“四化預警平臺”在油水井安全管理中的應用

劉 凱，孫 凱，封永利

(中國石化勝利石油管理局有限公司現(xiàn)河采油廠，山東東營 257000)

將“四化預警平臺”應用于油水井安全管理是現(xiàn)河采油廠圍繞油水井安全管理實施的一項有力舉措。傳統(tǒng)的油水井管理，主要通過人工巡檢、錄取相關資料，然后進行分析，存在工作效率低、勞動強度大、采集上報周期長、信息量不全等問題，在操作中往往由于各種原因易發(fā)生人員傷亡事故。通過應用四化預警平臺，改變以往現(xiàn)場管理人員被動發(fā)現(xiàn)問題，甚至受到傷害的情況，通過海量數(shù)據(jù)實時自動采集，網絡傳輸，實時把握生產全過程細微變化，在發(fā)生安全問題前，采取有效措施控制風險，使安全管理工作更精細、更精準。

1 “四化預警平臺”的重要意義

1.1 傳統(tǒng)的油水井管理模式不適應當前安全生產形勢需求

油水井管理是一項難度系數(shù)較大的工作，涉及面比較廣泛，尤其是安全風險方面會面臨較多問題。從縱向看，安全問題貫穿在整個油水井生產過程中；從橫向看，安全問題也在管理制度、實施狀況和管理人員等方面均有牽扯，尤其是油水井異常工況下安全風險更高。采取有效措施避免安全問題的出現(xiàn)，并且將風險系數(shù)最大程度減小，是油水井安全管理必須完成的任務。

1.1.1有桿泵井井桿斷裂存在的安全風險

有桿泵井在生產過程中，抽油桿柱在井筒內往復運行，受到不對稱循環(huán)載荷和井液腐蝕的作用，當達到一定周期時，往往會突然發(fā)生斷裂，此時驢頭處負荷突然變小，桿柱運行速度突然發(fā)生變化，如果現(xiàn)場人員正在井口附近實施壓緊盤根、井口保溫等操作，極易發(fā)生傷人事故。

1.1.2電泵異常停井存在的安全風險

潛油電泵舉升作為油田中后期提液穩(wěn)產的主要采油方式，在采油廠占有一定比例。潛油電泵井地面配套有專用控制柜，為潛油電泵機組提供交流電源，實現(xiàn)潛油電泵啟動或停機操作?？刂乒袷且环N高壓設備，正常工作電壓在1 000 V左右[1]。電泵井生產過程中由于過載、欠載、短路等原因發(fā)生停井時，管理人員需要現(xiàn)場鑒定檢查具體停井原因，此項操作具有較大的危險性。

1.1.3注水井套漏存在的安全風險

現(xiàn)河采油廠油田開發(fā)已進入高含水期，隨著注水開發(fā)的進行，地層的流體場和應力場發(fā)生了很大的變化，加之頻繁的注水井增注、修井作業(yè)以及完井固井質量、套管材質與腐蝕等諸多因素的影響，注水井套管狀況變得越來越差。套損注水井生產過程中，注入水將無法到達目的層，嚴重時甚至會返于地表，造成環(huán)境污染及安全隱患。

1.2 四化系統(tǒng)為安全管理奠定了基礎

近年來，油田全面推動“四化”建設工作。采油廠積極組織開展建設工作，目前管理區(qū)已全部實現(xiàn)“四化”，完成了信息化提升改造，實現(xiàn)了對油氣生產現(xiàn)場全過程采集監(jiān)控。以功圖為例，改造前功圖測試每月一次，通過機采參數(shù)判斷油井工況是否正常；“四化”改造后，通過載荷傳感器+位移傳感器(角位移或上下死點開關)30 min/次，根據(jù)實際需求可加密錄取，實現(xiàn)工況異常實時報警。油氣生產全過程的實時監(jiān)控，提供了海量的實時數(shù)據(jù)，為工況分析提供了有力支撐。技術人員通過建立組合預警模型，與單井管理措施相結合，創(chuàng)新實現(xiàn)油水井的日常管理由預警報警模式向診斷治理模式轉變，為安全管理奠定了堅實基礎。

2 “四化預警平臺”探索建立

2.1 抽油機井桿柱應力預警模型的建立

2.1.1最大折算應力計算

桿斷的實質為折算應力大于許用應力，而折算應力主要影響因素有兩點：①工況不合理、油井結蠟、回壓過高等因素，增大生產載荷，進而折算應力變大，在高應力狀態(tài)下生產發(fā)生桿斷；②受腐蝕、偏磨因素影響，抽油桿橫截面減小，相應折算應力變大，直至超應力生產造成桿斷。在交變載荷下，折算應力過大容易發(fā)生桿斷，見圖1。

圖1 交變應力疲勞壽命室內試驗

根據(jù)應力校核-奧金格公式[2]，在非對稱循環(huán)載荷下的抽油桿應力計算方程為：

(1)

式中：Pmax——懸點最大載荷,kN；

Pmix——懸點最小載荷,kN；

fr——抽油桿橫截面積,m2。

2.1.2預警模型建立

設置超應力預警模型，即應用四化大數(shù)據(jù)平臺，實時提取抽油桿最大載荷、最小載荷，應用最大折算應力公式計算實時最大折算應力。目前現(xiàn)河采油廠已全部應用H 級抽油桿(鎳鉬鋼)，新桿的最大許用應力100 MPa。考慮到現(xiàn)場實際應用的多為修復桿，在設定閾值時結合《現(xiàn)河采油廠管桿管理辦法》，根據(jù)抽油桿使用頻次將修復桿分為一到四級，同時結合每口井的腐蝕、偏磨、井筒等情況，設定各自的許用應力極限閾值，實現(xiàn)“一井一值”。同時考慮抽油桿在低于極限值時仍存在桿斷風險，因此設置三級預警機制，根據(jù)折算應力超過極限閾值的程度進行不同等級的預警(見表1)。采油管理人員根據(jù)預警級別，采取相應治理措施(如調參、熱洗清蠟等)，及時降低抽油桿應力，預防桿斷發(fā)生。

表1 三級預警機制

2.2潛油電泵多參數(shù)預警平臺的建立

技術人員利用自主研發(fā)的改進型保護中心和無線傳輸技術，實現(xiàn)潛油電泵電流的自動采集、傳輸和數(shù)據(jù)分析，并建立了多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，對采集的數(shù)據(jù)進行及時的分析處理，并采取治理措施，從而保證電泵井穩(wěn)定生產，有效預防躺井的發(fā)生。

“多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)”包括自主改進的保護中心、GPRS通訊模塊和數(shù)據(jù)處理軟件，實現(xiàn)三相電壓、三相電流、功率因數(shù)、耗電量等多項電參數(shù)的連續(xù)采集、無線傳輸和大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)監(jiān)控。同時開發(fā)了電泵井多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件，對傳輸?shù)椒掌鞯臄?shù)據(jù)進行處理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件有6大模塊，分別是實時監(jiān)控模塊、單井綜合模塊、異常查詢模塊、啟停數(shù)據(jù)模塊、多參數(shù)日報模塊和報警信息模塊，對采集到的數(shù)據(jù)進行整合分析、分類存儲，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)監(jiān)控的同時，便于對歷史數(shù)據(jù)進行分析梳理，同時實現(xiàn)異常監(jiān)控報警，及時有效預防躺井。

2.3 注水井套漏預警平臺的建立

為及時發(fā)現(xiàn)套漏井，自主研發(fā)了注水井動態(tài)預警管理系統(tǒng)(見圖2)，確定注水量、注水壓力、檢管周期等關鍵指標的標準閾值，做到對每一口注水井24 h全過程實時監(jiān)控，實現(xiàn)了套管漏失問題的預警，改變了過去注水井問題發(fā)現(xiàn)不及時、治理不及時的粗放做法。

套管漏失預警，以日注量、油壓作為預警指標。以末次作業(yè)開井后，穩(wěn)定注水條件下的平均日注量、平均油壓作為預警標準，日注量大于標準日注50%的情況為水量異常；油壓小于標準油壓40%的情況為壓力異常。水量異常與壓力異常都顯示該井存在套管漏失的可能。

圖2 異常井預警頁面

3 “四化預警平臺”應用

3.1 抽油機井桿柱應力預警模型應用

根據(jù)模型，對單井建立應力預警模型。如河39-側平1井，該井為H級新抽油桿(鎳鉬鋼)，應力極限閾值定為100 MPa，以此為標準建立三級預警模型，對其桿斷前的應力情況進行推演(見圖3)，結果顯示該井成功預警，其中二級預警4次，三級預警2次。

圖3 河39-側平1井預警推演結果

技術人員在前期試驗基礎上，在有桿泵井全面推廣應用模型。根據(jù)預警情況，現(xiàn)場管理人員提前采取措施，通過降低沖次、熱洗等工作降低桿斷風險，更降低了現(xiàn)場管理人員操作風險，將隱患消除在萌芽階段，避免隱患擴大化[3]。目前采油廠年桿斷躺井約190 井次，通過該模型預警并成功實施治理后，預計年預防桿斷躺井40 井次，按檢泵費用16 萬元/口計算，年節(jié)省檢泵作業(yè)費用共計640 萬元。

3.2 潛油電泵多參數(shù)預警平臺應用

平臺建立后，將電泵躺井治理重心前移，由被動應對躺井轉變?yōu)橹鲃宇A防躺井，目前應用效果良好。典型井例：河51-斜130井過載停，預警模型報警后，管理區(qū)掌握第一手現(xiàn)場資料，制定了治理方案，采用105 m3電泵液進行洗井，成功開機(見圖4)。避免了一次躺井，節(jié)約作業(yè)材料費用近35萬元，更減少占產時間及日油損失，為適應低油價提供了有力支撐。

圖4 河51-斜130井電流異常數(shù)據(jù)及報警流程展示

通過推廣該系統(tǒng)，一是信息無線傳輸，解放了人工；使用多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，極大縮短停井的發(fā)現(xiàn)時間，大大提高工作效率；同時無需人員現(xiàn)場判斷，大幅降低了操作風險。二是利用大數(shù)據(jù)，及時準確分析處理數(shù)據(jù)，為降低單井能耗提供數(shù)據(jù)支撐；多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)能顯示每口井的有功功率、功率因數(shù)和耗電量等參數(shù)，為機泵優(yōu)化提供了依據(jù)；通過電量對比分析，開展機泵優(yōu)化，降低電泵單井耗電。三是異常報警，及時處理現(xiàn)場異常情況，有效減少電泵躺井。截至目前已實施異常井處理成功19井次，節(jié)約作業(yè)費用、材料費等380萬元，產生了較好的經濟及社會效益。

3.3 注水井套漏預警平臺應用

通過應用套漏預警平臺，發(fā)現(xiàn)水量異常，即預警當天日注與標準日注對比，大于標準日注50%，存在水量大幅上升情況的井，共50口。通過逐井分析、比對、整理，對50口水量異常井細化分類，其中存在水量上升、壓力下降，高度疑似套漏井26口，占52%；水量上升、壓力升高，一般疑似套漏井共9口，占18%；調配非套漏因素15口。具體見表2。

表2 水量異常井分類統(tǒng)計

針對水量、壓力異常存在套漏問題的井，現(xiàn)場開展高度疑似套漏井治理19口，水量、壓力異常井由57口下降至38口。分別采取貼堵、卡封等措施，治理后恢復有效注水468 m3/d，累增注水9 542 m3。如河74-斜更10井，2016年2月25日壓力異常預警，油壓由26 MPa降至12 MPa。4月23日上午，封隔器找漏發(fā)現(xiàn)1 682.27～1 690.22 m存在漏失。2016年5月實施貼堵治理，現(xiàn)場一次性貼堵成功。開作后增加有效注水24 m3/d，油壓從12 MPa提升至21 MPa，有效期達到176 d。目前河74-側斜9日油增加0.7 t/d，已增油66 t。同時通過應用該預警，實現(xiàn)套損井的及時發(fā)現(xiàn)，避免長期無效注水，更大幅降低了安全環(huán)保風險。

4 結論

a) 有桿泵井桿斷應力預警轉變了傳統(tǒng)管理模式，實現(xiàn)了桿斷的提前預防，提高了有桿泵井管理水平，更降低了現(xiàn)場管理人員操作風險。

b) 潛油電泵井多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)電泵井停機信息的實時顯示，現(xiàn)場管理人員可根據(jù)報警信息制定相應措施，實現(xiàn)了高精細管理。

c) 注水井套漏預警平臺可以實現(xiàn)套漏井的提前預警，現(xiàn)場管理人員提前及時關停，防止注水過量造成地面返漿等事件。

d) 通過應用“四化”預警平臺，在提高勞動生產率和運行效率的同時，把安全隱患和風險降到最低，進一步減輕員工的勞動強度，改善了員工的工作環(huán)境，讓員工更安全地工作。