基于功圖電參的抽油機(jī)井關(guān)鍵指標(biāo)在線計(jì)算分析及應(yīng)用

張 匯，馬 丹，王 君，榮垂剛，席 岳，王曉波，魏 琪，馮 鋼

（1.中國石油新疆油田分公司數(shù)據(jù)公司，新疆克拉瑪依 834000；2.西安中控天地科技開發(fā)有限公司，陜西西安 710016；3.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249）

新疆油田機(jī)械采油井物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)種類繁多、規(guī)模巨大，采油區(qū)塊點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣，交通不便，傳統(tǒng)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率測(cè)試、能耗測(cè)試、平衡度測(cè)試具有周期長(zhǎng)、影響因素多、人工測(cè)試瞬時(shí)值代表性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決抽油機(jī)井在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，目前可以實(shí)時(shí)高效地采集抽油機(jī)井的沖程、沖次、電流、電壓、啟停狀態(tài)、功圖、功率圖等主要參數(shù)，得益于新疆油田良好的數(shù)字化、信息化、智能化系統(tǒng)建設(shè)基礎(chǔ)，各個(gè)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)鏈路能夠打通，結(jié)合穩(wěn)定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，為抽油機(jī)井關(guān)鍵工藝指標(biāo)在線計(jì)算分析及應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐[2]。為了提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率及損耗監(jiān)測(cè)分析的實(shí)時(shí)性，通過充分利用現(xiàn)場(chǎng)已裝數(shù)字化設(shè)備的采集數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合功圖計(jì)產(chǎn)結(jié)果[3-4]，需要研究基于功圖電參的常規(guī)游梁式抽油機(jī)井關(guān)鍵指標(biāo)在線計(jì)算分析技術(shù)，解決人工測(cè)試耗時(shí)耗力且瞬時(shí)值代表性不強(qiáng)的問題[5]，實(shí)現(xiàn)油井關(guān)鍵工藝指標(biāo)的日常在線實(shí)時(shí)分析等功能，為油井合理制定工作制度和工藝優(yōu)化方案提供了實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)依據(jù)，有利于提升整個(gè)油田油井綜合采油工藝管理[6]。

1 采集數(shù)據(jù)治理分析

1.1 采集數(shù)據(jù)現(xiàn)狀分析

基于新疆油田物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，目前可以實(shí)時(shí)高效地采集抽油機(jī)井沖程、沖次、電流、電壓、啟停狀態(tài)、功圖、最小有功功率、最大有功功率、三相電流、三相電壓、功率圖等主要參數(shù)。通過對(duì)新疆油田采油二廠5 478 032 條功圖數(shù)據(jù)和3 640 689 條功率圖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，功圖數(shù)據(jù)中有0.6%的沖程錯(cuò)誤（超出抽油機(jī)額定沖程）和0.01%沖次錯(cuò)誤數(shù)據(jù)（超出抽油機(jī)額定沖次），無法應(yīng)用于下一步工況診斷和指標(biāo)計(jì)算分析；功率圖數(shù)據(jù)有1 220 192 條錯(cuò)誤數(shù)據(jù)（最大有功功率超出電機(jī)額定功率），無法應(yīng)用于下一步電參相關(guān)指標(biāo)計(jì)算分析；這一部分?jǐn)?shù)據(jù)，在系統(tǒng)應(yīng)用分析前需進(jìn)行預(yù)處理，建立錯(cuò)誤數(shù)據(jù)判識(shí)流程和治理分析方法，對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行治理后，提交正確數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步分析和應(yīng)用，見表1。

表1 采集功圖、功率圖數(shù)據(jù)分析

1.2 采集數(shù)據(jù)錯(cuò)誤類型分析

通過解析采集200 點(diǎn)位的位移&載荷功圖包，錯(cuò)誤功圖主要體現(xiàn)在功圖形狀并非一個(gè)閉合曲線，且有位移反轉(zhuǎn)等，另外需要結(jié)合采集的最大載荷、最小載荷、沖程、沖次等數(shù)據(jù)來判識(shí)；通過解析采集200 點(diǎn)位的位移&功率圖包，難以從圖形特征分析功率圖錯(cuò)誤，需對(duì)最大有功功率進(jìn)行判識(shí)，結(jié)合計(jì)算得出的平均有功功率進(jìn)行二次錯(cuò)誤判識(shí)；采集數(shù)據(jù)主要存在的錯(cuò)誤類型見圖1。

圖1 地面功圖和功率圖采集錯(cuò)誤案例

地面功圖相關(guān)采集錯(cuò)誤數(shù)據(jù)一般有采集功圖數(shù)據(jù)的最大載荷超過抽油機(jī)懸點(diǎn)額定載荷、沖程小于抽油機(jī)額定最小沖程或超過抽油機(jī)額定最大沖程、沖次小于抽油機(jī)額定最小沖次或超過抽油機(jī)額定最大沖次、功圖數(shù)據(jù)的最小位移不是從零開始等，見表2。

表2 地面功圖相關(guān)采集錯(cuò)誤數(shù)據(jù)

功率圖相關(guān)采集錯(cuò)誤數(shù)據(jù)一般有采集功率圖數(shù)據(jù)的最大有功功率超過電機(jī)額定功率、采集電流和電壓極小或?yàn)?，見表3。

表3 功率圖相關(guān)采集錯(cuò)誤數(shù)據(jù)

1.3 采集數(shù)據(jù)治理分析

對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)計(jì)算分析前，由于功率圖數(shù)據(jù)包字符串?dāng)?shù)據(jù)較長(zhǎng)，不能達(dá)到50 ms 分析上萬條采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用需要，本文以“最大有功功率”進(jìn)行預(yù)處理，建立如下的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)判識(shí)流程和治理分析方法，對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)快速過濾后，提交正確數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步分析計(jì)算和應(yīng)用（圖2）。

圖2 采集功率圖相關(guān)數(shù)據(jù)的處理流程

2 關(guān)鍵指標(biāo)在線計(jì)算

近年來，隨著數(shù)字油田快速發(fā)展，越來越多人將重心轉(zhuǎn)移到大量油田數(shù)據(jù)中，希望通過對(duì)抽油機(jī)井生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)掘，快速有效地對(duì)機(jī)采井進(jìn)行管理[6]。學(xué)者們研究揭示了抽油機(jī)井關(guān)鍵指標(biāo)與油井生產(chǎn)參數(shù)之間的關(guān)系，油田管理者也需要對(duì)不同采油單位和區(qū)塊應(yīng)用成熟技術(shù)加強(qiáng)井筒綜合治理，提升井筒管理和機(jī)械采油水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)井關(guān)鍵指標(biāo)不斷優(yōu)化運(yùn)行[7]。

2.1 泵效計(jì)算

抽油機(jī)井舉升核心部件是抽油泵，抽油泵是否正常工作以及泵效的高低直接關(guān)系到采油效率高低[8]。抽油泵在井下工作環(huán)境復(fù)雜，受各種因素影響較多，導(dǎo)致抽油泵出現(xiàn)泵效降低問題，從而直接影響油井產(chǎn)量，降低采油效率。泵效指抽油泵實(shí)際日產(chǎn)液量與理論日產(chǎn)液量之比，其計(jì)算公式見式（1）。

式中：ηd-單井泵效，%；Qs-日產(chǎn)液量（通過功圖計(jì)產(chǎn)得到），m3；QL-抽油泵理論排量，m3/d。

式中：S-光桿沖程（采集數(shù)據(jù)），m；n-沖次（采集數(shù)據(jù)），min-1；D-泵徑（通過A2 系統(tǒng)每日定時(shí)服務(wù)自動(dòng)獲取），mm；t-生產(chǎn)時(shí)間（通過功圖采集數(shù)據(jù)得到油井每日生產(chǎn)時(shí)間），h。

2.2 系統(tǒng)效率

有桿泵抽油系統(tǒng)是將地面電能傳給井下液體，把井下液體舉升到井口，是能量不斷地進(jìn)行傳遞和轉(zhuǎn)化的過程，能量每一次傳遞和轉(zhuǎn)化都伴隨一定損失，除去損失后的有效能量與系統(tǒng)輸入能量的比值，稱為抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率[9]。抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的高低反映出抽油機(jī)傳動(dòng)能量、電動(dòng)機(jī)能量的消耗程度。

（1）機(jī)械采油系統(tǒng)效率：抽油機(jī)采油系統(tǒng)有效功率與有功功率的比值，有效功率是將井內(nèi)液體舉升到地面所需的功率，有功功率等于電動(dòng)機(jī)的輸入功率，根據(jù)采集數(shù)據(jù)計(jì)算得出。

式中：Q-產(chǎn)液量，m3/d；g-重力加速度；ρm-油井產(chǎn)出液體密度，kg/m3；H-單井實(shí)測(cè)動(dòng)液面深度，m；Pc-井口油管壓力，MPa；Pt-井口套管壓力，MPa。

（2）抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率分為地面效率和井下效率兩部分，光桿懸繩器以上為地面效率，光桿懸繩器以下為井下效率，抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率為：

抽油機(jī)井地面效率是指光桿功率與電動(dòng)機(jī)輸入功率的比值，主要損失為電動(dòng)機(jī)功率損失和機(jī)械摩擦損失，反映有桿泵抽油系統(tǒng)地面設(shè)備運(yùn)行狀況，利用光桿功率和電動(dòng)機(jī)輸入功率計(jì)算地面效率：

抽油機(jī)井井下效率是指有桿泵抽油系統(tǒng)有效功率與光桿功率的比值，主要是機(jī)械損失、彈性變形損失和水力損失等，其大小反映有桿泵抽油系統(tǒng)井下設(shè)備運(yùn)行狀況：

光桿功率：通過四連桿機(jī)構(gòu)傳遞作用于光桿的功率，用于提升液體和克服井下阻力，利用示功圖面積進(jìn)行折算：

式中：A-示功圖面積，mm2；Sd-示功圖減程比，m/mm；fd-示功圖力比，N/mm；n-沖次，min-1。

2.3 能耗計(jì)算

在對(duì)抽油機(jī)井能耗進(jìn)行評(píng)價(jià)后，為降低抽油機(jī)井的能耗，基于傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)的不足，大力發(fā)展節(jié)能技術(shù)，一方面改進(jìn)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)，如安裝雙驢頭抽油機(jī)、偏輪游梁抽油機(jī)、彎游梁抽油機(jī)等實(shí)現(xiàn)節(jié)能；另一方面則借助無功補(bǔ)償電容技術(shù)和變頻技術(shù)，提高節(jié)能水平。除了安裝節(jié)能裝置外，降低能耗的主要方法便是加強(qiáng)油井管理，通過日常指標(biāo)在線監(jiān)控及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整[10-11]。基于油井生產(chǎn)過程原理，建立油井日耗電量、噸液百米耗電量等能耗指標(biāo)。

（1）日耗電量（kW·h）：

（2）噸液百米耗電量（kW·h）

2.4 平衡度計(jì)算

抽油機(jī)平衡度的好壞直接影響抽油機(jī)壽命和電動(dòng)機(jī)耗電量，準(zhǔn)確地測(cè)量出抽油機(jī)平衡度，及時(shí)調(diào)節(jié)抽油機(jī)的平衡對(duì)抽油機(jī)安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗有重要意義。在尚未配備數(shù)字化時(shí)期，常用的抽油機(jī)測(cè)平衡方法是電流法，對(duì)于平衡度欠佳、倒發(fā)電嚴(yán)重的抽油機(jī)井，反向電流可能比正向電流還大，就會(huì)出現(xiàn)誤判斷[12]。

本文提出基于電參等采集數(shù)據(jù)的抽油機(jī)平衡度實(shí)時(shí)分析方法，通過對(duì)采集數(shù)據(jù)一次治理后，計(jì)算每一條采集功率圖的上、下行程平均有功功率，對(duì)全天采集數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均后分析功率平衡度，克服了電流法瞬時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量平衡度誤差大的缺點(diǎn)，同時(shí)避免了工況變化時(shí)功率圖不具有代表性的問題，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)抽油機(jī)的平衡狀態(tài)，及時(shí)針對(duì)平衡欠佳井優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)油井節(jié)能降耗的目標(biāo)。

平均功率平衡度：下行程平均有功功率與上行程平均有功功率的比值：

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)比分析

通過對(duì)新疆油田采油二廠近1 200 余口游梁式抽油機(jī)井應(yīng)用分析，依據(jù)抽油機(jī)井功圖、電參等采集參數(shù)治理分析后，實(shí)現(xiàn)油井泵效、系統(tǒng)效率、能耗、平衡度等關(guān)鍵工藝指標(biāo)的日常在線實(shí)時(shí)分析等功能，其部分抽油機(jī)井關(guān)鍵指標(biāo)分析數(shù)據(jù)見表4。

表4 抽油機(jī)井關(guān)鍵指標(biāo)分析數(shù)據(jù)

3.1 系統(tǒng)效率對(duì)比分析

通過與現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)效率測(cè)試儀器結(jié)果對(duì)比，部分井因供液能力問題，采集地面示功圖出現(xiàn)供液變化時(shí)，功率圖和平均有功功率也隨之變化，產(chǎn)生了較大差異，其余井系統(tǒng)效率差異在±3%以內(nèi)。系統(tǒng)效率差異較大井均是因供液能力波動(dòng)問題引起的，對(duì)于這類井通過大量采集數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析后，得出全天加權(quán)平均系統(tǒng)效率值，避免了用供液能力較好或較差時(shí)的瞬時(shí)數(shù)據(jù)代表全天數(shù)據(jù)。

3.2 能耗對(duì)比分析

在現(xiàn)場(chǎng)安裝了電參模塊，可通過電表數(shù)據(jù)讀取的抽油機(jī)井能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，數(shù)據(jù)正確采集時(shí)，日耗電差值均小于1.00 kW·h。

3.3 平衡度對(duì)比分析

在新疆油田采油二廠多口油井進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)同一區(qū)塊15 口井采集得到平衡度計(jì)算分析數(shù)據(jù)，12 口井平衡狀態(tài)為“平衡”，2 口油井“欠平衡”，1 口油井“過平衡”。三類平衡狀態(tài)分別選取典型井示功圖和功率曲線，見圖3。其中：L31-19 井示功圖工況為正常，平衡度為0.90；L27-28 井供液略顯不足，示功圖呈現(xiàn)一定“刀把狀”，平衡度為0.64，屬于欠平衡狀態(tài)；L80-17 井示功圖工況為正常，平衡度為1.36，屬于過平衡狀態(tài)。

圖3 油井平衡狀態(tài)案例

典型井L11-55 井平均平衡度為1.56，示功圖呈現(xiàn)一定“刀把狀”，且偶爾出現(xiàn)泵筒不進(jìn)液，功圖顯示固定凡爾失靈功圖（圖4）。通過表5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來看，該井瞬時(shí)平衡度隨著采集工況的變化而變化。

圖4 典型井L11-55 井疊加功率圖和疊加功圖

表5 L11-55 井平衡度分析數(shù)據(jù)

該類井通過大量采集數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析后，得出全天加權(quán)平均平衡度值，避免了用供液能力較好或較差時(shí)的瞬時(shí)數(shù)據(jù)代表全天數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

（1）基于功圖電參的常規(guī)游梁式抽油機(jī)井關(guān)鍵指標(biāo)在線計(jì)算分析，解決了人工測(cè)試耗時(shí)耗力且瞬時(shí)數(shù)據(jù)代表性不強(qiáng)的問題，實(shí)現(xiàn)油井工藝關(guān)鍵指標(biāo)的日常在線實(shí)時(shí)分析等功能，減少了技術(shù)人員大量的分析計(jì)算時(shí)間。

（2）運(yùn)用基于功圖電參的常規(guī)游梁式抽油機(jī)井關(guān)鍵指標(biāo)在線計(jì)算分析技術(shù)，通過在線監(jiān)測(cè)結(jié)果，為油井合理制定工作制度和工藝優(yōu)化方案提供了實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)依據(jù)，提高了油井管理效率。

（3）依據(jù)關(guān)鍵指標(biāo)分析應(yīng)用結(jié)果，各采油單位統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，統(tǒng)一關(guān)鍵指標(biāo)分析應(yīng)用平臺(tái)，對(duì)考核管理新疆油田機(jī)采指標(biāo)做到了統(tǒng)一，適合在全油田進(jìn)行推廣應(yīng)用。