稠油井跟蹤控制技術(shù)研究與應用

李兵元 吳斌 李愷 王軍平 胡海平

[摘? ? 要] 稠油井普遍采用熱采開發(fā)方式，油井井況直接受溫度影響，油井多出現(xiàn)汽竄、抽油機光桿不同步等故障。稠油井跟蹤控制技術(shù)以油井最易獲取的溫度和電參數(shù)數(shù)據(jù)為控制依據(jù)，實現(xiàn)隨油井溫度和電參數(shù)變化改變油井生產(chǎn)制度，有效減少油井電機過載、油井高溫汽竄故障，提高油井整體管理效率。

[關(guān)鍵詞] 稠油井跟蹤控制;上行程功率;多速電機;油井溫度;抽汲速度

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 05. 030

[中圖分類號] F273? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）05- 0075- 04

1? ? ? 概? ? 述

新疆油田稠油油藏具有埋藏淺、地層溫度低、原油黏度大的特點，主要采用蒸汽吞吐方式開發(fā)，抽油機大部分采用三型和四型抽油機。在吞吐周期生產(chǎn)中油井溫度會不斷降低導致黏度上升，造成井內(nèi)原油液流流速變慢、進泵阻力大、入泵困難、抽油泵充滿系數(shù)降低，影響油井抽油時率和周期產(chǎn)油量。當前生產(chǎn)中油井主要問題有以下幾方面：

（1）油井在吞吐生產(chǎn)周期內(nèi)油井工況變化快且幅度大，當前油井數(shù)據(jù)獲取和抽油機沖次調(diào)整主要依靠現(xiàn)場人工巡井操作方式完成，嚴重滯后油井工況變化，導致抽油機沖次不能及時調(diào)整，抽油機適應不了井況的變化，整體抽油機機采效率偏低，產(chǎn)量低且電能浪費大。

（2）稠油井單井產(chǎn)量較低，主要依靠加密打井和新區(qū)塊開發(fā)方式維持和提高產(chǎn)能，油井數(shù)量越來越多，而現(xiàn)場管理人員數(shù)量不變，甚至呈現(xiàn)減少趨勢。

實現(xiàn)稠油井的跟蹤控制是符合當前稠油井生產(chǎn)的迫切需求。

2? ? ? 當前技術(shù)現(xiàn)狀

數(shù)字化抽油機技術(shù)[1]近十年以來發(fā)展迅速，傳感器技術(shù)水平日趨成熟，且成本也降低很多，無線儀表數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸多采用成熟的Zigbee通訊技術(shù)[2]，其具有低功耗、穩(wěn)定性好等特點。油井控制技術(shù)普遍采用以載荷功圖為依據(jù)控制方式，自動判斷油井抽油機的最佳運行沖次，再通過變頻驅(qū)動方式實現(xiàn)油井沖次自動調(diào)節(jié)[3]。而當前油井控制技術(shù)幾乎都是針對稀油井的井況判斷和調(diào)參，稠油井因其產(chǎn)量低、生產(chǎn)成本高的特點，稀油井的控制系統(tǒng)在稠油井上應用不具備經(jīng)濟性，且適應性差，因此當前稠油井油井生產(chǎn)控制基本全靠人工粗放式管理。

3? ? ? 新的控制理念

稠油井的自身特點和開發(fā)方式?jīng)Q定它和稀油井的不同。蒸汽吞吐開發(fā)方式[4]的特點是前期注完蒸汽后開井時，油井溫度高，產(chǎn)量高;隨時間推移，油井溫度逐漸降低，原油黏度隨之增加變化，到中后期原油流動性變差，油管內(nèi)桿柱運行阻力大，油井抽油機光桿很容易出現(xiàn)和抽油機驢頭上下不同步的狀況。

如圖1新疆油田某稠油區(qū)塊部分油井原油粘溫變化曲線，針對稠油井油井溫度對原油黏度起決定性影響，并結(jié)合當前稠油井普遍使用的多速電機，我們建立了以溫度為主的稠油井跟蹤控制方案，實現(xiàn)稠油井速度隨溫度變化進行調(diào)參控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

稠油井跟蹤控制系統(tǒng)以溫度作為稠油井控制依據(jù)，對比當前溫度值與溫度設定值，控制方式如下，如圖3為系統(tǒng)工藝流程圖。

如果 T

同時持續(xù)時間超過t>60秒，系統(tǒng)控制抽油機到低速運行;

如果? T1< T< T2（T2為設定溫度2），

同時持續(xù)時間超過 t>60秒，系統(tǒng)控制抽油機到中速運行;

如果 T2

同時持續(xù)時間超過 t>60秒，系統(tǒng)控制抽油機到高速運行;

如果? T>T停，

同時持續(xù)時間超過t>60秒，系統(tǒng)控制抽油機到停機;

該系統(tǒng)在現(xiàn)場通過運行后，取得了良好的運行效果，但發(fā)現(xiàn)有以下幾個問題：

（1）稠油井在吞吐開采中后期溫度降低以后，不一定會出現(xiàn)油稠難抽的井況，反而許多油井采出液高含水，需要抽油機快速抽汲。

（2）稠油井之間井距離小，注汽井經(jīng)常會影響到周邊生產(chǎn)井，出現(xiàn)油井高溫汽竄問題，抽油機抽汲速度快，反而會加速汽竄。

4? ? ? 方案優(yōu)化

針對稠油井跟蹤控制系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，通過對稠油井抽油機電參數(shù)數(shù)據(jù)和油井載荷數(shù)據(jù)的分析，抽油機四連桿機構(gòu)各部位消耗功率研究，實現(xiàn)通過電參數(shù)對油井載荷變化趨勢判斷，彌補單一靠溫度判斷的缺陷。

4.1? ?抽油機光桿懸點載荷分析

抽油機懸點載荷包括：靜載荷——抽油桿柱和液柱載荷、泵的沉沒壓力、井口油壓;動載荷——抽油桿柱和液柱的慣性載荷、振動和沖擊載荷、摩擦載荷等。

（1）抽油桿柱載荷

（3）上行程最大載荷

油井上行程載荷直接關(guān)系到油井原油黏度變化，當上行程載荷超過正常生產(chǎn)載荷一定幅度時，說明原油黏度已經(jīng)有了變化。忽略沉沒壓力、井口壓力、摩擦載荷和沖擊振動載荷。上沖程懸點所受的力主要有：

4.2? ?通過電機功率變化判斷油井載荷變化趨勢

抽油機是靠電機來驅(qū)動抽油機整個四連桿機構(gòu)運行，電機輸出功率P最終轉(zhuǎn)化為曲柄扭矩M，電機功率與曲柄軸扭矩關(guān)系為：

抽油機懸點載荷和平衡機構(gòu)造成的扭矩與電動機輸入給曲柄軸的扭矩M相平衡，因此我們可以通過功率P來判斷載荷變化的趨勢。

對比油井載荷曲線與電機電功圖曲線可以看到，在抽油機上沖程起始位置載荷突然升高至最大值，功率此時變化是逐步增加到最大點，如圖4中1和2位置。

因此從單獨一個點的位置上的功率去判斷載荷的變化，可靠性低。

原油黏度增加會導致整個上沖程過程光桿載荷大，消耗的電功率也大，因此我們采用上沖程電功圖曲線的功率平均值來判斷載荷變化對應關(guān)系。

通過油井井口溫度T和上沖程消耗功率平均值的變化幅度N來綜合判斷，當溫度T達到設定值，同時功率累加值變化幅度N 滿足條件時，切換抽油機至低一檔速運行;同時針對油井溫高情況，當油井溫度超過設定值時，降低電機速度，減少抽油機抽汲速度，減緩或避免汽竄事故發(fā)生。

5? ? ? 現(xiàn)場應用效果

2018年，在新疆油田重油公司采油作業(yè)二區(qū)進行了多口油井的應用，通過該技術(shù)的應用，與使用前對比：

（1）稠油井抽油機管理難度明顯降低，現(xiàn)場人員不用耗費大量精力去盯著注汽井周邊的生產(chǎn)井，稠油井跟蹤控制系統(tǒng)跟蹤油井溫度變化控制抽油機運行速度，現(xiàn)場沒有出現(xiàn)因為溫高井導致油井盤根密封故障，井口漏油事故消失，生產(chǎn)井正常持續(xù)不斷生產(chǎn)。案例1：980206井，當井口溫度持續(xù)高于設定值時，系統(tǒng)自動切換到中速運行，油井溫度緩慢降低，有效避免了高溫汽竄事故發(fā)生，且油井持續(xù)正常生產(chǎn)，如圖5所示。

（2）通過跟蹤溫度T變化和上沖程功率平均值的變化幅度N，油井在低溫時根據(jù)N的變化幅度，自動切換到低一檔速度，有效保證了抽油機平穩(wěn)運行，減少電機過載故障發(fā)生。案例2：980210井，采用三型抽油機，電機額定功率5.5kw，當井口溫度偏低（39℃ ，該區(qū)塊原油溫度低于46℃時，原油黏度會有較明顯增加），N變化幅度達到設定值時，系統(tǒng)控制抽油機自動降低沖次運行，減少電機過載、抽油桿運行與抽油機驢頭不同步的情況發(fā)生。

從圖6中可以看到調(diào)參后，上行程功率明顯降低，最大功率從6kw降到3.3kw;抽油機的平衡狀態(tài)得到很好改善。圖7為其數(shù)據(jù)查詢結(jié)果圖。

6? ? ? 結(jié)? ? 論

稠油井跟蹤控制技術(shù)緊密結(jié)合當前稠油井現(xiàn)狀，以解決生產(chǎn)實際需求為出發(fā)點，以最易獲取的電機電參數(shù)和油井溫度為調(diào)參依據(jù)，通過現(xiàn)場實施應用，能夠根據(jù)現(xiàn)場溫度變化自動控制稠油井抽油機速度，有效減少油井溫高導致的故障停產(chǎn)，減少電機過載保護故障，延長油井生產(chǎn)時間，大幅度降低現(xiàn)場人員管理強度。且該技術(shù)實施成本低、調(diào)參及時可靠，符合當前稠油井生產(chǎn)開發(fā)需要。在該技術(shù)后期應用中，我們還將持續(xù)不斷跟進應用中出現(xiàn)的問題，不斷優(yōu)化參數(shù)識別方案，使該技術(shù)具備更好的現(xiàn)場適應性。

主要參考文獻

[1]金鐘輝，鼓勇，費凡，等.數(shù)字化抽油機技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].石油機械，2014（12）：65-68.

[2]鄭輝.基于ZigBee技術(shù)的自動化儀表在油田中的應用[J].化工自動化及儀表，2018，45（5）：360-363.

[3]鄭飛，張會森，閆蘇斌，等.抽油機數(shù)字化控制技術(shù)[J].天然氣與石油，2012，30（6）：67-69.

[4]牟連剛，秦貴賓，張志明，等.熱采開發(fā)技術(shù)在稠油油藏中的應用[J].化學工程與裝備，2018（6）：35-36.