基于生產工藝分析的抽油機井皮帶斷模型報警研究與應用

摘要：針對新疆油田稀油生產過程中抽油機井皮帶斷裂這一閾值報警無法有效發現且常見的異常工況，引入了一種基于生產工藝分析的模型報警方法。該方法通過對抽油機井皮帶斷裂時的工藝特征進行深入分析，建立多參數組合的機理模型報警規則，并經過現場數據驗證與不斷優化，顯著提高報警的準確性和可靠性，減少誤報和漏報。經生產現場結果驗證，通過該方法建立的抽油機井皮帶斷模型報警準確率達到95%以上，無漏報情況，平均提前2小時發現異常工況，有效提升了生產安全和效率。

關鍵詞：抽油機井皮帶斷裂；工藝分析；模型報警

一、前言

隨著工業領域的快速發展，特別是在石油行業，生產過程自動化與智能化的推進已成為驅動生產效率飛躍的核心要素。然而，在這一轉型升級的過程中，如何實現對生產過程中異常情況的精準監控與高效報警，成為擺在行業面前的一項緊迫挑戰[1]。在新疆油田，隨著生產管理向“大生產、大調度、大指揮”這一全新模式的深刻轉變，生產現場異常報警數量急劇增加，不僅對工作人員造成巨大壓力，還因分析難度大、處置效率低等問題，頻繁出現誤報和漏報，進而可能引發生產事故或降低生產效率[2]。

具體而言，在新疆油田某采油廠，數據采集與監視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統的日均報警量高達約5000條，但其中實際有效處理的報警卻僅有30次，這表明大量報警信息未能得到及時有效的響應。此外，由于現有報警系統缺乏智能化分析手段，難以在復雜的工藝流程中迅速而準確地識別異常工況，導致生產過程中的潛在風險難以及時被消除。

為解決上述問題，本文引入一種基于工藝分析的機理模型建立方法，該方法特別針對那些傳統閾值報警難以有效發現或重點關注的異常工況，如抽油機井皮帶斷裂等，通過構建多參數組合的模型報警體系，顯著提升了異常工況的識別精度與報警效率。這一創新舉措不僅有效降低了分析難度，還極大提高了報警處置的時效性，為實現更加精準、高效的異常工況監測與報警提供了有力支撐。

二、工藝分析

（一）抽油機井基本結構

抽油機采油是一種利用機械能增強地層壓力，從而有效將原油從油井深部提升至地面的技術流程。鑒于石油儲藏地質結構的復雜性，往往需輔以注水、注蒸汽、注聚合物等輔助手段，以促進原油流動，便于抽油機高效開采。在眾多采油設備中，有桿泵抽油系統占據主導地位，其應用比例在全球主要產油國的油井作業中超過85%，尤其以游梁式抽油機為核心的有桿泵設備最為普及[3]。

地面部分的游梁抽油機，其核心功能在于提供驅動力。它依靠皮帶傳動機構與減速箱，將三相異步電機的高速旋轉動能傳遞給減速箱的輸出軸，進而驅動曲柄低速旋轉。曲柄軸與連桿、游梁緊密相連，將這一低速旋轉運動轉換為“驢頭”的上下擺動。在此過程中，抽油桿與懸繩器也隨之進行垂直方向的往復運動，完成原油的抽取作業[4]。

（二）物聯網采集情況

在抽油機井的物聯網采集體系中，各項關鍵生產參數實現了實時、精準的監測。具體而言，回壓（單位：MPa）通過在采油樹的生產閘門處安裝傳感器進行精確測量，反映了油井內部的壓力狀況。而套壓（MPa）則是在套管閘門一側進行監測，為油井管理提供了重要參考。

為了全面了解抽油機的工作狀態，當前負荷（N）通過在井口懸繩器處安裝的示功儀進行直接測量，反映了抽油過程中的實際負載情況。進一步的，抽油機井的RTU（遠程終端單元）依據示功圖計算出負荷跨度（N），為優化生產提供了數據支持。此外，沖次（次/分鐘），即抽油桿每分鐘上下往復運動的次數，也是監測的重要指標之一，它直接關聯到油井的產量和效率。

在電氣參數方面，通過精確監測抽油機井光桿在上、下行程時的電流（A），不僅保障了設備的安全運行，也為節能降耗提供了科學依據。

（三）抽油機井皮帶斷裂

抽油機井皮帶斷裂是油田生產過程中常見的一種故障，其發生原因多樣，主要包括皮帶長時間運行后的自然磨損、外力沖擊以及皮帶安裝調整不當等。這一故障對抽油機的正常運行構成了嚴重威脅。

從系統構成來看，抽油機井可大致分為電機和抽油桿兩大部分。當皮帶斷裂時，電機雖仍保持運轉，卻進入了空轉狀態，即其動力未能通過皮帶有效傳遞至抽油機，導致實際抽油作業停止。此時，現場監測的電流數據應呈現下降趨勢，反映出電機負載的減輕。

對于抽油桿而言，皮帶斷裂意味著動力傳遞的突然中斷，抽油桿隨即停止上下往復的抽油運動。這一變化直接導致抽油機井的抽油作業暫停，現場采集的負荷、產量、沖次及沖程等關鍵參數均會發生顯著變化，為故障的快速識別提供了重要依據。

進一步從上下游關聯關系分析，若抽油機井在皮帶斷裂時正處于計量狀態，則計量間分離器的液位將停止上漲，反映出油井產量的即時減少。同時，計量間分離器壓力過高可能反作用于井口，導致井口壓力異常升高，進而增加抽油機的負荷，形成惡性循環，進一步加劇了皮帶斷裂的風險。

三、模型設計

在模型設計之前，首先需要對稀油生產流程進行全面細致的梳理，明確各個生產環節的關鍵參數和工藝流程之間的相互作用關系。針對抽油機井皮帶斷裂這一異常工況，需要重點關注電機電流、抽油桿沖次、負荷以及分離器液位等參數。這些參數的變化能夠直接反映皮帶斷裂時的工藝特征，為模型報警提供有效依據。

（一）初步理論規則建立

基于深入的工藝分析，本文初步構建了機理模型，該模型由六條核心理論規則組成，全面描述了皮帶斷裂時各關鍵參數的變化規律及其內在聯系。

具體而言，電機方面，規則1（電流）：電流突然下降后趨于直線；抽油桿方面，規則2（沖次）：沖次落零；規則3（負荷）：負荷趨于一條直線；規則4（負荷跨度）：負荷跨度大幅下降；規則5（油壓）：油壓持續下降；此外，從上下游關聯角度，規則6（分離器液位）：若該井正在計量，分離器液位停止上漲。

為確保這些理論規則的準確性和實用性，本文采用了石西油田作業區皮帶斷裂事件的歷史數據進行嚴格驗證。通過將實際數據與模型規則進行對比，規則1、2、3、4與歷史參數變化曲線趨勢符合，因此可以判斷初步理論規則1、2、3、4是適合作為模型規則的。

（二）實際參數選取分析

為了進一步提升模型的精確度，依據現場數據的實際質量，開展了參數的二次優化選取分析。首先，針對規則1，盡管電流變化特征明顯，即突然下降后趨于穩定，但需注意，這一數據并非所有油井均采集，因此在使用時需謹慎考慮其普適性。接著，對于規則2中的沖次變化，觀察到沖次在皮帶斷裂后會落零，但受采集算法影響，實際數據中沖次仍存在波動，要求在模型構建時需對這部分數據進行預處理，以消除噪聲干擾。

在規則3與規則4中，負荷趨于穩定直線與負荷跨度大幅下降是重要特征，但負荷跨度的數據不僅采集量有限，且常伴隨劇烈波動，從而增加了判斷難度。

至于規則5的油壓變化，其規律并不統一，需結合具體情況分析。而規則6雖然理論上具有指導意義，即皮帶斷裂時若油井正在計量，則分離器液位與壓力將停止上漲，但實際情況中皮帶斷裂與計量同時發生的概率極低，因此該規則的實用性有限。綜合以上分析，研究者最終選定電流、沖次、負荷這三個數據質量較高且對皮帶斷裂具有顯著指示作用的參數，作為模型的關鍵輸入變量。

（三）模型報警規則研究

在確定將電流、沖次、負荷作為核心參數后，深入挖掘歷史數據中的特征與規律，同時緊密結合現場儀表的實際采集情況，進行具體報警規則的研究。

針對現場采集包含電參的情況，研究者匯總了皮帶斷裂時的電流極差歷史數據，見表1。

通過對比分析工作狀態與皮帶斷裂狀態下的電流極差，以及空載電流值，發現皮帶斷裂往往伴隨著電流極差的顯著減小。基于此，初步確定了電流規則的框架：當電流最大值下降超過20%，且最小值仍高于停機電流，同時電流極差小于0.6時，觸發報警。

對于現場采集無電參的情況，則重點關注了負荷的變化。通過統計皮帶斷裂時的負荷極差，見表2，發現負荷極差在皮帶斷裂時通常較小。因此，設定了負荷規則：當負荷極差小于300時，視為異常信號。

同時，結合沖次數據的分析，明確了沖次規則：沖次最小值若為零，則表明可能存在皮帶斷裂等異常情況。

（四）模型建立

根據上表所展示的歷史數據，經過深入分析，最終確定了電流、沖次、負荷在兩種不同采集條件下的具體規則。

對于現場采集包含電參的情況，明確了電流規則的三個關鍵條件：電流最大值需下降20%以上，最小值需高于停機電流，且電流極差需小于0.6。同時，沖次規則設定為沖次最小值等于零，表明抽油機已停止工作。負荷規則則要求負荷極差小于300，以反映皮帶斷裂時的負荷變化特征。

對于現場采集無電參的情況，綜合考慮了載荷、沖次及運行狀態等多個因素。具體規則為：在近40分鐘內，若載荷有效值超過3個，且負荷極差小于300，同時沖次最小值等于零，且運行狀態為1 （即正在運行），則視為異常情況，可能表明皮帶已斷裂。

四、模型優化

（一）調試運行

在將模型部署至石西油田作業區并投入運行后，受生產環境復雜性的干擾，模型在實際應用中產生了誤報現象。為提升模型報警的準確性，必須對既有規則與數據算法進行精細調整。

首先，針對部分油井因長時間停機而引發的誤報（誤報情況1），已對規則進行修訂：僅當油井負荷在前一階段存在波動，隨后階段負荷歸零時，才視為停機狀態，以此規避長時間停機導致的誤報。其次，對于功圖儀故障所造成的誤報（誤報情況2），已引入自動消警機制。一旦檢測到儀表故障，系統將即刻取消相關報警，從而有效排除儀表故障對報警準確性的干擾。最后，針對空值數據引發的誤報（誤報情況3），已明確規則：僅在數據時間段內為有效值時，方進行報警判斷，以此徹底排除空值數據對報警結果的影響。

（二）迭代優化

經過多輪嚴謹細致的迭代調優，模型誤報率實現了顯著下降，性能得到了根本性提升。在為期一個月（4月10日至5月10日）的石西油田作業區實地監測中，該模型所觸發的全部4次報警，均與實際發生的抽油機井皮帶斷裂事件精確吻合。此結果不僅充分驗證了模型預測的準確性，更彰顯了其在復雜工業環境下的高度可靠性與實用性，為油田生產的安全高效運行奠定了堅實的技術基礎。

（三）應用效果

經持續運行與不斷優化，模型報警的誤報情況得到了顯著減少，其準確率已穩定提升至95%以上，同時確保了無漏報情況的發生。更值得一提的是，該模型能夠提前平均2小時發現異常工況，為及時處理潛在問題贏得了寶貴時間。

相較于傳統的閾值報警機制，將模型報警與閾值報警相結合帶來了諸多顯著效果。首先，模型能夠基于數據分析自動判斷異常工況，極大地減輕了人工分析曲線、排查異常的工作負擔，提高了工作效率。其次，模型能夠直接定位報警的異常工況，使得人工排查故障隱患及分析診斷原因的時間大幅縮短，異常工況的發現時間得以提前，平均縮短時間超過2小時。最后，通過建立計量間通信斷等模型報警，能夠智能地掛起相應的閾值報警，從而有效減少了整體報警量，降低幅度約達10%，進一步提升了報警系統的精準度與實用性。

五、結語

本文針對新疆油田稀油生產過程中抽油機井皮帶斷裂這一異常工況，創新性地引入了一種基于生產工藝分析的模型報警方法。該方法通過深入分析抽油機井的基本結構、物聯網數據采集情況，以及皮帶斷裂時的工藝特征，建立了多參數組合的抽油機井皮帶斷裂機理模型報警規則。在石西油田作業區的實際應用中，該模型取得了顯著效果，不僅明顯提升了報警的精確性與可靠性，還有效降低了誤報與漏報的發生概率，為生產人員贏得了寶貴的時間窗口，以便他們能夠迅速進行故障排查與妥善處理，進而大幅增強了生產的安全性與效率。

未來研究將持續深化對抽油機井皮帶斷裂機理的探索，不斷優化并完善模型報警規則，以期進一步提升模型的精準度與可靠性。同時，還將積極拓展該方法的應用邊界，嘗試將其應用于抽油桿斷脫、注水管線破裂等其他類似異常工況的監控與報警中，從而全面擴大其應用范圍，為提升整體生產效率與安全性貢獻更多力量。

參考文獻

[1]鄒婕，李國榮，趙春雪，等.集輸生產預警分析系統研究與開發[J].信息系統工程，2022（12）：47-50.

[2]劉婷，郭寶靈，張建軍.復雜報警機制在石西油田中的應用[J].中國管理信息化，2022，25（04）：105-107.

[3]綦耀光，石臨嵩，高福光.淺談我國抽油機的類型及發展趨勢[J].鉆采工藝，1995（02）：46-49+61.

[4]張學魯，紀祥云，羅仁全.游梁式抽油機技術與應用[M].北京：石油工業出版社，2001.

作者單位：新疆油田公司數智技術公司

責任編輯：張津平 尚丹