試論應(yīng)用電流變化判斷抽油井異常工況

馮建山

摘 ?要：電流曲線診斷泵況方法是利用電機(jī)的電流、輸入功率、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、抽油機(jī)減速箱扭矩及懸點(diǎn)載荷之間的數(shù)學(xué)系實(shí)現(xiàn)同位移下電流與載荷之間轉(zhuǎn)換，從而擬合載荷—位移示功圖。通過查閱資料與調(diào)研分析，建立電流與載荷關(guān)系數(shù)學(xué)模型。主要借助于間歇采油智能控制系統(tǒng)與角位移傳感器配合來完成，數(shù)據(jù)采集完成后存儲在遠(yuǎn)程服務(wù)器上，通過登錄客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史查詢，并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)、圖形導(dǎo)出。從采集的電流曲線圖形上無法對泵況進(jìn)行對比與分析，必須將電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為載荷數(shù)據(jù)，更加直觀地診斷泵況。

關(guān)鍵詞：有桿泵抽油系統(tǒng);電流圖變化;抽油井;異常工況;機(jī)采效率

采油井的日常維護(hù)保養(yǎng)在油田的生產(chǎn)中占有重要地位，而電流圖是抽油井每天錄取的資料之一，具有可延續(xù)性和及時(shí)性的特點(diǎn)，可比性強(qiáng)，因此電流圖是觀察油井動態(tài)變化的重要參數(shù)之一。通過對抽油機(jī)工作原理的描述，進(jìn)而簡化抽油機(jī)四連桿運(yùn)動，在此基礎(chǔ)上通過數(shù)學(xué)模型的演練，建立電流變化和抽油機(jī)運(yùn)動的簡化數(shù)學(xué)模型，探討基于電流圖變化判斷抽油井井下異常工況的可行性，及時(shí)推斷出油井的工作狀況，提高油井機(jī)采效率。

1游梁式抽油機(jī)采油原理

有桿泵采油技術(shù)是目前最為常見的一種人工舉升機(jī)械采油方式。有桿泵抽油系統(tǒng)主要分為以下三個(gè)部分：一是地面設(shè)備即抽油機(jī)，它由主機(jī)和附機(jī)兩大部分組成，主機(jī)部分包括游梁、連桿、曲柄機(jī)構(gòu)，底座，減速箱，平衡塊，橫梁，支架，驢頭，懸繩器，剎車等組成。附機(jī)部分包括電機(jī)以及電源控制柜等組成;二是井筒中的抽油泵（包括固定閥、泵筒等），位于井內(nèi)油管的最下端;三是中間部分抽油桿及活塞（包括游動閥），它把地面抽油機(jī)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的動力傳給井下活塞做往復(fù)運(yùn)動，這三部分構(gòu)成了有桿泵抽油系統(tǒng)。游梁式抽油機(jī)的原理是通過電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動皮帶，輸送能量至變速箱，而后經(jīng)過變速箱輸出軸帶動曲柄做低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而使得連桿帶動油梁上下運(yùn)動，使得游梁前面的驢頭也隨之上下擺動，最終帶動抽油桿及活塞做上下運(yùn)動，將井下液體提至地面。

2 電流法間接示功圖測量的基本原理

電流法間接測量示功圖系統(tǒng)的研發(fā)主要基于以下基本原理：（l）游梁式抽油機(jī)是以曲柄、連桿和游梁前、后臂組成的四連桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)簡化為簡諧運(yùn)動時(shí)，懸點(diǎn)運(yùn)動規(guī)律僅與抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)，與其他參數(shù)無關(guān)。因此可以通過計(jì)算得出不同曲柄轉(zhuǎn)角時(shí)抽油機(jī)光桿位移數(shù)據(jù)。（2）以曲柄平衡抽油機(jī)為例，當(dāng)電動機(jī)帶動抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在上沖程懸點(diǎn)承受桿柱和液柱載荷，電動機(jī)和平衡塊共同作功，完成提液過程。下沖程抽油桿在其自重作用下，克服浮力下行，平衡塊儲存多余的能量。由能量守恒原理可得：電機(jī)瞬時(shí)輸出功率=抽油機(jī)光桿瞬時(shí)功率+抽油機(jī)機(jī)械部分瞬時(shí)功率十抽油機(jī)機(jī)械部分的損耗。而對于一口井固定的一套抽油裝置參數(shù)而言，抽油機(jī)機(jī)械部分瞬時(shí)功率與抽油機(jī)機(jī)械部分的損耗基本不變。因而，電機(jī)的輸出功率就隨著抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷而變化，即隨著抽油機(jī)光桿載荷變化而變化。這樣，使得用電機(jī)電流求光桿載荷成為可能。（3）建立電流與光桿載荷關(guān)系，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測到的電流數(shù)據(jù)，通過編制程序進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算與處理，繪制出示功圖。通過上述分析可知，電流法間接示功圖測量方法在原理上是可行的，從油田抽油機(jī)井有效管理角度來講也是必要的，因此，該論文對電流法間接示功圖測量方法進(jìn)行詳細(xì)研究，以便能隨時(shí)通過電流數(shù)據(jù)繪制示功圖，為抽油機(jī)井的有效管理提供有效的技術(shù)依據(jù)和措施。

3 常規(guī)抽油機(jī)電流光桿位移數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)能量守恒原理，在抽油機(jī)工作的整個(gè)過程中能量在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量保持不變。因此，抽油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)光桿在某一時(shí)刻運(yùn)動至某一位置時(shí)，機(jī)械部分的瞬時(shí)功率與損耗是一定的，將其統(tǒng)稱為功率消耗，即在這一時(shí)期內(nèi)功率消耗是不變的。簡單來說，電機(jī)的瞬時(shí)輸出功率為機(jī)械部分瞬時(shí)功率、損耗和光桿的瞬時(shí)功率三者之和。為簡化計(jì)算，將機(jī)械部分的瞬時(shí)功率與機(jī)械部分的損耗之和統(tǒng)稱為功率消耗。

下面從光桿位移、電機(jī)輸出功率、光桿功率及抽油機(jī)部分瞬時(shí)功率與抽油機(jī)部分損耗之和出發(fā)，建立抽油機(jī)電流、光桿載荷、位移之間的關(guān)系。

4 抽油機(jī)工作電流與光桿瞬間載荷數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)

5 結(jié)論

通過對抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下電流與載荷數(shù)學(xué)關(guān)系建立，可以得知，抽油機(jī)電流的變化可以反映光桿載荷的變化。對式（3）-（6）簡化，可以得出以下結(jié)論，在對應(yīng)時(shí)間、對應(yīng)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)角上，電壓、功率因數(shù)、額定功率、電機(jī)效率是一定的，光桿載荷fg（t）與電流I（t）呈一定的非線性函數(shù)關(guān)系，簡單來說，電流與光桿載荷呈二次函數(shù)的非線性關(guān)系。因此，從理論上來說，可以通過電流變化的時(shí)間關(guān)系圖來判斷抽油機(jī)光桿載荷的變化，進(jìn)而判斷抽油機(jī)及井下桿柱的異常情況，總之，通過電流圖來診斷井下桿柱的異常情況從理論上說是可行的。

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