稠油井跟蹤控制技術(shù)研究與應(yīng)用

李兵元 吳斌 李愷 王軍平 胡海平

[摘? ? 要] 稠油井普遍采用熱采開(kāi)發(fā)方式，油井井況直接受溫度影響，油井多出現(xiàn)汽竄、抽油機(jī)光桿不同步等故障。稠油井跟蹤控制技術(shù)以油井最易獲取的溫度和電參數(shù)數(shù)據(jù)為控制依據(jù)，實(shí)現(xiàn)隨油井溫度和電參數(shù)變化改變油井生產(chǎn)制度，有效減少油井電機(jī)過(guò)載、油井高溫汽竄故障，提高油井整體管理效率。

[關(guān)鍵詞] 稠油井跟蹤控制;上行程功率;多速電機(jī);油井溫度;抽汲速度

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 05. 030

[中圖分類號(hào)] F273? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? A? ? ? [文章編號(hào)]? 1673 - 0194（2019）05- 0075- 04

1? ? ? 概? ? 述

新疆油田稠油油藏具有埋藏淺、地層溫度低、原油黏度大的特點(diǎn)，主要采用蒸汽吞吐方式開(kāi)發(fā)，抽油機(jī)大部分采用三型和四型抽油機(jī)。在吞吐周期生產(chǎn)中油井溫度會(huì)不斷降低導(dǎo)致黏度上升，造成井內(nèi)原油液流流速變慢、進(jìn)泵阻力大、入泵困難、抽油泵充滿系數(shù)降低，影響油井抽油時(shí)率和周期產(chǎn)油量。當(dāng)前生產(chǎn)中油井主要問(wèn)題有以下幾方面：

（1）油井在吞吐生產(chǎn)周期內(nèi)油井工況變化快且幅度大，當(dāng)前油井?dāng)?shù)據(jù)獲取和抽油機(jī)沖次調(diào)整主要依靠現(xiàn)場(chǎng)人工巡井操作方式完成，嚴(yán)重滯后油井工況變化，導(dǎo)致抽油機(jī)沖次不能及時(shí)調(diào)整，抽油機(jī)適應(yīng)不了井況的變化，整體抽油機(jī)機(jī)采效率偏低，產(chǎn)量低且電能浪費(fèi)大。

（2）稠油井單井產(chǎn)量較低，主要依靠加密打井和新區(qū)塊開(kāi)發(fā)方式維持和提高產(chǎn)能，油井?dāng)?shù)量越來(lái)越多，而現(xiàn)場(chǎng)管理人員數(shù)量不變，甚至呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

實(shí)現(xiàn)稠油井的跟蹤控制是符合當(dāng)前稠油井生產(chǎn)的迫切需求。

2? ? ? 當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)狀

數(shù)字化抽油機(jī)技術(shù)[1]近十年以來(lái)發(fā)展迅速，傳感器技術(shù)水平日趨成熟，且成本也降低很多，無(wú)線儀表數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸多采用成熟的Zigbee通訊技術(shù)[2]，其具有低功耗、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。油井控制技術(shù)普遍采用以載荷功圖為依據(jù)控制方式，自動(dòng)判斷油井抽油機(jī)的最佳運(yùn)行沖次，再通過(guò)變頻驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)油井沖次自動(dòng)調(diào)節(jié)[3]。而當(dāng)前油井控制技術(shù)幾乎都是針對(duì)稀油井的井況判斷和調(diào)參，稠油井因其產(chǎn)量低、生產(chǎn)成本高的特點(diǎn)，稀油井的控制系統(tǒng)在稠油井上應(yīng)用不具備經(jīng)濟(jì)性，且適應(yīng)性差，因此當(dāng)前稠油井油井生產(chǎn)控制基本全靠人工粗放式管理。

3? ? ? 新的控制理念

稠油井的自身特點(diǎn)和開(kāi)發(fā)方式?jīng)Q定它和稀油井的不同。蒸汽吞吐開(kāi)發(fā)方式[4]的特點(diǎn)是前期注完蒸汽后開(kāi)井時(shí)，油井溫度高，產(chǎn)量高;隨時(shí)間推移，油井溫度逐漸降低，原油黏度隨之增加變化，到中后期原油流動(dòng)性變差，油管內(nèi)桿柱運(yùn)行阻力大，油井抽油機(jī)光桿很容易出現(xiàn)和抽油機(jī)驢頭上下不同步的狀況。

如圖1新疆油田某稠油區(qū)塊部分油井原油粘溫變化曲線，針對(duì)稠油井油井溫度對(duì)原油黏度起決定性影響，并結(jié)合當(dāng)前稠油井普遍使用的多速電機(jī)，我們建立了以溫度為主的稠油井跟蹤控制方案，實(shí)現(xiàn)稠油井速度隨溫度變化進(jìn)行調(diào)參控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

稠油井跟蹤控制系統(tǒng)以溫度作為稠油井控制依據(jù)，對(duì)比當(dāng)前溫度值與溫度設(shè)定值，控制方式如下，如圖3為系統(tǒng)工藝流程圖。

如果 T

同時(shí)持續(xù)時(shí)間超過(guò)t>60秒，系統(tǒng)控制抽油機(jī)到低速運(yùn)行;

如果? T1< T< T2（T2為設(shè)定溫度2），

同時(shí)持續(xù)時(shí)間超過(guò) t>60秒，系統(tǒng)控制抽油機(jī)到中速運(yùn)行;

如果 T2

同時(shí)持續(xù)時(shí)間超過(guò) t>60秒，系統(tǒng)控制抽油機(jī)到高速運(yùn)行;

如果? T>T停，

同時(shí)持續(xù)時(shí)間超過(guò)t>60秒，系統(tǒng)控制抽油機(jī)到停機(jī);

該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)運(yùn)行后，取得了良好的運(yùn)行效果，但發(fā)現(xiàn)有以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）稠油井在吞吐開(kāi)采中后期溫度降低以后，不一定會(huì)出現(xiàn)油稠難抽的井況，反而許多油井采出液高含水，需要抽油機(jī)快速抽汲。

（2）稠油井之間井距離小，注汽井經(jīng)常會(huì)影響到周邊生產(chǎn)井，出現(xiàn)油井高溫汽竄問(wèn)題，抽油機(jī)抽汲速度快，反而會(huì)加速汽竄。

4? ? ? 方案優(yōu)化

針對(duì)稠油井跟蹤控制系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)稠油井抽油機(jī)電參數(shù)數(shù)據(jù)和油井載荷數(shù)據(jù)的分析，抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)各部位消耗功率研究，實(shí)現(xiàn)通過(guò)電參數(shù)對(duì)油井載荷變化趨勢(shì)判斷，彌補(bǔ)單一靠溫度判斷的缺陷。

4.1? ?抽油機(jī)光桿懸點(diǎn)載荷分析

抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷包括：靜載荷——抽油桿柱和液柱載荷、泵的沉沒(méi)壓力、井口油壓;動(dòng)載荷——抽油桿柱和液柱的慣性載荷、振動(dòng)和沖擊載荷、摩擦載荷等。

（1）抽油桿柱載荷

（3）上行程最大載荷

油井上行程載荷直接關(guān)系到油井原油黏度變化，當(dāng)上行程載荷超過(guò)正常生產(chǎn)載荷一定幅度時(shí)，說(shuō)明原油黏度已經(jīng)有了變化。忽略沉沒(méi)壓力、井口壓力、摩擦載荷和沖擊振動(dòng)載荷。上沖程懸點(diǎn)所受的力主要有：

4.2? ?通過(guò)電機(jī)功率變化判斷油井載荷變化趨勢(shì)

抽油機(jī)是靠電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)整個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行，電機(jī)輸出功率P最終轉(zhuǎn)化為曲柄扭矩M，電機(jī)功率與曲柄軸扭矩關(guān)系為：

抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷和平衡機(jī)構(gòu)造成的扭矩與電動(dòng)機(jī)輸入給曲柄軸的扭矩M相平衡，因此我們可以通過(guò)功率P來(lái)判斷載荷變化的趨勢(shì)。

對(duì)比油井載荷曲線與電機(jī)電功圖曲線可以看到，在抽油機(jī)上沖程起始位置載荷突然升高至最大值，功率此時(shí)變化是逐步增加到最大點(diǎn)，如圖4中1和2位置。

因此從單獨(dú)一個(gè)點(diǎn)的位置上的功率去判斷載荷的變化，可靠性低。

原油黏度增加會(huì)導(dǎo)致整個(gè)上沖程過(guò)程光桿載荷大，消耗的電功率也大，因此我們采用上沖程電功圖曲線的功率平均值來(lái)判斷載荷變化對(duì)應(yīng)關(guān)系。

通過(guò)油井井口溫度T和上沖程消耗功率平均值的變化幅度N來(lái)綜合判斷，當(dāng)溫度T達(dá)到設(shè)定值，同時(shí)功率累加值變化幅度N 滿足條件時(shí)，切換抽油機(jī)至低一檔速運(yùn)行;同時(shí)針對(duì)油井溫高情況，當(dāng)油井溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，降低電機(jī)速度，減少抽油機(jī)抽汲速度，減緩或避免汽竄事故發(fā)生。

5? ? ? 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

2018年，在新疆油田重油公司采油作業(yè)二區(qū)進(jìn)行了多口油井的應(yīng)用，通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用，與使用前對(duì)比：

（1）稠油井抽油機(jī)管理難度明顯降低，現(xiàn)場(chǎng)人員不用耗費(fèi)大量精力去盯著注汽井周邊的生產(chǎn)井，稠油井跟蹤控制系統(tǒng)跟蹤油井溫度變化控制抽油機(jī)運(yùn)行速度，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有出現(xiàn)因?yàn)闇馗呔畬?dǎo)致油井盤(pán)根密封故障，井口漏油事故消失，生產(chǎn)井正常持續(xù)不斷生產(chǎn)。案例1：980206井，當(dāng)井口溫度持續(xù)高于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到中速運(yùn)行，油井溫度緩慢降低，有效避免了高溫汽竄事故發(fā)生，且油井持續(xù)正常生產(chǎn)，如圖5所示。

（2）通過(guò)跟蹤溫度T變化和上沖程功率平均值的變化幅度N，油井在低溫時(shí)根據(jù)N的變化幅度，自動(dòng)切換到低一檔速度，有效保證了抽油機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，減少電機(jī)過(guò)載故障發(fā)生。案例2：980210井，采用三型抽油機(jī)，電機(jī)額定功率5.5kw，當(dāng)井口溫度偏低（39℃ ，該區(qū)塊原油溫度低于46℃時(shí)，原油黏度會(huì)有較明顯增加），N變化幅度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)控制抽油機(jī)自動(dòng)降低沖次運(yùn)行，減少電機(jī)過(guò)載、抽油桿運(yùn)行與抽油機(jī)驢頭不同步的情況發(fā)生。

從圖6中可以看到調(diào)參后，上行程功率明顯降低，最大功率從6kw降到3.3kw;抽油機(jī)的平衡狀態(tài)得到很好改善。圖7為其數(shù)據(jù)查詢結(jié)果圖。

6? ? ? 結(jié)? ? 論

稠油井跟蹤控制技術(shù)緊密結(jié)合當(dāng)前稠油井現(xiàn)狀，以解決生產(chǎn)實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，以最易獲取的電機(jī)電參數(shù)和油井溫度為調(diào)參依據(jù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施應(yīng)用，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度變化自動(dòng)控制稠油井抽油機(jī)速度，有效減少油井溫高導(dǎo)致的故障停產(chǎn)，減少電機(jī)過(guò)載保護(hù)故障，延長(zhǎng)油井生產(chǎn)時(shí)間，大幅度降低現(xiàn)場(chǎng)人員管理強(qiáng)度。且該技術(shù)實(shí)施成本低、調(diào)參及時(shí)可靠，符合當(dāng)前稠油井生產(chǎn)開(kāi)發(fā)需要。在該技術(shù)后期應(yīng)用中，我們還將持續(xù)不斷跟進(jìn)應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，不斷優(yōu)化參數(shù)識(shí)別方案，使該技術(shù)具備更好的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性。

主要參考文獻(xiàn)

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