過應用直流母線油井群控節電技術，對該區塊油井進行單井工況分析，調整生產參數、調整平衡度，對區塊進行能量調整、參數優化、流線調整后，區塊生產趨于穩定，液量、油量有了明顯的提升。

為驗證該技術應用效果，對羅36塊改造前后進行了多次測試，測試油井工頻、變頻側電參數、油井液量、動液面、回套壓，以及試驗井區內指定注水井的注水能量等參數，在此基礎上分析智能化閉環管理應用前后的節能及增產效果。

通過測試應用該技術后，機采系統的輸入功率降低，區塊總輸入功率隨之降低；優化了抽汲參數，整個區塊的總液量增加，單耗降低15%（表4）。

表4 能效測試結果

2.2 經濟效益

建立了管控平臺，容納控制單元數大于或等于100個，控制單井數大于或等于500口；單井智能化控制合理沉沒度±100 m；井群綜合節電率大于或等于12%；目前該技術已在勝利油田推廣應用控制單元數28個，控制單井數126口。

實現變壓器減容62.3%，綜合節電率15%，年節電282×104kWh，節能效果顯著；變壓器數量減少應用77臺，年檢泵及作業次數減少21井次，降低投資成本；累計增產原油4600 t，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

井群在供排協調狀態下，實現效益最大化，減輕工人勞動強度，降低了能耗，提高生產效率和管理水平。尤其適合“深層低滲，變參數生產”的單井和井群。

3 結論

油井直流母線群控節電技術已在勝利油田多個采油廠推廣應用，效果顯著，具有較高的經濟和社會效益。通過對電參數的解釋和深度挖掘，生成壓力、液量、動液面等生產參數，利用采油工程原理進行分析，完成油井的工況管理及系統優化。通過對能量、液量等的分析，形成井群決策信息。開發軟件平臺，利用直流母線群控技術，實時控制油井參數，達到提高井群開發效益的目的。隨著油田數字化建設的深入開展，該技術可以實現當前平臺的方便嵌入，具有全局性的推廣意義，應用前景廣泛。

參考文獻：

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[2]吳飛鵬，陳德春，蒲春生，等.抽油機井示功圖量化分析與應用[J].廣西大學學報：自然科學版，2008，33（2）：173-175.

[3]賈德利，劉合，裴曉含，等.游梁式抽油機井井下泵功圖測試方法[J].石油勘探與開發，2015（1）：111-116.

[4]孫東.抽油機電參數遠程智能故障診斷技術研究[J].自動化儀表，2012（5）：22-24.

[5]陳德春，肖良飛，張瑞超，等.基于電功圖的抽油機井工況診斷模型[J].中國石油大學學報（自然科學版），2017（2）：108-115.

[6]馮國強，謝雄，韓岐清，等.抽油機井系統動態實時分析模型[J].中國石油大學學報（自然科學版），2010，33（2）：84-88.