基于物聯(lián)網(wǎng)的抽油機井系統(tǒng)效率實時計算技術研究

關成堯，檀朝東，田春華，曹書瑜，張立會，閆學峰

（1.中國石油大學（北京），北京昌平， 102249；2.北京雅丹石油技術開發(fā)有限公司；3.IBM（中國）研究院；4.中國石油青海油田公司）

隨著油田自動化技術和遠程實時采集數(shù)據(jù)技術的發(fā)展［1－5］，新的物聯(lián)網(wǎng)的技術理念也融入了油氣田的生產(chǎn)過程之中［6－8］。為了提高抽油機井系統(tǒng)效率及損耗監(jiān)測分析的實時性，需要研究應用基于物聯(lián)網(wǎng)技術的抽油機井系統(tǒng)效率及損耗構成的模型，為油田的節(jié)能降耗提供實時的數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)效率分析計算模型思路

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，目前可以實時高效地采集抽油機井的油壓、套壓、回壓、電參數(shù)、功圖、油溫等主要參數(shù)。動液面目前還沒有成熟的實時測試手段，仍要人工測試；產(chǎn)液量能夠做到實時計算［1－5］。這些實時測試的參數(shù)為系統(tǒng)效率的實時計算提供了數(shù)據(jù)支撐。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)把單井及邊遠站庫采集的數(shù)據(jù)采用無線傳感網(wǎng)、專網(wǎng)和公網(wǎng)無線技術（融合 WSN、Mcwill、WiMAX、WiFi、3G、GPRS、CDMA、衛(wèi)星等無線傳輸技術）組成無線異構網(wǎng)絡來進行數(shù)據(jù)傳輸；其余計量間、中轉站、聯(lián)合站等站庫和距站庫較近井場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及視頻信號通過有線網(wǎng)絡相連來傳輸，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸［7－8］。

和油井的系統(tǒng)效率相關的物聯(lián)網(wǎng)采集與傳輸內容主要包括如圖1的主要節(jié)點，地面電控柜節(jié)點主要采集三相電壓、三相電流、功率因數(shù)，很多電參數(shù)采集硬件直接算出了有功功率曲線、無功功率曲線、功率因數(shù)曲線。井口節(jié)點主要采集流量（產(chǎn)液量）、油壓、套壓、回壓等參數(shù)，應用多相流計算可以獲得泵排出壓力。環(huán)空壓力可以通過回聲儀獲得動液面或者應用毛管測壓獲得環(huán)空泵入口的壓力數(shù)據(jù)。

2 效率分析計算模型

2.1 主要參數(shù)的處理

2.1.1 電參數(shù)的處理

隨著物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術的進步，電參數(shù)可以采集電壓、電流、功率因數(shù)（曲線），以及據(jù)此可以獲得有功功率（曲線）、無功功率（曲線）。

（1）有功功率等曲線的處理。①判斷上下沖程線：根據(jù)數(shù)據(jù)采集中的時鐘統(tǒng)一，可以取得儀器儀表的時鐘統(tǒng)一。②有功功率：曲線必須需上沖程、下沖程分別求積分面積得正功面積A1、A2和負功面積A3、A4，這里的兩個負功面積A3、A4可能是不存在的。而據(jù)此計算的有功功率分別為PA1，PA2，PA3，PA4。

（2）負向發(fā)電功率的處理。負功面積A3、A4在實際應用中可以部分的回饋電網(wǎng)，部分被用電設備利用，一般認為大約有40%可以被利用，同時負向發(fā)電也會產(chǎn)生諧波污染，增加電網(wǎng)線路的損耗。實際的有功功率計算采用有功功率曲線積分法。

同時獲得了不同時間（位移）處的實時有功功率序列Pinwi和實時功率因數(shù)序列Pcosφi，i＝1～n，為功率曲線的測點數(shù)。

2.1.2 光桿功率

采集回的地面功圖進行面積積分即可獲得光桿功率Prod（kW）：

圖1 抽油機井實時計算模型的程序流程框

式中：Sr——地面功圖積分面積，橫坐標單位為m，縱坐標載荷的單位為kN。

2.1.3 泵功率

根據(jù)地下功圖面積折算，即

式中：Sp——泵功圖積分面積，單位同地面功圖。

泵功圖的求解方法采用地面功圖經(jīng)過求解波動方程獲得計算［2］，也可以采用標定液量收斂法獲得泵功率的計算與修正。

2.1.4 實際產(chǎn)液量Q（t／d）

實際的產(chǎn)液量可以采用 “示功圖”計算［1－5］，也可以采用流量計等抽樣計算。目前的“示功圖”計算油井產(chǎn)液量技術能夠反映油井的液量動態(tài)，適合作為適時的液量計量（計算）手段，泵效等的計算也依據(jù)此方法進行。

2.2 井筒多相流計算模型

混合液密度應用多相流方法［7］來計算，已知液量和含水、飽和壓力、氣油比，計算沿程的壓力梯度、持液率等數(shù)據(jù)，迭代到泵出口壓力，可以根據(jù)需要選擇多相流計算模型，如定向井應用Beggs－brill方法［8］。計算時需要重力壓差和摩阻壓差分別計算，分別求和，獲得摩阻壓差和總壓差。

首先根據(jù)泵深Hp設置迭代步長ΔH和迭代次數(shù)n，迭代i＝1～n。一般多相流計算模型中的壓降計算模型均包括摩阻壓差ΔP1i、重位壓差ΔP2i和加速壓差ΔP3i這3個部分。多相流方法的壓力梯度的計算迭代也存在摩阻壓差ΔP1i、重位壓差ΔP2i和加速壓差ΔP3i的計算，則可以計算出泵排出壓力Ppout（MPa）、全井筒的總的摩阻壓降 P1（MPa）、油管摩阻損失功率P1t（kW）、泵輸出功率Ppo（kW）等井筒流動參數(shù)。

沉沒壓力Ps（MPa）是影響抽油機井舉升的重要指標參數(shù)，對于液面測試的井，計算如下：

如果采用毛管測壓，Ps即為泵深處的毛管壓力；如果測試深度與下泵深度不同，則需要折算成泵深度。對于套管環(huán)空放氣井，環(huán)空中的壓力折算采用環(huán)空放氣多相流模型進行計算［9－11］。

2.3 電機效率計算

電機部分的損耗構成計算有兩種數(shù)據(jù)方法，一種是地面參數(shù)測試沒有功率因數(shù)cosφ數(shù)據(jù)的情況，可以應用電機額定功率Pe來估算；另一種是有實時功率因數(shù)cosφ的情況，應用實時功率因數(shù)cosφ來計算。

2.3.1 應用電機負載率計算電機效率

根據(jù)國內一般電機的特性曲線［2］，進行統(tǒng)計回歸分析，形成所代表的電機負載率與電機效率之間的關系。該方法具有一定的經(jīng)驗性，電機負載率定義為Fm（%），已知電機額定功率Pe，則有：

應用電機負載率Fm計算電機效率ηm分段計算式為：

根據(jù)地面有功功率曲線計算的實時有功功率序列Pinwi可分別計算出不同時間的負載率Fmi電機效率ηmi。

2.3.2 應用實時功率因數(shù) 計算電機效率

應用實時功率因數(shù)cosφ計算電機效率ηm分段計算式為：

根據(jù)地面功率因數(shù)曲線計算的實時功率因數(shù)序列cosφi可分別計算出不同時間的電機效率ηmi，采用式（16）計算得到，則電機損耗功率ΔPm：

對于井場電網(wǎng)動態(tài)無功補償技術［11］，由于補償后功率因數(shù)提高，計算的相關指標也相應的變化，達到節(jié)能的效果。

2.4 舉升指標計算

皮帶、四連桿加減速箱效率：

而地面系統(tǒng)效率為：

有效舉升高度 Hef（m）、有效功率Pef（kw）、抽油泵的機械效率ηp（%）、方液日耗電量Wdq（kW·h）、系統(tǒng)效率η（%）等指標計算如下：

抽油泵泵效率是指泵的機械效率，代表泵節(jié)點的能耗指標。和傳統(tǒng)的泵效不同，傳統(tǒng)泵效是指泵的實際排液量和理論排量的比值，泵效不代表泵節(jié)點的能耗指標。

3 應用

依據(jù)以上模型，采用物聯(lián)網(wǎng)采集、傳輸與處理系統(tǒng)，實時獲得系統(tǒng)效率與各個節(jié)點的損耗，構成分解計算數(shù)據(jù)，應用本模型編制的物聯(lián)網(wǎng)軟件在油田應用1200井次。雖然該方法具有一定的經(jīng)驗性，但是能夠達到實時獲得抽油機井舉升系統(tǒng)的能耗構成指標及動態(tài)，獲得抽油機井的實時系統(tǒng)損耗構成，為油田的節(jié)能降耗提供實時的數(shù)據(jù)支撐，也為油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術的應用提供了支撐。

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