移動式液壓抽油機自適應測控系統的研制

張少雷，劉凱輝，劉偉超，劉奇峰，尚少輪，杜宏偉，郭子斌

(1. 河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552；2. 華北油田二連分公司 工程所，內蒙古 錫林浩特 026000;3. 河北華北石油工程建設有限公司 第一管道分公司，河北 任丘 062552)

隨著油田的長期開發,已有相當數量的油井進入了中后期開采階段，其中部分老井出現了供液不足[1]或其他故障，形成報廢井、長停井、邊遠井等。如果這幾種類型的井用常規抽油機采油作業，由于產量低，耗電量大，修井作業次數較多，則會造成采油成本增高,綜合經濟效益降低的問題。同時，新井的開發過程中，需要試采，如果安裝常規抽油機，工作量和成本很大。所以，目前各油田急需一種可快捷移動且能夠自適應井況的采油裝置。移動式液壓抽油機自適應測控系統滿足了現場所需的運移機動性、安全性、智能控制、數據記錄、狀態監測[2]等功能，作為對常規抽油機的一種補充，大幅節約了采油設備投資成本，減少了管理難度和管理費用，特別適用于油井的間歇排采作業。

1 系統組成及方案設計1.1 系統組成

移動式液壓抽油機自適應測控系統采用儲能設計，包括液壓動力單元、舉升油缸、液壓蓄能裝置等。液壓動力系統包括變量泵及主閥組，變量泵由電機驅動。能量的儲存與釋放由蓄能器單元和蓄能器閥組控制裝置實現，在抽油機上行和下行過程中舉升系統的能量平衡保持不變，即使在環境溫度和抽油桿載荷發生變化時，也無需調節，系統原理如圖1所示。

圖1 液壓系統原理示意

下行時，井口負載及主液缸桿自重向下壓動主液缸，液壓油從比例換向閥和蓄能器閥組流向蓄能器組，給蓄能器充液蓄能。上行時，變量泵組同蓄能器合流給主液缸供液將主液缸和井口載荷舉升，釋放能量。在整個上下往復運動過程中，該系統不斷地進行充液、放液動作，減少了驅動抽油桿和井內液柱質量所需的能量需求，實現了真正意義上的平衡，達到節能效果。

該系統在上行過程中，充分利用蓄能器與變量泵的流量合流[3]進行驅動。但是兩套裝置在合流過程中，瞬時流量不均勻，且隨時間而變化。由于該系統液缸在最低點由下向上換向時出現液壓油路改變、流量合流雙重變化，導致系統出現劇烈震動。該系統采用了液缸位置閉環反饋控制，為了達到良好的換向控制效果，研制了位置識別[4]緩沖算法，基本算法原理如圖2所示。

經過位置識別緩沖算法有效執行后，液缸在最低點由下向上換向有了很好的平穩性。

1.2 電控系統設計

電控系統主要包括： 數據監控系統、功圖采集系統、自適應控制系統。電控系統實時采集上下沖程過程中力、速度、井內壓力、動液面位置、出油量等參數，核算并輸出實時控制信號，自動調節沖程、沖次、速度等參數。

1.2.1 數據監控系統

數據監控系統與液壓控制系統實行報警聯動機制，實時監控液壓系統關鍵動力參數。系統提供常規油機井排采監控數據，例如沖程、沖次、示功圖、油壓、油溫、最大載荷、最小載荷等。數據監控系統可提供多種數據傳輸接口和傳輸協議，系統支持McWill，4G，3G，GPRS，Mesh，專線等數據傳輸方式，并支持Modbus-RTU，DDE，A11，自定義等通信協議，方便用戶快速集成配套。數據傳輸網絡構架如圖3所示。

圖2 位置識別緩沖算法基本原理示意

圖3 數據傳輸網絡構架示意

為方便用戶，提供了定制化數據監控APP，方便用戶隨時隨地查看和監控設備運行數據和生產狀況。數據監控APP具備數據查詢功能，用戶可快速地定位設備，并可查看實時和歷史數據，了解設備運行信息，接收設備報警等。

1.2.2功圖采集系統的研制

移動式液壓抽油機與常規抽油機的位移運動曲線完全不同，常規抽油機的位移曲線是半正弦曲線，功圖采集算法是按照正弦曲線[5]定制開發的，如果直接應用于移動式液壓抽油機會出現功圖形狀嚴重變形的問題，常規抽油機與移動式液壓抽油機懸點運行曲線對比如圖4所示。

圖4 移動式液壓抽油機與常規抽油機懸點運動曲線對比示意

經過不斷研究移動式液壓抽油機位移實際運行曲線，研發人員自主開發了專門適用于不規則位移的功圖采集算法，算法以實時載荷點和位移點一一對應的特性，采集真實對應數據，功圖精度可以達到400點，該算法適用于任何不規則運動采油設備的功圖保真采集，有效解決了移動式液壓抽油機常規功圖方法的失真問題。

1.3 自適應控制算法研制

由于移動式液壓抽油機的應用對象主要為油田的長停井和試采井，能否在最短的時間將井下油液抽吸上來成為判斷該設備經濟效益關鍵問題。由于該設備的液壓控制與驅動原理的特性，抽油桿可實現在任何位置懸停[6]，在任何沖程下任意進行速度匹配，這就賦予了該設備可采用特殊排采工藝的能力。為了盡量減少人工判斷井況和調整工作參數，定制開發了自適應井況的控制算法，系統可根據實際井況功圖趨勢[7]，自動調整運行參數，以最大限度地提高采收效率。自適應控制算法運行機制如下：

1)PLC通過液缸位置反饋和載荷傳感器在采樣間隔時間內分別采集200個上沖程的載荷和位移數據點及200個下沖程的載荷和位移數據點，建立數據分析庫。

2)提取數據庫中采集數據，計算出上沖程最大載荷、下沖程最小載荷、上沖程加載線斜率和下沖程卸載線斜率，推導理想示功圖[8]。

3)計算泵充滿度。泵的充滿度η為實測示功圖面積與理想示功圖面積的比值，因為角位移上下一致，則計算公式為

式中：S實測——實測功圖面積；S理想——理想功圖面積；P——實測示功圖的載荷；P′——理想示功圖的載荷。

4)自適應調整運行沖次。當η>90%時，說明地層供液充足，不用調整；當60%≤η≤90%時，說明地層供液略顯不充足，需要稍微調整，可緩慢降低抽油機沖次，降幅不必過大；當η<60%時，說明地層供液不充足，需要調整，可降低抽油機沖次，并執行液缸最低點懸停充液動作。

2 應用狀況

移動式液壓抽油機首次應用在華北油田二連分公司。由于該公司存在大量的長停井，并且有很大一部分還具備再次開發的潛能，如果安裝常規抽油機將耗費大量的人力物力。

移動式液壓抽油機采用靈活的拖車移動式結構，可以快速的在工作井之間移動，并且具備快速、方便的安裝及運行結構，完全能夠滿足該公司對潛力井二次開發的功能和技術要求。

移動式液壓抽油機自適應測控系統是移動式液壓抽油機的主要控制組成部分，自適應測控系統中集成的遠程數據傳輸與控制功能，可方便地進行遠程監控及接受異常情況報警，針對突發情況實現遠程調整參數，可實現無人值守，大幅節約了人力資源。該設備分別在該公司的錫林作業區、哈南作業區進行了現場應用驗證。試驗情況見表1所列。

經三口井的運行驗證，該設備滿足了該公司對潛力井的二次開發要求，并且具備高可靠性、自適應性，提高了潛力井二次開發效率，并且具備一定的節電能力，最大限度節約了二次開發費用。

3 結束語

1)移動式液壓抽油機自適應測控系統解決了液壓式抽油機長期存在的人工設定參數問題，為移動式液壓抽油機快速移運、安裝使用提供了保障，實現了長停井、試采井快速高效開發。

表1 移動式液壓抽油機試驗數據

2)移動式液壓抽油機任一點懸停的特性可為低產油井的特殊排采工藝提供可靠支持，工藝人員可根據懸停特點為低產井定制開發專用排采工藝，提升低產井的開采效率。

3)該系統很好地適應了現場應用工況，滿足了低成本二次開發潛力井的要求，具備廣闊的應用前景。