電泵井智能化采油工藝技術(shù)研究

甄浩 王瞾 薛小寶

摘要：為了探究電泵井智能化采油工藝技術(shù)的當(dāng)前運(yùn)用情況與下部發(fā)展契機(jī)。通過大量文獻(xiàn)的閱讀，對相關(guān)技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)性綜述，確立了電泵自身運(yùn)行參數(shù)微調(diào)優(yōu)化、生產(chǎn)工藝實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)優(yōu)化、大數(shù)據(jù)框架下的智能井技術(shù)三大熱門研究議題。然后根據(jù)筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)全景展示油田電泵-智能氣舉管柱工藝和潛油電泵井下多參數(shù)監(jiān)測工藝相關(guān)運(yùn)用情況，為同行提供建設(shè)性意見。

關(guān)鍵詞：油田;電潛泵;采油;監(jiān)測

中圖分類號TE93文獻(xiàn)識別碼A 文章編號：1001-5922（2019）07-0031-04

電潛泵采油工藝由來已久。在設(shè)備制造和現(xiàn)場運(yùn)用上較為成熟，但在大數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)達(dá)的今天。以智能化為發(fā)展構(gòu)想的數(shù)字化油田將是石油工業(yè)騰飛的契機(jī)，當(dāng)前在采油工藝革新上往往的基于井下工具和配套管柱的結(jié)構(gòu)性優(yōu)化，不能規(guī)避“傻、大、粗”的傳統(tǒng)石油工業(yè)壁壘。而運(yùn)用高科技現(xiàn)代化的儀表自動化技術(shù)能全面引入大數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)處理的優(yōu)勢，全面實(shí)現(xiàn)智能化采油工藝技術(shù)良性發(fā)展。本文基于筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，以電泵井智能化采油工藝技術(shù)為研究議題，展開相關(guān)探討，為同行提供建設(shè)性意見。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

電潛泵在石油開發(fā)領(lǐng)域運(yùn)用較廣，常部署于產(chǎn)液量較高的單井。該設(shè)備的工作原理為常規(guī)多級離心泵經(jīng)過特殊處理后在耐腐蝕和耐高溫方面得到顯著提升。并允許有一定工作間隙以適應(yīng)地層產(chǎn)氣、出砂、結(jié)蠟以及高粘度流體多項(xiàng)流輸送。動力配給方面運(yùn)用防爆電纜在鎧裝保護(hù)下通過井筒連接至地面進(jìn)行井下電機(jī)供電。并最終通過多級離心泵進(jìn)行油氣的定量舉升。在塔里木油田等高產(chǎn)區(qū)該種采油工藝運(yùn)用較為廣泛，運(yùn)行方式上，由于變頻技術(shù)的廣泛運(yùn)用，節(jié)能效果顯著。但是當(dāng)前的控制還是以較為單一而穩(wěn)定的開環(huán)為主。開環(huán)通俗來說即為輸人參數(shù)與輸出參數(shù)關(guān)聯(lián)性弱或者毫無關(guān)聯(lián)性，相應(yīng)數(shù)據(jù)不聯(lián)通、無反饋。所以相應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行為設(shè)計(jì)設(shè)定的固定值，不能根據(jù)當(dāng)前情況和動態(tài)工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整。在生產(chǎn)井需要調(diào)整后，只能通過上作業(yè)的方式進(jìn)行人工起泵并更換油嘴或者運(yùn)用頻率調(diào)整的方式進(jìn)行產(chǎn)液量的調(diào)節(jié)。在時(shí)間成本和人工成本上較高，綜合可操作性繁瑣。而地層出液量及其介質(zhì)綜合性質(zhì)往往成動態(tài)變化趨勢，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控并根據(jù)當(dāng)前功率及其泵體出液量動態(tài)調(diào)節(jié)，以達(dá)到最大化優(yōu)化生產(chǎn)工藝的前提下提供機(jī)泵使用壽命。而運(yùn)用自動化儀表執(zhí)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋式的閉環(huán)式調(diào)節(jié)，能在數(shù)據(jù)鏈共享的前提下運(yùn)用相關(guān)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化和產(chǎn)量預(yù)測，有憑有據(jù)的通過輸入得到輸出，改善相應(yīng)生產(chǎn)形勢，提供系統(tǒng)運(yùn)行效率。同時(shí)閉環(huán)控制還能進(jìn)行不同智能化硬件設(shè)備和軟件設(shè)備的添加，使得調(diào)整時(shí)效性得到提高，全面實(shí)現(xiàn)自動控制。平衡產(chǎn)液量與供液量等多項(xiàng)參數(shù)，在保證設(shè)備完好率的同時(shí)延長設(shè)備壽命。以下將通過電泵自身運(yùn)行參數(shù)微調(diào)優(yōu)化、生產(chǎn)工藝實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)優(yōu)化和大數(shù)據(jù)框架下的智能井技術(shù)三方面綜合介紹電泵井智能化采油技術(shù)現(xiàn)狀。為后續(xù)研究做理論支撐。

1.1電泵自身運(yùn)行參數(shù)微調(diào)優(yōu)化

上文已經(jīng)提及，通過人工啟下泵并更換不同規(guī)格的油嘴和通過調(diào)整電機(jī)頻率能進(jìn)行機(jī)泵運(yùn)行參數(shù)的微調(diào)。但是在簡單實(shí)用的前提下需要考慮作業(yè)成本和誤工率的影響。同時(shí)人工更換的油嘴會因?yàn)樵徒Y(jié)蠟導(dǎo)致流油孔面積減小而誘發(fā)流道柱塞，最終在歷史時(shí)間推移下相應(yīng)的電潛泵運(yùn)行參數(shù)會發(fā)生變化而導(dǎo)致調(diào)整失效。所以該種工序的有效性較小。而通過調(diào)整工作頻率的方式由于受到動力設(shè)備的影響往往調(diào)節(jié)域度較小，只能進(jìn)行檔位式切換調(diào)整，精確性有限。

相關(guān)理論研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的變頻調(diào)節(jié)沒有一套數(shù)學(xué)理論進(jìn)行有效支撐，只能近似的認(rèn)為變頻頻率和排量成線性關(guān)系，但后續(xù)的變化會因?yàn)榈貙拥某錾啊r石物性、地層能量和油嘴節(jié)流性質(zhì)等多重因素制約影響。必須系統(tǒng)分析相關(guān)因素的互為關(guān)聯(lián)性，將其視為一個(gè)灰色系統(tǒng)。全面進(jìn)行數(shù)學(xué)建模式的預(yù)測分析。

1.2生產(chǎn)工藝實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)優(yōu)化

當(dāng)前運(yùn)用大數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)學(xué)算法的軟/硬件結(jié)合式的油氣田自動化調(diào)節(jié)技術(shù)已經(jīng)研發(fā)、試運(yùn)和量化投產(chǎn)。但是如何進(jìn)行自控儀表的升級和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸并充分分析利用相關(guān)數(shù)據(jù)對于石油工程領(lǐng)域來說還尚屬起步。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研，國外早在2001年Schlumberger公司就通過AAL項(xiàng)目進(jìn)行了美國本土控制中心遠(yuǎn)程遙控印尼油氣田工況，并基于當(dāng)前不同參數(shù)進(jìn)行算法分析與專家會診。最終確定調(diào)控方案并通過控制中心指令式調(diào)節(jié)達(dá)到油氣田生產(chǎn)形式優(yōu)化。在國內(nèi)當(dāng)前各大油田和高校都開展有數(shù)字化油田項(xiàng)目，其中地質(zhì)工程一體化已經(jīng)做的相當(dāng)成熟。而基于更先進(jìn)的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)調(diào)控更是得到原創(chuàng)性飛躍。但是相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)因?yàn)楦鞣N不同意外因素而導(dǎo)致進(jìn)展緩慢。

1.3大數(shù)據(jù)框架下的智能井技術(shù)

智能井的構(gòu)想由來已久，但是不同的技術(shù)階段和現(xiàn)場需求框架下的定義有所不同。當(dāng)前最新的智能井定義已經(jīng)從單一的單井優(yōu)化上升到井網(wǎng)和油組的網(wǎng)格化分析，在實(shí)時(shí)注采管理網(wǎng)絡(luò)幫助下運(yùn)用多功能井下傳感器矩陣進(jìn)行電纜傳輸式的動態(tài)多變量大數(shù)據(jù)獲取、傳輸與分析。綜合判定井下設(shè)備及其油層出力情況，為后續(xù)的計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)建模與信息共享奠定基礎(chǔ)。充分利用信息反饋機(jī)制科學(xué)提高工區(qū)產(chǎn)量。

從智能井運(yùn)用范疇來講主要可以分為實(shí)時(shí)監(jiān)測和動態(tài)控制兩個(gè)模塊化概念。顧名思義，運(yùn)用實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺能有效獲取相關(guān)的有用可測物理量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲與分析。而井下高溫、高壓的復(fù)雜環(huán)境會對信息的采集和傳輸帶來較大干擾，所以基于可靠性儀表設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸方式的研究需要跟進(jìn)。當(dāng)前現(xiàn)場數(shù)據(jù)的主要傳輸媒介為電纜或光纖，而井下也運(yùn)用多種傳感器進(jìn)行不同工況下的工作，通常為電子傳感器能有效測量油層中流體的相關(guān)參數(shù)，光纖的傳輸精度能達(dá)到最高。動態(tài)控制模塊主要核心為井下生產(chǎn)控制系統(tǒng)，現(xiàn)場的機(jī)械部件動作主要依靠電纜和水力傳感兩種操作方式進(jìn)行井下封隔器、節(jié)流閥和控制分支井筒相應(yīng)密封開關(guān)的靈活動作。做好相應(yīng)調(diào)整后地面數(shù)據(jù)中心就會收到相應(yīng)的反饋和成效分析，方便技術(shù)人員下步連續(xù)性調(diào)整。

根據(jù)當(dāng)前已經(jīng)運(yùn)用的智能井系統(tǒng)可以看出井下作業(yè)成本有效降低。所以采取以修井干預(yù)保護(hù)原則的智能井控制運(yùn)用是當(dāng)前該領(lǐng)域運(yùn)用的主要目的，能產(chǎn)生大約20%的成本節(jié)余。但是繼續(xù)開發(fā)基于地質(zhì)層面的多重智能井調(diào)控技術(shù)經(jīng)濟(jì)利益潛能巨大。

2 油田電泵-智能氣舉管柱工藝

油田由于采油氣面積有限，所以大規(guī)模運(yùn)用電潛泵進(jìn)行開采，其中在智能化氣舉上運(yùn)用了電泵-智能氣舉管柱工藝。該工藝主要涵蓋電潛泵、液流換向閥、智能氣舉閥等相關(guān)硬件設(shè)備。其中在電潛泵端進(jìn)行了液流換向閥的加裝，并在管柱上部設(shè)置有智能氣舉閥和相應(yīng)檢測設(shè)備。運(yùn)用該種管柱進(jìn)行協(xié)調(diào)生產(chǎn)時(shí)可以綜合運(yùn)用地層氣和注入氣實(shí)現(xiàn)能量平衡式的舉升開采。而智能化的氣舉閥能根據(jù)當(dāng)前溫度、壓力和流量進(jìn)行進(jìn)氣量的擬合式精確調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)預(yù)測式標(biāo)定，實(shí)時(shí)判斷相應(yīng)固定部件好壞情況。該種工藝不需要使用額外電能，工藝流程簡單可靠，適應(yīng)能力廣。當(dāng)前主要研究為耦合舉升計(jì)算軟件功能性和精確性的提升。確保井下泵體工況和相應(yīng)延伸性參數(shù)準(zhǔn)確無誤。同時(shí)如何通過電潛泵控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)和氣嘴開度調(diào)控也是當(dāng)前研究的主要議題。多重可測物理量的匹配性分析與調(diào)節(jié)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)化和能耗最小化的前提優(yōu)勢。通過計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制能在舉升效率的同時(shí)確保綜合解決油氣同采時(shí)的機(jī)泵負(fù)荷過大導(dǎo)致的設(shè)備壽命短等問題。

以下為該種工藝工作原理：通過圖1氣舉耦合舉升管柱圖可以看出該管柱設(shè)計(jì)能充分利用氣舉優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)電潛泵能耗動態(tài)調(diào)控，以完成井下液的采出。該工藝設(shè)計(jì)為油層與氣層由生產(chǎn)滑套控制，如若地層壓力充足則打開油層相應(yīng)裝置，關(guān)閉氣層生產(chǎn)滑套，產(chǎn)出氣通過油套環(huán)空頂開智能氣舉閥并以一定流量進(jìn)入油管內(nèi)部，運(yùn)用動能將產(chǎn)出液驅(qū)替至地面。如若地層壓力不足，相關(guān)傳感器進(jìn)行相關(guān)物理量收集核算后指揮電潛泵開始工作完成余能補(bǔ)充。最終達(dá)到井液舉升開采的目的。

下面是主動地面注氣進(jìn)行氣舉開采的舉升管柱圖2所示。同樣生產(chǎn)滑套起到了分層開采的目的，在此不同的是，通過地面管柱的加壓觸發(fā)封隔器開啟注氣閥。地面高動能氣體通過電纜封隔器引入到相關(guān)位置并最終觸發(fā)管柱內(nèi)部壓力體系變化完成液柱的舉升工作。同樣井下配備了一定規(guī)格的電潛泵，以起到綜合保障的目的。

綜上所述，該種基于電潛泵和簡單井下管柱的智能化采油工藝能充分運(yùn)用地下天然氣能量，完成單井全生命周期的開采工作。通常新井能量充足，直接運(yùn)用自噴方式生產(chǎn)能達(dá)到較好效果。但隨著開發(fā)的深入，地層能量驟降，通過相關(guān)儀器儀表進(jìn)行測定后遠(yuǎn)程控制打字井下智能設(shè)備-氣舉閥，通過相應(yīng)的氣舉方式繼續(xù)進(jìn)行開采，同時(shí)在開采過程中還能基于開采程度和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行氣舉閥開度的調(diào)節(jié)以達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)量的目的。進(jìn)一步隨著地層能量下降開始啟動電潛泵采取氣舉+電泵耦合舉升的復(fù)合式開發(fā)方式進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行，直到地下能量的完全消耗殆盡。這時(shí)地面的相關(guān)注氣設(shè)施開始啟動進(jìn)行能量補(bǔ)充，完成上一階段的重復(fù)性開采。通過現(xiàn)場運(yùn)用發(fā)現(xiàn)，該種工藝設(shè)計(jì)能全面延長電潛泵等動設(shè)備壽命，在開發(fā)效率最佳的前提下達(dá)到經(jīng)濟(jì)效率最優(yōu)。在人力資源和時(shí)間成本上占有巨大優(yōu)勢。

3 潛油電泵井下多參數(shù)監(jiān)測工藝

智能化采油的基礎(chǔ)即為數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸。在此潛油電泵井下多參數(shù)監(jiān)測設(shè)備結(jié)合了機(jī)械端與傳輸端，在一體化構(gòu)想制造下完成相應(yīng)可測物理量的全時(shí)段不間斷采集、傳輸與處理。該設(shè)備制造精度較高能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的多重井下情況，能有效監(jiān)控機(jī)泵的電機(jī)溫度、人口/出口壓力、機(jī)械振動、電機(jī)功率等直接參數(shù)。地面相關(guān)人員根據(jù)這些工作參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的分析并最終制定切實(shí)有效的電潛泵采油工作運(yùn)行頻次，綜合幫助生產(chǎn)。潛油電泵井下監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)簡單主要由上下接頭、測試內(nèi)筒、外筒、濾波裝置（變頻消壓器）、測試杯（放置功能電路）幾大元件組成如圖3所示。細(xì)節(jié)上上接頭連接在井下電機(jī)底部，下接頭用來連接擴(kuò)展的其他附屬裝置如扶正器等。

相關(guān)一體化測試設(shè)備選擇至電潛泵下端。供電直接聯(lián)人電潛泵動力端共享，并配備由地面引入的三相星點(diǎn)等勢備用電源，相關(guān)信號獲取后通過電信號轉(zhuǎn)換運(yùn)用電流環(huán)閉合回路的原理依托三相鎧裝電纜的金屬鎧皮進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。實(shí)現(xiàn)相關(guān)部件最省前提下的多重功能充分運(yùn)用。為保證數(shù)據(jù)精確性便于計(jì)算機(jī)分析，在此設(shè)置有濾波裝置充分規(guī)避電潛泵供電端三相異步電機(jī)變頻運(yùn)行過程中產(chǎn)生的共模電壓與高次諧波影響。

地面控制系統(tǒng)主要由人工星點(diǎn)（三相電抗器）、地面濾波器、數(shù)據(jù)采集處理單元等核心部件組成。其中人工星點(diǎn)具有較強(qiáng)的作用，該種裝置主要為人為設(shè)定的一種三相電抗器裝置。工作運(yùn)行過程中相關(guān)元器件能與潛液泵電機(jī)端的三相繞組協(xié)同構(gòu)成物理上的三相星點(diǎn)等勢位，從而達(dá)到運(yùn)行過程中的參數(shù)化均衡。而相關(guān)的地面濾波器能最大限度的預(yù)防電機(jī)星點(diǎn)端生產(chǎn)的共模電壓式額外干擾，充分保障數(shù)據(jù)精確性。數(shù)據(jù)采集模塊主要運(yùn)用了MCU微控制器和相應(yīng)軟構(gòu)件系統(tǒng)保障運(yùn)行的容錯(cuò)性。充分?jǐn)M合不同階段井下傳輸而來的電流信號，并最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字量化數(shù)據(jù)。而最新配備的無線模塊能充分保障電纜斷裂后數(shù)據(jù)不丟失，確保大數(shù)據(jù)庫的完善。

4 結(jié)論

綜上所述，電泵井智能化采油工藝需要井下管柱的科學(xué)設(shè)計(jì)與多參數(shù)穩(wěn)定采集監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在“信息”與“指揮”上達(dá)到協(xié)調(diào)性統(tǒng)一。全面保證采油工藝系統(tǒng)的完善性與高效性。其中以智能氣舉管柱工藝為例的敘述中限于篇幅考慮沒有展示相關(guān)運(yùn)用成果性參數(shù)。但相關(guān)元器件原理高效可行，下步應(yīng)基于材料力學(xué)和流體力學(xué)的發(fā)展進(jìn)行進(jìn)一步基礎(chǔ)研究。全面優(yōu)化相關(guān)井下工具可靠性。在多參數(shù)監(jiān)測工藝介紹中系統(tǒng)展示了當(dāng)前井下監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、工作方式與懸掛位置。下步將在信號抗干擾和數(shù)據(jù)處理上進(jìn)行深入研究。為地質(zhì)工程一體化的油氣田開采在立新功。