抽油機(jī)智能空抽控制技術(shù)研究及應(yīng)用

王慶玉 趙海權(quán)

(吉林油田乾安采油廠 吉林乾安)

抽油機(jī)智能空抽控制技術(shù)研究及應(yīng)用

王慶玉 趙海權(quán)

(吉林油田乾安采油廠 吉林乾安)

隨著油田開采強(qiáng)度的增加,開采難度越來越大,加上注采比不合理、增產(chǎn)措施不當(dāng)、地層污染嚴(yán)重,出現(xiàn)了地層供液能力差現(xiàn)象,最終導(dǎo)致油井間歇性出油,如果不實(shí)施間抽將會(huì)使噸油耗電增加,同時(shí)還能夠加劇抽油桿、管、泵的磨損。合理的間抽制度比較難確定,并且人為影響因素較大,結(jié)合乾安油田地層出油狀況,研制了一種抽油機(jī)智能空抽控制器,在不影響正常產(chǎn)量情況下將開抽時(shí)間縮短,同時(shí)自動(dòng)間抽制度與人為計(jì)算間抽制度做對(duì)比,能夠有效指導(dǎo)人工間抽時(shí)間的確定,有效地提高了油井泵效,達(dá)到了節(jié)約能源的目的。

抽油機(jī);智能空抽控制器;節(jié)能降耗;間抽

0 引 言

由于地層供液能力的不足導(dǎo)致抽油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在空抽現(xiàn)象,加劇了桿管泵的偏磨,不合理工況導(dǎo)致產(chǎn)量不穩(wěn)、載荷無規(guī)律變化,同時(shí)增加了無效功率,降低了系統(tǒng)效率。針對(duì)這種問題目前已經(jīng)通過加深泵掛、調(diào)小地面參數(shù)、換小泵徑等措施共實(shí)施650口井,平均泵效由8.5%提升高28.5%,仍然有190口低產(chǎn)井在參數(shù)調(diào)整后仍然達(dá)不到合理的工況,之后又研制了時(shí)間定時(shí)控制器進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整開抽時(shí)間,應(yīng)用50口井,這種控制器通過時(shí)間計(jì)數(shù)來控制配電箱內(nèi)的交流接觸器,投入少但開抽時(shí)間固定,每次調(diào)整開抽時(shí)間需要人工調(diào)整,為此研制了新式智能空抽控制器[1],解決了抽油機(jī)井間抽制度難于確定、不便于執(zhí)行的缺點(diǎn),本文介紹了抽油機(jī)井間抽控制器的工作原理和應(yīng)用效果,為有效執(zhí)行抽油機(jī)井間抽制度、提高泵效、節(jié)約電量、延長機(jī)桿泵使用壽命提供了一條新的思路[2]。

1 設(shè)計(jì)思路

目前間抽制度確定主要依據(jù)功圖、液面、產(chǎn)量等判別,條件界限影響大、準(zhǔn)確性差,為使間抽更科學(xué)、更合理研制了新型抽油機(jī)空抽控制器,新型抽油機(jī)智能空抽控制器是通過高分辨率傳感器檢測電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)(動(dòng)力線電流、電壓、相位角、有用功率、無功功率、電機(jī)扭矩),并結(jié)合示功圖理論,根據(jù)抽油機(jī)的上下行電流變化準(zhǔn)確地描繪出抽油機(jī)的加、卸載過程,應(yīng)用最優(yōu)化控制理論,通過閉環(huán)數(shù)據(jù)信息反饋控制系統(tǒng)隊(duì)抽油機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測及反饋調(diào)節(jié),自動(dòng)為抽油機(jī)選擇最佳的工作方案,達(dá)到節(jié)能降耗的目的,真正實(shí)現(xiàn)油田區(qū)域性管理的科學(xué)化、智能化。

2 工作原理

抽油機(jī)在正常抽油時(shí)電流曲線會(huì)成規(guī)律性的變化,控制器就是找出這個(gè)規(guī)律來指導(dǎo)間抽,控制器能夠記錄99 999 h的數(shù)據(jù),存儲(chǔ)量大,記錄數(shù)據(jù)周期長,規(guī)律性更科學(xué),當(dāng)控制器確定穩(wěn)定的特征參數(shù)后就存儲(chǔ)這些特征參數(shù),確定間抽時(shí)間,當(dāng)出現(xiàn)新的更符合實(shí)際的特征參數(shù)后則替代原先的特征參數(shù),執(zhí)行新的間抽時(shí)間,因此控制器的間抽時(shí)間具有不確定性,用戶可以通過數(shù)據(jù)線導(dǎo)出所有數(shù)據(jù)查看某一天、某一段時(shí)間的油井工作情況[3]。

當(dāng)發(fā)生空抽時(shí),檢測的數(shù)據(jù)曲線與正常抽汲相比會(huì)發(fā)生很多變化,反應(yīng)在圖形上,主要表現(xiàn)為:下沖程時(shí),由于供液不好,因此桿柱帶動(dòng)電機(jī),電機(jī)只要用很小的能量就可將桿柱送入井底,下行程電機(jī)峰值電流和峰值功率變小,從而上、下行程中峰值電流和峰值功率差值也變小;實(shí)際平均電流和平均功率下降[4]。

2.1 智能空抽控制器工作流程

智能空抽控制器工作流程圖如圖1所示。

開機(jī)后系統(tǒng)自檢大約2 min后,開始報(bào)警,15 s后開抽并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、存儲(chǔ)。

圖1 智能空抽控制器工作流程圖

智能空抽控制器控制面板有三種檔位和顯示屏構(gòu)成,顯示屏顯示可以調(diào)出簡單的運(yùn)行參數(shù)如累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等參數(shù),詳細(xì)參數(shù)可以通過數(shù)據(jù)線連接電腦顯示各個(gè)時(shí)間段的運(yùn)行參數(shù)。

一檔智能間抽模式,抽油機(jī)智能空抽狀態(tài),此模式不需要人工進(jìn)行任何干預(yù),控制器根據(jù)采集的特征參數(shù)進(jìn)行分析、執(zhí)行間抽制度。

0檔關(guān)井停井模式,當(dāng)需要換盤根、皮帶、檢修等使用該檔,可以不改變控制器原來存儲(chǔ)的特征參數(shù)繼續(xù)執(zhí)行間抽,如果斷電那么控制器將重新檢測特征參數(shù)并與原來存儲(chǔ)的特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,重新制定間抽制度。

二檔連續(xù)工作模式,在洗井、修井、措施后產(chǎn)量較高需要取消間抽時(shí)用該檔,等產(chǎn)量穩(wěn)定后再使用自動(dòng)間抽模式。

特殊情況下需人工控制抽油機(jī)啟停特定的時(shí)間,可將手動(dòng)控制激活,可設(shè)定單次啟動(dòng)、停機(jī)時(shí)間。

2.2 智能空抽控制器軟件、硬件技術(shù)特點(diǎn)

2.2.1 軟 件

1)二級(jí)緩存

控制器為主運(yùn)算器增加了一個(gè)存儲(chǔ)器作為二級(jí)緩存,經(jīng)過主運(yùn)算器運(yùn)算的參數(shù)將先存入主運(yùn)算器的二級(jí)緩存中,經(jīng)過判斷比較后確定為穩(wěn)定的周期性參數(shù),才會(huì)存入主存儲(chǔ)器內(nèi)并修改原特征參數(shù)值,這就極大的提高了數(shù)據(jù)記錄及存儲(chǔ)的準(zhǔn)確程度,保障主存儲(chǔ)器中特征參數(shù)集內(nèi)的參數(shù)都是準(zhǔn)確反映抽油機(jī)運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)、真實(shí)數(shù)據(jù),大幅度提高了軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2)概率因素

控制器對(duì)空抽臨界點(diǎn)的判斷引入了概率條件滿足原則:

(1)當(dāng)綜合工況特征參數(shù)集9S=1(滿足空抽條件)時(shí),有T=T+1;

(2)當(dāng)綜合工況特征參數(shù)集9S=0(不滿足空抽條件)時(shí),有T=T-1,T≥0;

(3)僅當(dāng)T=100時(shí),抽油機(jī)工況滿足空抽概率條件,可以停抽。

空抽概率數(shù)T的引入極大地提高了停抽的準(zhǔn)確度,保障了停機(jī)時(shí)抽油機(jī)正處于穩(wěn)定的空抽狀態(tài)。

3)力學(xué)捕捉

控制器對(duì)抽油機(jī)卸載過程參數(shù)的重點(diǎn)捕捉和描述,極大地提高了對(duì)空抽現(xiàn)象判斷的準(zhǔn)確程度,使得對(duì)抽油機(jī)工作時(shí)間的掌握更加準(zhǔn)確,更加負(fù)荷地層產(chǎn)能情況。

4)自保護(hù)及報(bào)警功能

主要有:傳感器故障報(bào)警:保障傳感器觸點(diǎn)接觸良好并且接線正確;過載故障報(bào)警:防卡泵、缺相等過載過流工況發(fā)生;欠載故障報(bào)警:防桿斷、皮帶斷、缺相等欠載情況發(fā)生;報(bào)警的同時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī),保護(hù)抽油機(jī)、電機(jī)不受到異常情況的損害。

2.2.2 硬 件

1)控制器的主板及各微處理器、運(yùn)算放大器、存儲(chǔ)器、微型繼電器等核心零部件均為軍品級(jí)部件,溫度使用范圍-45℃～85℃范圍,完全滿足任何惡劣的油田工況。

2)控制器的CPU采油了INTEL最新一代的Xscale處理器——PXA272系列中的416 MHz處理器,內(nèi)存儲(chǔ)器容量為64 MB,因此控制器的多功能反映速度快,圖像處理功能強(qiáng)大。

3)微型穩(wěn)壓整流器,使得交流電源輸入范圍350 V～440 V可波動(dòng),適應(yīng)油田電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的實(shí)際情況,并且可以直接實(shí)時(shí)蒸餾為200 VAC直流穩(wěn)壓電源供控制器工作,大大提高了控制器工作穩(wěn)定性。

4)電流傳感器精度為500:1,電流波動(dòng)捕捉能力強(qiáng),監(jiān)測精度為9ΔI≤0.01%,相位角Δφ≤0.2,完全掌握電流運(yùn)行軌跡。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

3.1 智能空抽控制器應(yīng)用效果

目前應(yīng)用智能空抽控制器60套,平均單井每天開抽時(shí)間減少10 h,平均動(dòng)液面升高75 m,泵效由11.2%提高到21.1%,平均單井日耗電降低80°,每年減少偏磨修井7井次。安裝智能空抽控制器前后效果對(duì)比見表1。

表1 安裝智能空抽控制器前后效果對(duì)比表

3.2 人工間抽與智能間抽數(shù)據(jù)對(duì)比

同時(shí)對(duì)人工間抽與智能間抽進(jìn)行了對(duì)比,人工間抽根據(jù)泵理論排量計(jì)算,受地層的不穩(wěn)定因素影響較大,表2為乾北25-2井人工與智能間抽情況對(duì)比表。

表2 乾北25-2井人工與智能間抽對(duì)比表

乾北25-2井沖程3 m,沖次3.45次,人工間抽時(shí)每天開抽8 h,智能間抽通過累計(jì)運(yùn)行時(shí)間計(jì)算平均每天開抽5.5 h,間抽后產(chǎn)量更趨于穩(wěn)定,平均沉沒度升高45 m,充滿系數(shù)由0.12提高到0.34,泵效由34.3提高到55.2,系統(tǒng)效率由10.87提高到14.97,平均單井日節(jié)電14°。乾北25-2起抽后人工與智能間抽液面變化情況如圖2所示。

圖2 乾北25-2起抽后人工與智能間抽液面變化情況

乾北25-2智能控制器電流曲線如圖3所示。

從曲線圖上我們可以看出,智能空抽控制器采集的電流曲線具有明顯的規(guī)律性,每當(dāng)電流值出現(xiàn)減小的趨勢(shì)時(shí),意味著最大動(dòng)力負(fù)荷在降低,抽油機(jī)及時(shí)停機(jī)防止空抽。

圖3 乾北25-2智能控制器電流曲線

4 結(jié) 論

智能空抽控制器改變以往間抽制度確定主要依據(jù)功圖、液面、產(chǎn)量等判別的方式,根據(jù)抽油機(jī)的上下行電流變化準(zhǔn)確地描繪出抽油機(jī)的加、卸載過程,應(yīng)用最優(yōu)化控制理論,自動(dòng)為抽油機(jī)選擇最佳的工作方案,達(dá)到節(jié)能降耗的目的,真正實(shí)現(xiàn)油田區(qū)域性管理的科學(xué)化、智能化,提高油田尤其是低產(chǎn)區(qū)塊的綜合管理水平,真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的區(qū)塊科學(xué)管理,大大降低了工人的工作量,并提供完備的抽油機(jī)歷史運(yùn)行記錄資料,幫助掌握和分析抽油機(jī)最新的動(dòng)態(tài)運(yùn)行參數(shù),強(qiáng)化單井管理。

1)能夠保持中低產(chǎn)能油井合理的動(dòng)液面高度,防止空抽現(xiàn)象,通過合理控制抽油機(jī)的工作時(shí)間調(diào)節(jié)單井的抽汲能力并使之與油層滲流能力相匹配。

2)明顯的節(jié)電效果,降低單井耗電量30%～70%,減少不必要的機(jī)械耗損,維持了正常生產(chǎn)。

3)保障單井的原日產(chǎn)液量,部分單井增產(chǎn)1%～7%。保護(hù)油層,對(duì)單井尤其是低產(chǎn)井的穩(wěn)產(chǎn)具有重要輔助作用。延長單井壽命,提高最終采收率。

4)工況監(jiān)督,異常工況實(shí)時(shí)報(bào)警,保障安全生產(chǎn)。

5)延長低產(chǎn)井的桿管壽命,減少油井維護(hù)性工作量,降低開采成本。

[1] 關(guān) 寧.抽油機(jī)低效間抽井產(chǎn)液變化規(guī)律[J].油氣田地面工程,2006,25(2)

[2] 何貫中,于曉明,張立輝.抽油機(jī)井間抽控制器應(yīng)用情況及效果評(píng)價(jià)[J].油田節(jié)能,2005,16(3)

[3] 于小明,何貫中,金英蘭.抽油機(jī)井間抽制度合理性研究[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2006,25(4)

[4] 向瑜章,梁廣江.抽油井間抽控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用[J].石油鉆采工藝,2004,26(6)PI,2011,25(1):60～62

With the increased intensity of oil explo itation,mining becomes more and more difficult.Due to the unreasonable injection ratio,inappropriate stimulation,and serious formation pollution,it is hard to supply water for the attitude of stratum,which leads to intermittent oil wells.If you do not implement intermittent pumping tons of fuel consumption between the pumping power will increased,and meanwhile,the pumping rod,tube and pump may wear each other.Reasonable comparison between the pumping system is difficult to be determined,and the human factors are big.Combined with dry conditions out of the oil formation in Lean oilfield,an air pumping intelligent controller is developed.Without affecting the normal production,the time to pump is shortened,by comparing the automatical intermittent pumping time and human calculation,we may effectively determine the manual time.As a result,oil pump efficiency is increased and the energy consumption is reduced.

Key words:Rod Pump Well,Intelligent empty pumping controller,Reduce energy consumption,Intermittent pumping

The intelligent control technology and applications of rod pump well.

Wang Qingyu and Zhao Haiquan.

TE933+.1

B

1004-9134(2011)01-0060-03

王慶玉,男,1982年生,助理工程師,2004年畢業(yè)于吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院環(huán)境工程系,現(xiàn)在乾安采油廠工藝所從事機(jī)械采油工作。郵編:131400

2010-10-12編輯:高紅霞)