間歇井采液技術監督及控制

高玉森，張愛華，陳勝利，季芳，季峰，初波，張瑞豐，李海彬

1.大安鴻源管業有限公司（吉林 白城 131300）

2.中國石油吉林油田分公司扶余采油廠（吉林 松原 138000）

3.戈壁能源公司（吉林 白城 131300）

4.丹東源興科技有限公司（遼寧 丹東 118002）

5.大安市慶一機械廠（吉林 白城 131300）

0 引言

在我國有30%以上的供液不足油井在50%～80%的運行時間內處于空抽狀態[1]，很多時候由于缺乏有效的監督檢測，抽油機配置及工作流程不合理，無法達到理想值，影響了產液量，浪費了能源，增加了設備磨耗[2]。對間歇井實時進行技術監督，根據監督檢測結果控制抽油機工作，達到井下有可以進行開采的液量就指令抽油機工作，一旦發現井下沒有可以進行開采的液量，則指令抽油機待機。我國很多油田單井產液量低，日產液低于2 m3油井占總井數的34%[3]，低產油井普遍存在間歇狀況，這樣就更需要實時監督油井出油液狀況，實現抽油機正常運轉與井下產液同步。井下地質情況是不斷變化的，間歇時間也在不斷變化。大部分油田為保證原油產量，對間歇油井的開采還是采用連續生產的方式[4]。隨著油田開發進入中后期，地層的能量逐漸下降，極易出現油井間歇產液的狀況，若不能以合理的方式采液，則會浪費大量能量，使系統效率降低[5]。

為取得最佳經濟效益，合理制定間歇井采液流程，是各采油廠不斷研究改善的重要課題之一。有的基于示功圖分析制定間歇井采液方案[6]；有的通過單井單量、結合動液面進行摸底分析，制定間歇制度[7]采液。

1 間歇井采液理想效益

間歇井采液因為涉及國際市場不斷變化的油價，以及每口油井低產作業時間和空抽時間的長短，使采液成本產生大幅度變化。

1）間歇井采液能耗和產液量，即能耗投入和產出大體分為3個階段。圖1是間歇井能耗和產液量的關系曲線示意圖。需要說明的是，由于地質情況的不斷變化，不論處于哪個階段每個沖次的產液量也是不可能相同的，圖1 顯示的只是為闡述問題的理想示意圖。

圖1 間歇井能耗和產液總量的關系曲線

在綠色區域，即間歇井采液第一階段，井下供液比較充足，隨著可變要素的投入量增加，總產液量一直在增加。在這一階段單位時間產液量比較平穩，產液總量和能耗近似于正比。

在黃色區域，即間歇井采液第二階段，井下供液越來越不足，產液總量和能耗曲線近似于拋物線，單位時間平均產液量在遞減。

到了紅色區域，即間歇井采液第三階段，井下已經無液可抽，抽油機處于空抽狀態，只是能耗增加，產液總量不再增加。

2）商品生產成本包括固定成本，如折舊和可變成本，如工人工資。當銷售收入等于兩項成本加一起之和的時候達到盈虧平衡。一般在用盈虧平衡圖表示的時候，總成本曲線和銷售額曲線相交的點，就是盈虧平衡點，隨著兩條線的不斷延長，盈利區會越來越大。但是對于間歇井采油，還有一些不定因素。一是間歇井供液不穩定，導致單位產量費用不穩定。二是國際市場油價不穩定，并且變化幅度很大，導致盈虧平衡區域有著很大不確定性。圖2是間歇井盈虧平衡分析。

圖2 間歇井盈虧平衡分析

由于間歇井采油的不穩定性，盈虧平衡分析圖屬于非線性。綠色方格部分屬于間歇井采油采液第一階段，橙色方格部分屬于間歇井采液第二、第三階段。只要不是油價特別低的時候，都有兩個盈虧平衡點，BEP1 和BEP2 是在油價一般的時候兩個盈虧平衡點，BEP3 和BEP4 是在油價高的時候兩個盈虧平衡點。綠色斜線部分屬于盈利區，它會隨著銷售價格上升而擴大。

3）國際油價變動幅度較大，在間歇井實際生產作業時，不可能每天跟蹤國際油價改變間歇井生產制度。一般情況下只能確定一個認可油價，并根據認可油價制定間歇井生產制度。另外，石油作為重要戰略物資，有時候需要“以電換油”，這種政策性因素也在制定間歇井采油生產制度的考慮范圍之內。

4）通過采集電動機參數、示功圖或者人工直接觀察獲得數據，然后根據數據制定比較合理的工作制度。如：某采油廠把握“一切成本皆可降”的工作基調，將油井間抽作為機采提效的主攻方向，通過擴大間抽選井規模和頻次，合理擴大選井范圍，由月篩選減至周篩選，半年共篩選間抽潛力井326 口，有效保證了可執行間抽井數量。同時，將間抽井的月跟蹤改為日跟蹤，保證間抽方案有效執行，形成了以工藝所為主的多專業聯動、閉環運維管理的局面。在間抽過程中，密切關注油井動態反應，針對性開展連續電參和功圖等監測測試，優化調整制度，在不十分影響產量的前提下增加停井時間，優化制度79 口，增加日停井時間207 h，對比前6 個月增加間抽井319 口，節電量增加30.9×104kW·h。

2 間歇井采液作業中幾種常用的監督方法

2.1 觀察法

直接觀察油井工作狀態，初步判斷油井產液情況，雖然準確程度很低，但是比較簡單、直接。常用的觀察法主要包括：電動機噪音變化、出液口液壓變化、采樣口是否出液以及單位時間累計產量等。

2.2 監督電耗參數

圖3 和圖4 是某配套動力22 kW 油井在比較正常采液和出液嚴重不足時的電參圖。

圖3 正常出液電參圖

圖4 出液嚴重不足電參圖

每口油井的地質狀況是不同的，采液機械的運轉狀況、傳動效率也是不一樣的。而且隨著時間的推移，地質狀況和機械狀況也在不斷變化，所以電參圖也在不斷變化。這樣就要先獲得數據集，優選出最優模型，并預設多個最優模型，通過最優模型判斷出液情況。

2.3 通過示功圖監督

首先使用抽油機電參數法進行快速診斷抽油機工作狀況，無法精準診斷工況時引入示功圖方法，充分發揮抽油機電參數法的快速性和抽油井示功圖法的準確性優勢［8］。

如圖5 所示，當示功圖由Ⅰ變化到Ⅲ的時候井下供液嚴重不足。

圖5 示功圖變化情況

如果不涉及復雜設備直接監督油井出液情況，進一步實行自動控制，應該是間歇井理想的監督和控制方法。

3 間歇井自動控制

3.1 技術要求

1）當抽油機正常工作時，如果監測系統突然監測不到產液，并達到一個設定的時間段后始終沒有產液的，抽油機超低速運轉，進入自動待機狀態。

2）抽油機在超低速運轉待機狀態時，如果某一沖次時有液量產出，并在設定幾個沖次中始終有液量產出時，抽油機自動進入正常工作狀態。

3）自動記錄抽油機正常運轉和待機運轉的起始時間，以及在某一個時間段正常運轉和待機時間的時長累計，便于相關人員在滿足產量要求的情況下選擇抽汲參數的最佳配合［10］。

3.2 技術方案

3.2.1 軟件開發

采用STM32F105RBT6單片機，單片機軟件開發要具備抗干擾性強、安裝簡便、人機交互界面友好、調用方便［11］。圖6是軟件開發原理框圖。

圖6 軟件開發原理框圖

3.2.2 單向閥改造

在采油井出液管口處一般都裝有單向閥，當有液量產出時，單向閥閥芯會產生位移，只要監測閥芯是否位移，就可以知道是否產液。為了獲取閥芯是否開啟，以及開啟程度、開啟時長等信息，便于選擇最佳抽汲參數，對閥芯立式移動的單向閥進行改造，改造后的單向閥如圖7所示。

圖7 改造后的單向閥

3.2.3 數據存儲和監控

當抽油機產液時，單向閥里面的閥芯開始位移，閥芯上部的永磁鐵同步產生位移。由于永磁鐵的位移，使霍爾元件產生跟位移量大小同步變化的電子信號，信號經放大、濾波后輸出。只要抽油機開啟，改造后的單向閥就能實時反映抽油機的出液狀況，達到實時監控的目的。采用單片機進行數據存儲，設有數據復制轉移接口，便于數據讀取。

3.3 實現多個運轉速度的不同方式

為了實現抽油機在正常產液和待機低速運行時的兩個不同轉速，要求抽油機必須有可以方便切換的兩個高低不同轉速。

使抽油機實現多個不同運轉速度的方法很多。原來安裝有變頻器的油井，可以直接利用變頻器實現設定好的不同頻率切換；原來裝有多速電動機的油井，可以根據產液情況自動改變電動機接頭連接方式，產生兩種不同速度。有的抽油機為了減少沖次，已經在減速機和電動機大小兩個皮帶輪之間另外安裝一級皮帶減速介輪，可以將這級皮帶減速介輪改造后加以利用，實現自由切換的雙速模式。

3.3.1 用變頻器實現待機和正常運轉的不同速度

電動機變頻調速裝置是抽油機井生產管理中常用的節能設備。抽油機井在安裝電動機變頻調速裝置后，可充分發揮變頻調速的優勢，根據井下供液能力的變化任意調整抽油機沖速，提高泵的充滿系數,達到節電、增產、預防偏磨的目的,提高了系統效率,使油井在最佳經濟狀態下生產［12］。

利用變頻器內置簡易可編程控制器（PLC）,完成多段速邏輯控制［13］。變頻器控制回路標準接線如圖8所示。

圖8 變頻器控制回路標準接線圖

3.3.2 利用多速電動機實現不同速度的自動切換

近年來工農業部門采用有級調速的多速電動機的范圍不斷擴大［14］。原來裝有多速電動機的抽油機可以利用原有電動機本身的功能實現自動切換。電動機接線如圖9所示。

圖9 多速電動機接線圖

3.3.3 皮帶減速介輪進行雙速改造

皮帶減速介輪進行雙速改造是利用已經加裝皮帶減速介輪的抽油機，對原介輪進行改造，使其可以切換2種速度。傳動結構原理如圖10所示。

圖10 雙速介輪傳動結構原理圖

當介輪中的大皮帶輪在電動機皮帶輪的帶動下按照原來設定方向（定義為順向）旋轉時，由于直接和介輪中小皮帶輪配合安裝的單向軸承處于逆向安裝，所以大皮帶輪通過傳動軸帶動小皮帶輪同方向同轉速旋轉。另一組和中心齒輪配合的單向軸承處于順向安裝，所以不影響小皮帶輪的運轉。

當需要抽油機慢速工作時，改變電動機旋轉方向，介輪中的大皮帶輪由順向旋轉變成逆向旋轉，由于單向軸承的作用，小皮帶輪不能和大皮帶輪同方向同轉速旋轉，另一組和中心齒輪配合的單向軸承由順向變為逆向，于是中心齒輪和大皮帶輪同方向同轉速旋轉，中心齒輪通過中介齒輪帶動固定在小皮帶輪上的內齒輪旋轉。由于中介齒輪的作用，與內齒輪固定在一起的小皮帶輪仍然按照原來定義的順向旋轉。由于中心齒輪齒數遠遠低于內齒輪齒數，可實現較低的第二速度。

控制電動機正反轉是非常簡單的，需要正常運轉時，電動機正轉，需要待機時電動機反轉，在監控系統的指令下實現間歇井的合理運行。

3.4 自動控制應用效果

間歇井采液實時監督及控制系統，經過礦場應用測試達到了預期效果。表1是部分油井應用前后效果對比。

表1 自動控制系統應用前后效果對比

4 結語

1）間歇井采液可以通過多種方法進行監督和控制。自動實時監督及控制間歇井作業，通過單片機檢測單向閥閥芯運動的軌跡，記錄存儲油井出液情況，根據油井出液情況自動指令抽油機工作狀態，達到了增產節能的既定目標。

2）在實現抽油機不同運轉速度的方法中，由于變頻器輸出頻率是可以無級調整設定的，所以采用變頻器實現抽油機的不同運轉速度，應用后效果比較理想。

3）采用間歇井采油自動控制系統實現單井實時檢測，單井自動控制，不需要通過總控制臺，簡化了流程。