水平井故障診斷技術(shù)研究與應(yīng)用

羅改芬，高榮華，馬贊，黃貴花 ，馬煥煥

（1.延長油田股份有限公司勘探開發(fā)技術(shù)研究中心，陜西 延安 716000； 2.延長油田股份有限公司七里村采油廠，陜西 延安 717100）

傳統(tǒng)巡檢需要對(duì)抽油設(shè)備進(jìn)行人工定時(shí)、定點(diǎn)巡視，靠眼睛、耳朵的感官去發(fā)現(xiàn)運(yùn)行設(shè)備的異常，但巡檢的工作量、巡檢線路的長度與地理環(huán)境和氣候的變化都有很大的關(guān)系，不僅周期長、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，設(shè)備故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)更是無從談起，一個(gè)月測(cè)試一次示功圖根本不能反映井下抽油泵運(yùn)行狀況。針對(duì)上述問題，油田信息化建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生，它是伴隨計(jì)算機(jī)在石油工業(yè)中應(yīng)用而發(fā)展的，它是從剛開始的地震勘探，到后來的電子示功儀、計(jì)量站轉(zhuǎn)油站建設(shè)，直到現(xiàn)在油田進(jìn)入數(shù)字化階段，該階段實(shí)現(xiàn)了油井和站點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制、自動(dòng)預(yù)警和自動(dòng)診斷。數(shù)字化抽油機(jī)控制柜、抽油機(jī)節(jié)能控制器、無人值守站和DMS 系統(tǒng)等技術(shù)，是油田現(xiàn)代化發(fā)展所必需的，對(duì)于水平井井況監(jiān)測(cè)與控制也是亟需的。本技術(shù)將物聯(lián)網(wǎng)與油田生產(chǎn)工藝融合，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集的油井示功圖為主要依據(jù)，遠(yuǎn)程控制抽油機(jī)的工作制度，達(dá)到全面實(shí)現(xiàn)油田地面生產(chǎn)過程的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程優(yōu)化的目的[1]。

1 技術(shù)研究思路

為實(shí)現(xiàn)快速油田機(jī)采參數(shù)優(yōu)化、故障診斷以及智能檢測(cè)等目標(biāo)，首先需了解水平井當(dāng)前生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀和現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)通信條件，再結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)行技術(shù)方案的設(shè)計(jì)，對(duì)比相關(guān)方案，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)潛在問題并加以完善，試驗(yàn)成功后再進(jìn)行最終的推廣應(yīng)用。

利用當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將井場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)（如示功儀、電壓、電流等）傳到主控室[2]，在主控室中完成現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的接收、分析、計(jì)算，并將分析結(jié)果發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使抽油機(jī)按照最佳的經(jīng)濟(jì)參數(shù)運(yùn)行。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和采油大隊(duì)管理模式，基于系統(tǒng)安全考慮，采用智能終端與智能分析系統(tǒng)相結(jié)合方法來實(shí)現(xiàn)水平井井況檢測(cè)和最優(yōu)控制，如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

首先基于現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備，完成功圖和電參數(shù)據(jù)采集，采集完成后進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)分析和異常數(shù)據(jù)處理，檢測(cè)調(diào)節(jié)裝置當(dāng)前狀態(tài)；同時(shí)將采集數(shù)據(jù)通過GPRS 上傳至服務(wù)器端，在服務(wù)器端進(jìn)行產(chǎn)液量、油井故障和泵效分析，同時(shí)結(jié)合歷史參數(shù)，分析最優(yōu)生產(chǎn)參數(shù)，并將指令下發(fā)給水平井控制器。最后依據(jù)下發(fā)的最佳指令，確定最終生產(chǎn)指令，并控制變頻器實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)，完成調(diào)節(jié)后，進(jìn)行生產(chǎn)狀態(tài)評(píng)價(jià)，為下一次調(diào)節(jié)做好準(zhǔn)備。

2 井況監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)數(shù)字化油田向智能化井場(chǎng)發(fā)展的關(guān)鍵，其核心是通過示功圖與電流圖實(shí)現(xiàn)油井工況異常診斷、抽油機(jī)故障監(jiān)控及油井的產(chǎn)液準(zhǔn)確計(jì)量，在抽油機(jī)上、下沖程的同一個(gè)周期內(nèi)同步采集示功圖、電流與電功率數(shù)據(jù)。

1）通過功圖傳感器，可以連續(xù)測(cè)量抽油機(jī)一個(gè)周期內(nèi)光桿拉力與位移數(shù)據(jù)，并最終形成一個(gè)封閉的圖形，通過這個(gè)圖形來反映油井的狀況。其安裝在光桿上，所測(cè)量功圖數(shù)據(jù)通過4～20 mA 信號(hào)上傳到井口RTU。

2）電參數(shù)測(cè)量模塊由信號(hào)取樣電路、邏輯電路及其他元器件測(cè)量單元結(jié)構(gòu)共同組成。由芯片完成三相電參數(shù)的測(cè)量以及以數(shù)字方式校正系統(tǒng)誤差（增益、相位和失調(diào)等）所必須的信號(hào)處理并對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)一步加工處理。軟件主要的功能是完成測(cè)量數(shù)據(jù)的處理；同時(shí)，利用外部通信接口傳輸采集的數(shù)據(jù)，響應(yīng)外部設(shè)備的各種查詢，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)設(shè)置操作。

3）在抽油機(jī)上、下沖程同一個(gè)周期內(nèi)分別采集示功圖、電流與電功率數(shù)據(jù)，由同步處理單元定時(shí)喚醒休眠狀態(tài)的示功圖采集單元，電參單元接收到同步處理單元下發(fā)的同步采集信號(hào)，開始采集電參數(shù)據(jù)，直到同步處理單元下發(fā)同步停止信號(hào)，示功圖單元上傳示功圖數(shù)據(jù)完畢，下發(fā)電參單元上傳信號(hào)，待電流圖、功率圖數(shù)據(jù)上傳完畢，對(duì)示功圖、電流圖、功率圖進(jìn)行同步算法處理，最后將圖形數(shù)據(jù)上傳至油井智能 RTU。

3 最優(yōu)控制技術(shù)研究

提高抽油系統(tǒng)效率主要集中在以下兩個(gè)方面：一是提高設(shè)備的效率，即提高抽油機(jī)設(shè)備的利用率并保證在較低的能耗水平下，提高油井的產(chǎn)量；二是，優(yōu)化抽油機(jī)的抽汲參數(shù)，使抽汲參數(shù)與油井的供液能力相匹配，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化生產(chǎn)。當(dāng)在采油設(shè)備生產(chǎn)性能和下泵深度已經(jīng)確定情況下，抽汲參數(shù)中決定抽油系統(tǒng)效率的因素主要有沖程、沖次、泵徑。

在油田的實(shí)際生產(chǎn)中沖次是調(diào)節(jié)產(chǎn)量和提高效率實(shí)現(xiàn)節(jié)能高產(chǎn)的最快捷途徑，隨著變頻技術(shù)的應(yīng)用，沖次調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)自動(dòng)調(diào)節(jié)。依據(jù)泵的充滿度以及當(dāng)前產(chǎn)量需求調(diào)節(jié)沖次是目前采用較為廣泛的技術(shù)之一，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水平井井況實(shí)時(shí)檢測(cè)。系統(tǒng)會(huì)對(duì)所采集的水平井?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析，依據(jù)油井生產(chǎn)規(guī)律，提出參數(shù)調(diào)節(jié)指標(biāo)，利用智能控制裝置[3]，調(diào)節(jié)水平井的生產(chǎn)參數(shù)，從而提高水平井的生產(chǎn)效率，達(dá)到最優(yōu)控制。同時(shí)通過自動(dòng)調(diào)參設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用，豐富了延長油田油井調(diào)參技術(shù)手段，降低了油井作業(yè)成本，在確保油井供排協(xié)調(diào)的前提，達(dá)到節(jié)能降耗、降本增效的效果。

4 應(yīng)用情況

在延長油田志丹采油廠選取10 口井試驗(yàn)，抽油機(jī)井平均沖次由每分鐘5.15 次降至4.2 次，下降了18.45%，在未使用該技術(shù)情況下，平均噸液耗電量13.292 kW·h，平均功率因數(shù)0.368；在使用該技術(shù)的情況下，平均噸液耗電量10.540 kW·h，平均功率因數(shù)0.851，噸液平均節(jié)電率為17.27%。依據(jù)油井目前實(shí)際產(chǎn)液能力，將現(xiàn)有過剩的抽油機(jī)的工作沖次與油井工況進(jìn)行匹配下調(diào)，把以往多余消耗的電力輸出節(jié)約下來，同時(shí)把以往高頻次的機(jī)件載荷造成的系統(tǒng)磨損成倍降低，使油井在生產(chǎn)過程中的成本與損耗處于最低狀態(tài)，節(jié)約電力消耗和不必要的機(jī)械磨損[4]，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。