機采井智能采油技術(shù)研究進展及趨勢

汪麗麗，胡秀榮

（大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

1 概述

近年來，智能采油技術(shù)在我國石油開采工業(yè)發(fā)揮著重要作用，能夠有效地促進石油工業(yè)發(fā)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。長慶油田的數(shù)字抽采技術(shù)、吉林油田的電參數(shù)檢測技術(shù)、中石化的多參數(shù)調(diào)控技術(shù)等數(shù)字化集成技術(shù)為機采井邁向智能化發(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗。

2 機采井智能采油技術(shù)

2.1 機采井智能采油技術(shù)的工作原理

機采井智能采油技術(shù)原理，是通過在線動態(tài)檢測技術(shù)，提取油管與套管的環(huán)形裝置的動液面作為調(diào)控參數(shù)，通過對比動液面參數(shù)的實際值與設(shè)定值的波動范圍，改變油井電動機自動變頻的調(diào)頻，從而調(diào)節(jié)抽油桿聯(lián)動的抽油泵做機械往復(fù)的頻次，最終機采井實現(xiàn)智能采油的全過程。從技術(shù)分類范疇來看，智能采油技術(shù)是一種將自動化技術(shù)、信息轉(zhuǎn)化技術(shù)和計算機智能運算技術(shù)綜合性集成技術(shù)。機采井智能采油的工作流程，當(dāng)動液面的實際值高于系統(tǒng)設(shè)定值時，井下的供液體的能力強，中心控制系統(tǒng)將加強抽油泵電動機的運行頻率，及時調(diào)整抽排油層的速率；當(dāng)動液面的實際值低于系統(tǒng)的設(shè)定值時，說明井下提供液體的能力較弱，中心控制系統(tǒng)將減少抽油泵電動機工作頻次，減慢油泵排出液體的速率，從而建立油井提供液體的能力與油泵排出液體的能力成為動態(tài)的平衡，實現(xiàn)對油泵的高效、智能化控制。

2.2 智能采油的工作系統(tǒng)

2.2.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)

機采井智能調(diào)整系統(tǒng)的首要參數(shù)是動液面，即油管與套管之間環(huán)形裝置的液面，該液面的作用是計算抽油泵沉沒度和油井底部流體壓力的重要依據(jù)。動液面直接反映出油井提供液體的多少，通過液體提供量可以得出油井的生產(chǎn)能力與開采持久性，最終影響智能采油技術(shù)在油井的應(yīng)用。動液面檢測的介質(zhì)是次聲波，一種頻率小于20Hz的聲波，比正常的聲波在油管及套環(huán)之間傳播的距離更遠，信號檢出率和響應(yīng)度更高。動液面檢測以音標法為基礎(chǔ)，通過打氣泵在套管間產(chǎn)生次聲波，遇到氣體-油層過渡帶發(fā)生聲波的反射，在不同套壓下通過對比前后聲速值，可以計算出油層動液面的位置。

為了彌補動液面數(shù)據(jù)檢測不準確或供液排液調(diào)控失效的情況，智能采油技術(shù)集成了示功圖檢測系統(tǒng)，采用示功圖檢測儀在特定頻率下檢測不同做功情況，得到采油過程實時示功圖，從而對油井供液體情況進行輔助評價。示功圖檢測儀的工作過程是，在一定時間間隔下，通過位移傳感器和荷載傳感器得到抽油機滑桿的位移以及受力點載荷，將機械數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電信號傳送給單片機處理器，完成數(shù)據(jù)分析和處理后，再通過無線單元接收信號并送智能控制數(shù)據(jù)終端裝置保存。

通常優(yōu)化控制系統(tǒng)包括遠程終端單元（RTU）、自動控制模塊、電動機變頻器、電參數(shù)據(jù)測量模塊和通訊裝置等。智能終端單元是智能控制系統(tǒng)的核心，主要負責(zé)動液面數(shù)據(jù)或示功圖數(shù)據(jù)的分析處理變換工作，并將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成電子信號傳遞給遠程中心控制系統(tǒng)處理器。最新的RTU裝置通常與控制裝置集成在一起，具有可視化、多功能性、可操作性強等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)本地閉環(huán)控制和調(diào)節(jié)。電參數(shù)據(jù)測量模塊是定期測定電動機參數(shù)，并轉(zhuǎn)化成電子信號供遠程終端分析。當(dāng)通信模塊接收到中心處理器的調(diào)控指令后，經(jīng)由遠程終端單元分析調(diào)配，再由控制單元執(zhí)行變頻的數(shù)值，表現(xiàn)為電動子抽油桿做往復(fù)運動的沖程次數(shù)的改變，實現(xiàn)抽油泵的運行速度與泵體進液速度的動態(tài)匹配，從而維持采油泵的高效運行。

2.2.2 中心分析及控制系統(tǒng)

機采井中心分析的核心組成是通用分組天線服務(wù)技術(shù)（GPRS）所擁有的路由器數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，包括數(shù)值交換機、自動分析軟件、動液面分析軟件、示功圖運算軟件以及其他頁面輔助設(shè)備。采油井智能中心的分析過程，數(shù)值交換機獲得通用分組天線服務(wù)器傳遞的GPRS數(shù)據(jù)信號，動液面分析軟件和示功圖運算軟件對數(shù)據(jù)信號進行分析和模擬環(huán)境，經(jīng)GPRS路由器提供數(shù)據(jù)運算支持，經(jīng)人工核實后發(fā)布自動管控命令，將動液面、示功圖等多種參數(shù)通過數(shù)值交換機轉(zhuǎn)化成GPRS電子通信信號，經(jīng)GPRS路由器分解后傳遞給智能控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制模塊。機采井智能分析技術(shù)的方法是示功圖法和電參數(shù)法，其中示功圖法又可分為地面示功圖和井下示功圖。地面示功圖分析是利用懸點的載荷和位移開展示功圖分析，通過API類比實測的示功圖與標準示功圖的微小差別，分析診斷抽油機的工作狀態(tài)。井下示功圖則更多利用求解波的方程開展井下故障分析，該方法通常與人工神經(jīng)、矩陣特征法等人工智能技術(shù)結(jié)合，主要應(yīng)用在排除柱塞泵桿柱變形、機器非簡諧振動和慣性行動等危害因素的預(yù)防和研究工作。電參數(shù)法是基于測定的電參數(shù)模型，間接計算出示功圖。目前國內(nèi)的科研院所已經(jīng)能夠利用所測得的電參數(shù)，開展相關(guān)科學(xué)研究，如建立油井工況動態(tài)分析模型，排查電機輸出軸扭矩和懸點載荷，結(jié)合示功圖開展油井故障分析等。

機采井智能控制系統(tǒng)是油井采集數(shù)據(jù)、參數(shù)調(diào)節(jié)和控制的核心組成。在多電壓等級控制方面，系統(tǒng)根據(jù)不同的電壓等級建立分布式排列的電源柜，并配置獨立的總配電柜、獨立的控制開關(guān)，其中電潛柱塞泵和電潛螺桿泵都采用變頻調(diào)節(jié)功能，柱塞泵的變頻器同時具備變頻和改變充磁兩項功能。在采油智能控制環(huán)節(jié)，供電變壓器的容量能夠智能調(diào)節(jié)，在滿足油井動液面平衡的前提下，根據(jù)用電波峰和波谷的周期變化規(guī)律采取錯峰供電，智能調(diào)節(jié)電動機運轉(zhuǎn)頻率，實現(xiàn)變壓器在“低電價多采，高電價少采”的經(jīng)濟化運行模式。在電潛柱塞泵上引入柔性技術(shù)控制泵的震顫，通過改變柱塞泵的運行頻率和波形空置比例調(diào)整減少泵體額外振動。在電動機的上下靜止點容易與殼體發(fā)生碰撞，進而損壞機械設(shè)備，通過系統(tǒng)智能設(shè)定電機動子的運行幅度，有效避免上下行靜止點接觸泵體，從而有效減少機械損傷性碰撞。同時，機采井中心控制系統(tǒng)除了具備現(xiàn)場/遠程控制自由切換和現(xiàn)場手動控制三重功能，還必須加裝電子預(yù)警系統(tǒng)，并與緊急自我保護裝置聯(lián)動，共同組成機采井智能控制體系。

2.2.3 自我保護系統(tǒng)

自我保護系統(tǒng)是采油井智能開采過程中針對電壓電流的臨時突發(fā)情況而采取的一種自我調(diào)節(jié)保護機制，其目的是通過自動切換動作頻率，保護電動機變頻器及相關(guān)裝置。機采井智能開采的自我保護系統(tǒng)包括斷路器、繼電器和接觸器等控制元件。當(dāng)電源電壓劇烈下降或發(fā)生瞬時停電事故時，總線的電壓降低，此時電動機變頻器降低輸出頻率，適當(dāng)引導(dǎo)慣性能量回流母線電流，保持直流電壓值始終高于欠電動作電壓值，避免因為電壓負荷變化造成非必要停機；當(dāng)電機由于負荷較大或負載突變等原因?qū)⒁獙?dǎo)致臨時停車或短時再生性制動情況下，此時母線電壓過大，需要啟動自我保護機制降低輸出頻率，延長減速時間，降低制動軸的力矩，從而逐漸控制母線的電壓值穩(wěn)定。

2.2.4 自動報警系統(tǒng)

自動報警裝置是為了應(yīng)對采油過程突發(fā)情況建立的一種實時動態(tài)監(jiān)控油井狀態(tài)變化的監(jiān)視報警系統(tǒng)。通常針對油井設(shè)備不同，發(fā)生事故的嚴重程度不同，建立不同等級、不同相應(yīng)程度的預(yù)警報警制度，從而為采油設(shè)備進行自動化保護提供信息支持。采油井智能控制報警系統(tǒng)的突發(fā)情況包括，采油參數(shù)模擬運算錯誤、基礎(chǔ)物理參數(shù)報錯、時效泵參數(shù)不在設(shè)定區(qū)間、采油裝置發(fā)生斷裂漏失情況、電動機頻率過載、通訊變頻等電氣設(shè)備故障等。

工況實時預(yù)警技術(shù)包括工況實時數(shù)據(jù)篩查、工況問題算法研究和工況問題評價方法。機采井電動機優(yōu)選工況如下：電流0～150A，載荷0～140kN，沖程與沖程孔徑誤差不超過50%，沖程非技術(shù)性波動范圍不超過30%。工況數(shù)據(jù)的篩查應(yīng)該遵循的原則，實測電流和載荷值等單個參數(shù)應(yīng)該在優(yōu)化工藝范圍內(nèi)波動，示功圖等多個數(shù)據(jù)值應(yīng)該選擇中位數(shù)的上載荷對應(yīng)的示功圖數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)及時導(dǎo)入單位數(shù)據(jù)庫作為工況分析決策的參考。

3 國外智能采油發(fā)展趨勢

3.1 國外智能采油技術(shù)

當(dāng)前國外代表性的智能采油技術(shù)有三種，分別是WTF公司光纖傳感液壓采油技術(shù)、Baker公司的InCharge全電子化智能采油技術(shù)和InForceTM井下永久性參數(shù)測量液壓采油技術(shù)。WTF公司將光纖技術(shù)引入地下檢測系統(tǒng)用作井下傳感器，將液壓控制套件、液壓調(diào)配裝置、配套公共設(shè)備作為流體控制方案，整體上具備數(shù)據(jù)傳輸速度快、流量安全可靠、現(xiàn)場維護方便等優(yōu)點。Baker公司的InCharge系統(tǒng)簡化了動力系統(tǒng)的液壓元件，將電力系統(tǒng)與控制閥及調(diào)節(jié)閥智能化關(guān)聯(lián)，并且用單線串聯(lián)封隔器與井口組件，能夠?qū)崿F(xiàn)單一控制線同時對一口井內(nèi)的12個參數(shù)的檢測和調(diào)控。Baker公司的InForceTM系統(tǒng)將隔離器、遙控液壓管件與永久性檢測儀表互聯(lián)互通，其中多引線隔離器能對多個管件進行精準定位調(diào)節(jié)，SCADA控制器能夠?qū)崿F(xiàn)三層控制，即一根輔助控制線加兩根液壓平衡相關(guān)的控制管線，可以實現(xiàn)井下測量儀表與各種閥門及傳動裝置的自動或手動切換，保證井下測量溫度、壓力等數(shù)據(jù)的準確性和時效性。

3.2 國外采油智能控制系統(tǒng)

國外成熟的機采井智能控制系統(tǒng)，通常將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)場智能傳感裝置、本地控制器以及遠程控制終端銜接，同時具備智能診斷、方案優(yōu)化、遠程控制三大優(yōu)點。最典型的應(yīng)用是Schlumberger公司的Lift IQ人工舉升檢測系統(tǒng)和GE公司的FieldVantage遠程檢測系統(tǒng)。Schlumberger公司的Lift IQ人工舉升檢測系統(tǒng)采用DesignPro軟件和Pipesim模擬器優(yōu)化采油設(shè)備穩(wěn)定程序ESP的用電量，降低了開采成本，提高了采油設(shè)備的舉升效率。GE公司的FieldVantage遠程檢測系統(tǒng)集成了傳感器、控制器、通訊模塊、模擬軟件、終端顯示等元件，同時具備本地閉環(huán)控制和遠程實時監(jiān)控的功能，又可兼容抽油機、電動機、螺桿泵等大多數(shù)舉升裝置，具有平臺化診斷、模擬優(yōu)化計算、通用性廣等優(yōu)點。

3.3 其他人工智能技術(shù)的應(yīng)用

云計算技術(shù)在智能采油領(lǐng)域的應(yīng)用。云計算技術(shù)作為一種共享計算設(shè)備、通用應(yīng)用程序、拓展儲存容量等的計算模式，具有設(shè)備投資少、運算效率高、方便快捷、可操作性強等優(yōu)點。德國西門子公司開發(fā)出A14ESP預(yù)測性維護方案，將人工智能技術(shù)與采油設(shè)備遠程監(jiān)控融合，提高了ESP設(shè)備的穩(wěn)定性，同時AI技術(shù)與供液物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合在采油工況分析中具有異常檢測、動作標記和預(yù)期維護等優(yōu)勢。

數(shù)字孿生技術(shù)在智能采油技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)是將大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)依靠數(shù)字化軟件搭建虛擬的工業(yè)化運行模型，并對真實生產(chǎn)工況進行方案性指導(dǎo)。數(shù)字孿生技術(shù)具有可視化、虛擬化模擬、全流程全周期檢測和應(yīng)用等特點。目前，美國通用公司基于數(shù)字孿生技術(shù)的Preix工作平臺在航空發(fā)動機領(lǐng)域開始應(yīng)用，OspreyData Vision工作平臺能夠應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)進行機械學(xué)習(xí)并開展早期ESP和電潛泵優(yōu)化分析實踐，從而實現(xiàn)了實時檢測泵的工況狀態(tài)、實時診斷分析矯正泵在合理范圍內(nèi)運行。

4 智能采油技術(shù)的發(fā)展趨勢

4.1 平臺井智能群系統(tǒng)

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，我國的石油開采已經(jīng)普遍推廣并應(yīng)用了機械化、自動化運行的生產(chǎn)模式，隨之而來機采井的數(shù)量出現(xiàn)了大幅增長。隨著石油開采井的增多，開采用管桿磨損嚴重，設(shè)備集成化程度不高，存在設(shè)備不兼容、重復(fù)投資等現(xiàn)象。因此，在有條件石油開采區(qū)引進消化吸收智能化、集約化、平臺化的新型開采平臺顯得尤為必要。同時，企業(yè)內(nèi)部要整合資源，大力發(fā)展采油平臺集中監(jiān)測、智能調(diào)峰、優(yōu)化設(shè)計等調(diào)控技術(shù)，從而不斷適應(yīng)油田智能化和集成化的發(fā)展要求，不斷提高生產(chǎn)運行效率和企業(yè)管理水平。

4.2 基于邊緣計算機的智能化閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)

邊緣計算是指在生產(chǎn)數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣位置，打造數(shù)據(jù)檢測、分析、運算及存儲為一體的分布式管理平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)邊緣數(shù)據(jù)的實時分析和智能化處理的智能運算技術(shù)。基于邊緣計算的機采技術(shù)本質(zhì)上是一種本地閉環(huán)數(shù)據(jù)檢測分析處理技術(shù)，由于無需經(jīng)過通訊系統(tǒng)和中心處理器遠程調(diào)控，具有低投資、快應(yīng)答的特點，特別適合現(xiàn)場人員對設(shè)備進行精細化調(diào)節(jié)的要求。未來機采井智能化閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)將會減少人工調(diào)控，更多依靠油井自我感知、自我監(jiān)控、自我調(diào)控，實現(xiàn)無人值守、無人采樣的智能化、數(shù)字化開采的發(fā)展模式。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)加大數(shù)據(jù)集成技術(shù)

目前國內(nèi)的數(shù)字化石油開采工作還處于起步階段，長慶油田、勝利油田等雖然建成了機采井融合物聯(lián)網(wǎng)運行的試驗采油平臺，但是在實際運行中還是存在智能集成化程度不高、監(jiān)測數(shù)據(jù)精度有待改善等問題。未來，有必要借助人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，建立針對石油機采井平臺的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)整合平臺。

5 結(jié)束語

為了應(yīng)對石油開采中含水量逐漸增多的情況，國內(nèi)許多油田逐步采用機采井采油，對其工況、設(shè)備、維修的工作勢必提出更加嚴苛的要求，如何保障機采井平穩(wěn)高效地采油愈發(fā)成為制約石油行業(yè)健康發(fā)展的突出問題。借助數(shù)字化、人工智能的發(fā)展，在石油開采行業(yè)大力推進智能化改造項目，實現(xiàn)機采井大平臺、大數(shù)據(jù)運作，共同推動企業(yè)提質(zhì)增效。

積極對接國外機采井智能開采平臺，引進國外先進的OspreyData Vision、Lift IQ檢測系統(tǒng)、A14ESP預(yù)測維護系統(tǒng)等石油開采技術(shù)，提升我國石油化學(xué)工業(yè)機械裝備水平；鼓勵相關(guān)院校、高新技術(shù)企業(yè)加大相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，在國內(nèi)機采井的基礎(chǔ)上大力開展數(shù)據(jù)集成分布和智能化改造項目，從整體上逐步提高我國機采井的數(shù)據(jù)智能化水平，實現(xiàn)石油開采井的平穩(wěn)高效運行。