大慶外圍低產低滲油田抽油機井電參法推演示功圖現場試驗

盧成國 王秋實（大慶油田有限責任公司第八采油廠）

1 現狀

截止2020年底，某外圍采油廠油井開井6403口，其中抽油機井5923口，占開井數的92.5%，機采方式以抽油機為主。目前，對抽油機井進行監測或診斷工況，主要是通過示功圖判斷井下工況，示功圖是連接抽油機井地面系統和井下系統的關鍵節點，分析方法成熟，標準統一，實用性強，多年來油井示功圖始終是判斷油井運行狀況不可或缺的手段之一。但是，目前現場測試示功圖，還存在以下幾方面問題：

1）通常示功圖測試錄取周期為每月1次，錄取周期相對較長。

2）當載荷、工況變差時，問題發現不及時性，容易錯過最佳清防蠟及問題核實日期，導致問題惡化，嚴重時會影響產量。

3）工人測試勞動強度大，生產效率低，數據的準確性得不到保證。

4）目前安裝變頻配電箱的抽油機井逐年增多，其頻率變化直接影響了運行沖次，由于現場調參比較方便，導致現場示功圖測試分析不能夠及時。

5）還存在零點易漂移失真問題，同時需要定期標定[1]。

目前隨著油田信息技術的進步，智能數字化管控平臺已經成為各油田的發展，不僅可以實時診斷和分析抽油機井工況，而且降低工人勞動強度，既提高了經濟效益，又注重社會效益的長遠發展。因此，通過抽油機井電參法示功圖的現場應用，利用油井上易測得的電動機功率參數，實現了電參與示功圖的實時轉換和同步采集，減少了手持示功圖儀器現場操作的不安全因素，同時還降低了前線工人測試工作量。

2 電參法反演示功圖基本原理

2.1 主要功能模塊組成

目前，在現有不停機間抽控制配電箱基礎上，進行改造添加了幾個主要模塊，實現電參示功圖的現場試驗：智能控制處理器、曲柄位置傳感器、電動機轉速傳感器以及三相電參監測傳感器[2]，主要功能模塊安裝位置見圖1。

圖1 主要功能模塊安裝位置

智能控制處理器：屬于核心元器件，主要用于同時根據同步采集的電動機轉速、電參和曲柄位置，計算出電動機輸出功率分布函數，進而得到電參示功圖。

曲柄位置傳感器：安裝在對應光桿下死點曲柄位置處，用以檢測抽油機下沖程死點對應曲柄的所在位置。

電動機轉速傳感器：安裝在電動機尾軸上，對電動機轉速實時高精度監測[3]。

三相電參監測傳感器：以100次/s高速采樣讀取頻率、有功、無功、電流、電壓等靜態參數，用于智能控制處理器端密集記錄各參數運行曲線。

2.2 電參示功圖基本原理

2.2.1 電參示功圖技術原理

懸點示功圖是抽油機懸點載荷隨光桿位移形成的封閉曲線，電參推演功圖是通過同步采集電動機功率和電動機轉角，分別計算光桿位移和懸點載荷，實現電參示功圖向力參示功圖的轉換，技術原理圖見圖2。

一是通過三相電參監測傳感器采集電動機輸入端的沿曲柄旋轉一周之內的電參運行數據，從而計算出電動機輸出軸的輸出扭矩，根據傳動比以及傳動效率模型，計算出曲柄凈扭矩，再根據游梁式抽油機的四連桿運動規律反推出。

二是根據電動機轉速傳感器和曲柄位置傳感器實時采集的曲柄位置數據，建立曲柄位置與懸點載荷之間的函數關系，進而得到抽油機井實時在線示功圖[4]。

最后，通過反演出的懸點示功圖，將其與現場測試的油井示功圖進行擬合對比，驗證電參示功圖的符合率[5]。

2.2.2 建立電參反演基礎模型

根據運行功率、電動機轉速和曲柄位置等參數，通過抽油機動力學傳遞關系和節點效率分析，解析得出反演模型，從而計算出懸點示功圖[4]。

2.2.3 建立了電參反演功圖節點分效率模型

影響電參反演模型精度的關鍵是系統節點傳動效率。將抽油機地面系統分為4個節點，根據理論推導、標準井測試、現場井驗證，建立了分效率的數學仿真模型，電動機效率計算模型、帶傳動效率模型、減速箱效率模型和四連桿效率模型，為電參反演功圖提供了技術支撐[6]。

2.2.4 建立了電參推演功圖修正方法

通過現場電參推演功圖計算的載荷數據與每口井對應的實測功圖中的載荷數據進行逐點（360點）絕對值誤差對比，從而得到逐點的誤差率，再對計算出載荷數據（360點）進行逐點修正[7]。推演功圖與實測功圖修正前后對比見圖3。

圖2 技術原理圖

圖3 推演功圖與實測功圖修正前后對比

圖4 基于電參示功圖的動液面理論計算過程

2.3 依托電參推演功圖進行動液面模擬計算

根據實時計算的電參推演功圖，計算出上、下沖程平均載荷，扣除動載荷影響，得到有效舉升液柱載荷，再計算出有效舉升液柱高度和動液面深度，理論誤差在50m以內，基于電參示功圖的動液面理論計算過程見圖4。

3 現場試驗效果分析

3.1 電參反演示功圖符合率驗證

2020年8月，某采油廠在安裝不停機間抽控制配電箱井試驗改造應用5套。由廠家調試后，按不同沉沒度情況進行電參反演示功圖與常規測試示功圖的形狀符合度對比，現場試驗應用5口井，基本數據見表1，目前已連續運行8個多月，平均符合率達到97.37%，達到預期試驗效果。

通過現場試驗結果表明，電參推演示功圖可以代替目前常規測試示功圖。

井1和井2在不同沉沒度下，電參功圖與現場實測功圖對比見圖5和圖6：井1分別在沉沒度203m和61m時，功圖平均符合率97.4%、97.7%；井2分別在沉沒度214m和517m時，功圖平均符合率97.6%、94.0%。井3、井4和井5電參功圖與現場實測功圖對比見圖7。符合率分別達到98.5%、98.2%和98.2%。

表1 試驗5口井基本參數統計

圖5 井1電參功圖與現場實測功圖對比

圖6 井2電參功圖與現場實測功圖對比

圖7 井3、井4和井5電參功圖與現場實測功圖對比

表2 動液面數據驗證

3.2 基于電參示功圖的動液面試驗效果

開展了2口井監測液面驗證試驗，現場電參推演功圖計算動液面與實測動液面進行對比，誤差率分別是4.14%和4.82%，平均誤差率4.48%。動液面數據驗證見表2。

4 效益分析

1）總投入：每個小隊按160口井計算，每口井安裝電參轉功圖裝置，同時該配電箱還具有不停機間抽技術，單井預計投入4萬元，總投入640萬元。

2）總效益：投資回收期3a，在生產規模不變的情況下，平均每隊可減少測試工人2名，年可節約人工費用14萬元；不停機間抽技術，平均單井日節電55kWh，160口井年節電316.8×104kWh，節電效益199.6萬元。

3）社會效益：機采系統涉及環節多、量大面廣，若可實現數據自動采集，對于后期的遠程參數調控、數字化建設以及機采管理水平的提升等方面具有重要意義[8]。

5 結論

1）機采系統若實現數據自動采集、工況自動分析、遠程精細調控等智能化管控，對油田降低成本、減員增效、提升管控水平等方面具有重要意義。

2）影響電參反演功圖計算動液面準確性的主要因素是動載荷，動載荷受井下摩擦阻力等影響，不同區塊、不同井身結構所產生的阻尼大小不同，所以下一步可以擴大應用范圍，進一步完善和修正[9]。

3）電參轉功圖裝置在變頻控制柜上可以進行改造，同時在智能管控能耗及運行參數基礎上，摸索由力參功圖向電參功圖的轉換，集“能耗、工況診斷、參數控制”等于一體，實現單井智能控制。

4）抽油機系統傳動鏈長，影響因素多，通過電參直接診斷井下工況難度大，故障診斷準確率低，并且只能定性診斷，無法量化分析[10-15]。