抽油機(jī)載荷隨動(dòng)控制系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

張少雷，劉凱輝，劉奇峰，艾波

(1. 河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北任丘062552； 2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834000)

多年以來，油氣開發(fā)生產(chǎn)過程中游梁式抽油機(jī)以其皮實(shí)耐用的特點(diǎn)一直受到油田生產(chǎn)單位的青睞。隨著變頻技術(shù)的不斷普及及應(yīng)用，抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)也逐漸采用了變頻的方式[1]，隨之實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)速的目的。但是，隨著油井開采的進(jìn)行，井下供液能力在不斷發(fā)生變化，很多油氣井出現(xiàn)了供液不足現(xiàn)象，井下采油泵充滿度不斷降低，嚴(yán)重影響了油田生產(chǎn)單位的采收效率，增加了開采成本[2]。

傳統(tǒng)的變頻調(diào)速方式是整體改變抽油機(jī)的運(yùn)行沖次，這樣雖然能在一定時(shí)間內(nèi)提高泵的充滿度，但排采效率也會(huì)隨之降低。另外，當(dāng)井下出現(xiàn)供液不足情況，抽油機(jī)下沖程時(shí)，抽油桿會(huì)受到強(qiáng)烈的反作用力，使抽油桿的彎曲度增加，降低了采油泵的有效沖程，增加了斷桿的概率。抽油桿沖擊現(xiàn)象如圖1所示。

針對(duì)上述問題，研究開發(fā)了一種抽油機(jī)載荷隨動(dòng)控制方案，它能實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)抽油機(jī)的運(yùn)行載荷，實(shí)時(shí)地調(diào)整抽油機(jī)1個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)行速度，避免了抽油機(jī)的最大載荷沖擊，降低了抽油桿的彎曲度，提高了最大有效沖程，增加了抽油機(jī)的使用壽命和產(chǎn)液量[3]。抽油機(jī)載荷隨動(dòng)控制是一種結(jié)合游梁式抽油機(jī)采油工況的智能型變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)，它將速度控制與采油工藝相結(jié)合，將傳統(tǒng)的變頻調(diào)速控制技術(shù)更加深入細(xì)化，根據(jù)實(shí)時(shí)功圖進(jìn)行載荷隨動(dòng)控制，達(dá)到了降低抽油機(jī)沖擊載荷、提高泵的最大有效沖程、提高充滿度和降低機(jī)械疲勞損耗的目的。

圖1 抽油桿沖擊現(xiàn)象示意

1 抽油機(jī)載荷隨動(dòng)控制系統(tǒng)研究

抽油機(jī)載荷隨動(dòng)控制是依據(jù)抽油機(jī)地面功圖的匯總分析而自動(dòng)生成的單周期無級(jí)變速控制技術(shù)，將抽油機(jī)運(yùn)行載荷曲線按照上、下沖程的方式平鋪展開，多張功圖重疊分析，采用一階滯后濾波算法減少數(shù)據(jù)采集的波動(dòng)，借鑒大數(shù)據(jù)分析理論降低突發(fā)事件概率，形成最終的單周期變速策略，通過單周期速度匹配模型進(jìn)行變速控制。

通常供液不足的油氣井會(huì)在地面功圖上有明顯的識(shí)別特點(diǎn)，該類功圖與理論功圖相比，在右下角有明顯的缺失，供液不足油氣井示功圖如圖2所示。

圖2 供液不足示功圖曲線示意

根據(jù)示功圖數(shù)據(jù)，將示功圖的載荷數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上展開，形成抽油機(jī)1個(gè)周期內(nèi)的載荷變化曲線，單周期載荷曲線如圖3所示。利用大數(shù)據(jù)分析理論，將多次采集的數(shù)據(jù)連續(xù)展開連接，形成多周期的載荷變化曲線，多周期載荷變化曲線如圖4所示。

圖3 單周期載荷曲線

圖4 多周期載荷變化曲線

得到抽油機(jī)多周期載荷曲線后，需要對(duì)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行載荷核算與分析，尋找載荷變化與抽油機(jī)懸點(diǎn)位移和井下泵的工作周期之間的關(guān)系，利用抽油機(jī)沖次速度變化，直接影響井下泵的抽汲狀態(tài)，減小供液不足井的液面撞擊力度。

抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷分為靜載荷和動(dòng)載荷。影響靜載荷的因素有抽油桿柱的重力、液柱載荷、泵的沉沒壓力和井口壓力，影響動(dòng)載荷的因素有抽油桿柱和液柱的慣性載荷、震動(dòng)和沖擊載荷、摩擦載荷等[4]。

1.1 抽油機(jī)桿柱載荷

上沖程時(shí)，抽油機(jī)桿柱在空氣中的重力Gr：

Gr=ArLρsg=GrL

(1)

(2)

父親感嘆：“真后悔沒有早點(diǎn)種樹，要是從你讀大學(xué)那年開始，現(xiàn)在又是另一番景象了。”我搖頭：“老爸，你的心思我不懂……”

(3)

式中：b——抽油桿在液體中的失重系數(shù)，b=(ρs-ρl)/ρs。

1.2 液柱載荷

抽油機(jī)只在上沖程時(shí)液柱載荷才會(huì)作用于驢頭懸點(diǎn)處，因此上沖程液柱載荷：

Wl=(AP-Ar)Lρmlg

(4)

式中：AP——活塞截面積，m2；ρml——油水混合液密度，kg/m3。

1.3 慣性載荷

慣性載荷既與抽油桿柱和液柱的質(zhì)量有關(guān)，還與懸點(diǎn)處的加速度成正比，并且隨著抽油機(jī)運(yùn)行的不同角度而呈現(xiàn)周期性變化[5]，加速度對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響見表1所列。

表1 加速度對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響

續(xù)表1

1.4 摩擦載荷

抽油機(jī)在運(yùn)行過程中，作用在懸點(diǎn)處的摩擦載荷主要有以下幾種：

1)活塞與襯套之間的摩擦力，它的大小與活塞和襯套間的配合及泵徑的大小有關(guān)，直井中可以忽略。

2)抽油桿與油管之間的摩擦力，直井可以忽略。

3)液柱與油管之間的摩擦力，大小取決于液體流速和液體黏度。

5)液體通過游動(dòng)閥的摩擦力，大小取決于游動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)、液體流速和液體黏度。

抽油機(jī)在上沖程時(shí)主要受到1)，2)，3)項(xiàng)的影響，下沖程時(shí)受到1)，2)，4)，5)的影響。

1.5 其他載荷

抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷還受到振動(dòng)載荷、沉沒壓力和井口壓力的影響[6]。由于交變載荷中慣性載荷和液柱載荷的交替變化，引起了抽油桿的振動(dòng)，從而產(chǎn)生了振動(dòng)載荷。沉沒壓力會(huì)使懸點(diǎn)載荷減輕，井口壓力會(huì)使懸點(diǎn)載荷增重，兩者作用相反，會(huì)部分抵消產(chǎn)生的影響，因此在計(jì)算中可以忽略不計(jì)。

1.6 最大最小載荷計(jì)算

1)懸點(diǎn)最大載荷：

(5)

式中：S——沖程，m；n——曲柄轉(zhuǎn)速，r/s。

2)懸點(diǎn)最小載荷：

(6)

式中：R——曲柄回轉(zhuǎn)半徑，m；Lu——連桿長(zhǎng)度，m。

1.7 建立載荷隨動(dòng)調(diào)速機(jī)制

載荷隨動(dòng)調(diào)速是跟隨懸點(diǎn)載荷的變化和懸點(diǎn)位移的主要位置情況進(jìn)行針對(duì)性的變速調(diào)整[7]。當(dāng)載荷在上沖程和下沖程的理論最大最小時(shí)，對(duì)比實(shí)際位置載荷進(jìn)行井底情況的預(yù)處理和判斷，判斷當(dāng)前井下采油泵的工作情況和位置，通過速度變換影響固定凡爾和游動(dòng)凡爾的開合情況，盡最大限度地使泵桶內(nèi)充滿液體，并提前預(yù)知碰撞位置，提前降速，進(jìn)行緩沖。

懸點(diǎn)位移曲線是抽油機(jī)運(yùn)行位置的唯一參考標(biāo)準(zhǔn)，是載荷隨動(dòng)控制的基礎(chǔ)，如何正確地采集位移數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)有效是控制的先決條件。由于載荷隨動(dòng)控制將改變游梁式抽油機(jī)四連桿結(jié)構(gòu)的物理運(yùn)行函數(shù)，使得懸點(diǎn)處的加速度發(fā)生變形，常規(guī)的無線示功儀采集的示功圖和位移參數(shù)已經(jīng)不再準(zhǔn)確，所以在實(shí)際中使用傳感器進(jìn)行懸點(diǎn)位移的測(cè)定，并采用一階滯后濾波算法對(duì)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理[8]，濾波算法如下：

d=(1-a)dc+adl

(7)

式中：d——本次位移值，m；a——濾波系數(shù)，取0～1；dc——本次采集位移值，m；dl——上一次位移值,m。

由于控制精度問題，將通用的144個(gè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)提升為200個(gè)點(diǎn)，在實(shí)際載荷和理論載荷達(dá)到最大之前進(jìn)行降速，速度根據(jù)載荷大小進(jìn)行對(duì)比控制。抽油機(jī)卸載后進(jìn)行大幅度提速控制，加快下泵桶排空，提升抽汲效率。整個(gè)周期的速度控制是按照位移數(shù)值進(jìn)行精確位置對(duì)應(yīng)控制的，控制曲線由載荷曲線周期形態(tài)決定，控制點(diǎn)由實(shí)際載荷和理論載荷最大最小值決定，利用速度變化的反向加速度改善整個(gè)抽汲桿柱的受力情況，降低抽油桿彎曲度，增大有效沖程，提高充滿度。

2 載荷隨動(dòng)控制系統(tǒng)集成

載荷隨動(dòng)控制系統(tǒng)主要由游梁式抽油機(jī)、載荷傳感器、角位移傳感器、變頻電機(jī)、控制柜組成，載荷傳感器和角位移傳感器負(fù)責(zé)采集抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷和運(yùn)行位移，控制系統(tǒng)中的RTU進(jìn)行載荷隨動(dòng)變速控制程序運(yùn)算，控制柜內(nèi)變頻器驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，載荷隨動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 載荷隨動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3 應(yīng)用案例

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行和系統(tǒng)控制參數(shù)調(diào)整，最終在某油田第二采油廠進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試用驗(yàn)證。載荷隨動(dòng)變速控制采用類似人工提撈的仿生提液技術(shù)[9]，有效增大了泵的充滿度，提高了泵的排采效率，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目的。試驗(yàn)表明，載荷隨動(dòng)變速控制尤其適用于泵效較低的井和稠油井。

1)有效改善功圖形態(tài)。載荷隨動(dòng)變速控制有效改善了功圖形態(tài)，使功圖更加飽滿，載荷隨動(dòng)變速控制功圖如圖6所示。

圖6 載荷隨動(dòng)變速控制功圖對(duì)比示意

2)有效降低沖擊載荷。載荷隨動(dòng)變速控制技術(shù)有效降低了抽油機(jī)排采過程中的沖擊載荷，載荷隨動(dòng)沖擊載荷與工頻載荷對(duì)比見表2所列。

表2 載荷隨動(dòng)沖擊載荷與工頻載荷對(duì)比

3)有效提高泵效。載荷隨動(dòng)變速控制可智能識(shí)別上、下沖程，合理地安排抽油機(jī)運(yùn)行速度，采用類似人工提撈的仿生提液技術(shù)，有效增大了泵的充滿度，提高了泵效，載荷隨動(dòng)充滿度對(duì)比見表3所列。

表3 載荷隨動(dòng)充滿度工頻充滿度對(duì)比

4 結(jié)束語

1)載荷隨動(dòng)變速控制使得整個(gè)沖程過程可根據(jù)井況進(jìn)行不定數(shù)量的分階段變速運(yùn)行，懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度始終根據(jù)井底情況不斷地進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，在沖擊點(diǎn)來臨之前提前進(jìn)行變速驅(qū)動(dòng)控制，使整個(gè)抽采機(jī)械體有效避免了最大沖擊。

2)經(jīng)過試驗(yàn)證明，該控制方案更加適用于沖次低、供液不足的井，并對(duì)平衡度變化頻繁、低產(chǎn)、平均運(yùn)行電流較大、電流跳動(dòng)較大的井有明顯改善作用。

3)載荷隨動(dòng)變速控制的成功研制，為抽油機(jī)精細(xì)化控制提出了一個(gè)新的方向，它將控制手段應(yīng)用于抽油機(jī)的單周期控制內(nèi)。該技術(shù)是自動(dòng)化控制方法與采油工藝相結(jié)合的成果，充分挖掘了電氣控制在采油工藝上的應(yīng)用，為用戶實(shí)現(xiàn)智能化和數(shù)字化油氣田管理，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)能降耗有明顯的積極作用。