基于電參示功圖技術(shù)的抽油機(jī)井智能優(yōu)化運(yùn)行

徐廣天 徐天竺 谷瑀（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

某油田已進(jìn)入特高含水開(kāi)發(fā)階段，通過(guò)加大節(jié)能管理和技術(shù)措施的實(shí)施，各項(xiàng)指標(biāo)得已控制，取得了一定的效果。但仍存在年耗電量增高、參數(shù)不合理井仍呈上升趨勢(shì)，造成電能浪費(fèi)、機(jī)采設(shè)備無(wú)功磨損。針對(duì)上述問(wèn)題，基于前期人工手動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行機(jī)理分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定連續(xù)運(yùn)行井優(yōu)化思路，依托電參數(shù)轉(zhuǎn)示功圖成果結(jié)合單井智能控制技術(shù)，制定優(yōu)化運(yùn)行控制模式，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)具有優(yōu)化潛力的抽油機(jī)井實(shí)施智能優(yōu)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化全覆蓋。

1 技術(shù)原理

1.1 電參示功圖及其計(jì)產(chǎn)原理

電參采集處理模塊與數(shù)字定位模塊高精度采集抽油機(jī)井運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算電動(dòng)機(jī)輸出功率沿曲柄旋轉(zhuǎn)一周的分布，結(jié)合抽油機(jī)井位置因數(shù)和扭矩因數(shù)，進(jìn)而得到相應(yīng)的電參示功圖[1]。

電參示功圖計(jì)算產(chǎn)液量原理[2]見(jiàn)圖1。根據(jù)公式可知，在泵徑一定的情況下，電參示功圖產(chǎn)液量與沖次、有效進(jìn)液沖程的乘積成正比：

圖1 計(jì)算產(chǎn)液量原理

式中：Q為單井電參功圖產(chǎn)液量，m3/d；D為抽油泵活塞直徑，mm；L1為有效進(jìn)液沖程，m；n為沖次，次/min；K為考慮各種因素導(dǎo)致的沖程損失的計(jì)產(chǎn)系數(shù)，取值0.86。

1.2 電參示功圖充滿度計(jì)算原理

1.2.1 有桿泵動(dòng)態(tài)充滿度數(shù)學(xué)模型

有桿泵的泵筒充滿度為進(jìn)泵的兩相流井液總量與柱塞升程容積間的比值，兩相井液流物性分布見(jiàn)圖2，氣水兩相井液在進(jìn)泵時(shí)會(huì)受到井液進(jìn)泵摩阻、泵內(nèi)外壓差、氣液比和泵工作制度（沖程和沖次等）的影響[3-7]。

圖2 兩相井液流物性分布

1）有桿泵動(dòng)態(tài)充滿度數(shù)學(xué)模型。井液進(jìn)泵后，柱塞行程增量ds所對(duì)應(yīng)的泵內(nèi)液面高度增量dL計(jì)算式為：

式中：dL為泵內(nèi)液面高度增量，m；ds為柱塞行程增量，m；dt為時(shí)間增量，s；v2為泵內(nèi)液體流速，m/s；ns為沖次，次/min；S為沖程，m；s為柱塞行程，m。

由此，可得泵內(nèi)液面高度動(dòng)態(tài)變化關(guān)系式為：

2）井液入泵數(shù)學(xué)模型。兩端面處，根據(jù)井液不穩(wěn)定流動(dòng)的伯努利方程和等徑管路中的井液流速與位移無(wú)關(guān)、僅與時(shí)間相關(guān)的兩相流理論，可得到泵內(nèi)井液液面速度變化的微分表達(dá)式[8]：

式中：dv2為井液流經(jīng)泵內(nèi)液面的流速增量，m/s；dt為時(shí)間增量，s；g為重力單位，9.8 N/kg；Aw為尾管截面積，m2；L和Ls為泵內(nèi)液體的高度和泵的余隙長(zhǎng)度，m；Lw為固定閥座的高度，m；p1和p2為泵入口和泵筒內(nèi)部壓力，Pa；ρ1和ρ2為入泵前、后的井液密度，kg/m3；Ap和Av為柱塞截面積和閥孔截面積，m2；μ為固定閥的流量系數(shù)[9]；v2為井液流經(jīng)泵內(nèi)液面的流速，m/s。

3）泵內(nèi)氣相狀態(tài)模型。在某一時(shí)刻t，柱塞位于s位置，泵內(nèi)自由氣體摩爾數(shù)為nm，壓力為po上沖程中，柱塞向上運(yùn)動(dòng)ds時(shí)，泵內(nèi)進(jìn)液量為ApdL，自由氣體和壓力分別為nm+dn和p+dp，在溫度恒定的情況下，依據(jù)氣體狀態(tài)方程可得[10]：

將式（4）與式（5）相除，同時(shí)忽略二階小量整理后得

式中：p為壓力，MPa；s為柱塞行程，m；L為泵內(nèi)液體的高度，m；Ap為柱塞界面積，m2；Z為氣體壓縮因子；nm為泵內(nèi)自由氣體摩爾數(shù)；R為氣體常數(shù)8.341，J/(mol·K)；T為溫度，℃；dp為壓力增量，MPa；ds為柱塞行程增量，m；dL為泵內(nèi)液面高度增量，m；dn為柱塞向上運(yùn)動(dòng)ds時(shí)，從油管和套管環(huán)空進(jìn)入泵中空氣量，m3。

4）充滿度計(jì)算模型定解條件。上沖程中，當(dāng)泵內(nèi)外壓差能夠克服固定閥球重力時(shí)，井液開(kāi)始進(jìn)泵，此時(shí)可得柱塞位移為so計(jì)算公式：

式中：so為柱塞位移，m；Ls為泵的余隙長(zhǎng)度，m；R′余隙氣液體積比；n為多變過(guò)程指數(shù)，近似取為1.1；ps為抽油泵吸入壓力，MPa；pos為固定閥開(kāi)啟時(shí)的泵內(nèi)井液壓力，MPa；Δp為泵閥開(kāi)啟壓力。

1.2.2 充滿度計(jì)算模型仿真

根據(jù)泵筒動(dòng)態(tài)充滿度計(jì)算模型進(jìn)行仿真計(jì)算：假定油井套管外徑177.8 mm，油管外徑73 mm，日產(chǎn)液10 t/d，井口套壓0.55 MPa。油井工況影響見(jiàn)表1，研究沖次、泵入口壓力（沉沒(méi)度）對(duì)泵筒瞬時(shí)充滿度的影響。

表1 油井工況影響

沖次與充滿度關(guān)系見(jiàn)圖3，泵入口壓力充滿度關(guān)系見(jiàn)圖4。充滿度隨沖次的降低而增大，充滿度隨泵入口壓力（沉沒(méi)度）的增大而增大，因此可以尋求最佳充滿度作為最佳控制參數(shù)。

圖3 沖次與充滿度關(guān)系

圖4 泵入口壓力與充滿度關(guān)系

1.2.3 電參示功圖充滿度計(jì)算原理

電參示功圖充滿度η計(jì)算公式為：

式中：η為電參功圖的充滿度，%；L1為有效進(jìn)液沖程，m；L2為有效沖程，m。

依據(jù)式（8）可知，當(dāng)有效沖程一定時(shí)，有效進(jìn)液沖程與充滿度成正比且通過(guò)模型得到充滿度隨沖次降低而增大，因此降低沖次后，存在目標(biāo)產(chǎn)液量下的合理沖次。

2 智能優(yōu)化運(yùn)行方案制定

針對(duì)常規(guī)參數(shù)調(diào)整不適應(yīng)性的問(wèn)題，首先確定以不影響產(chǎn)液量，單井能耗最低的原則，開(kāi)展智能優(yōu)化運(yùn)行試驗(yàn)。以智能優(yōu)化自學(xué)習(xí)功能為手段，依托于電參示功圖自動(dòng)計(jì)算充滿度功能，人為設(shè)定自動(dòng)運(yùn)行邊界條件，制定優(yōu)化運(yùn)行方案。

2.1 智能優(yōu)化電參示功圖充滿度范圍確定

在連續(xù)優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)下，借助油井?dāng)?shù)字化平臺(tái)，連續(xù)監(jiān)測(cè)抽油機(jī)井充滿度、產(chǎn)液量、沖次等參數(shù)變化，監(jiān)測(cè)周期10 min/次。基于前期優(yōu)化運(yùn)行機(jī)理分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定連續(xù)運(yùn)行井優(yōu)化思路，初步制定優(yōu)化運(yùn)行控制模式，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)4口井，井1監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖5，可看出當(dāng)沖次下降到一定程度后，充滿度上升幅度減慢，且沖次與有效進(jìn)液沖程開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此確定充滿度范圍在85%～90%，存在目標(biāo)產(chǎn)液量下的最優(yōu)沖次。

圖5 井1監(jiān)測(cè)曲線

連續(xù)跟蹤4口試驗(yàn)井?dāng)?shù)據(jù)，試驗(yàn)效果見(jiàn)表2。優(yōu)化后平均充滿度為92%，噸液耗電下降1.63 kWh/t，沖次下降1.89次/min，日產(chǎn)液量下降僅0.42 t，驗(yàn)證了存在目標(biāo)產(chǎn)液量下的合理沖次，因此可以進(jìn)行擴(kuò)大推廣該試驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)效果

2.2 智能優(yōu)化運(yùn)行井摸索最佳充滿度過(guò)程

以當(dāng)前連續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間內(nèi)的平均產(chǎn)液量作為初始目標(biāo)產(chǎn)液量，同時(shí)記錄目前沖次作為優(yōu)化初始沖次。按照設(shè)定步長(zhǎng)智能優(yōu)化運(yùn)行一定時(shí)間并計(jì)算平均產(chǎn)液量，若產(chǎn)液量降幅超過(guò)設(shè)定值，則沖次按照設(shè)定值回退，運(yùn)行一定時(shí)間后再次進(jìn)行調(diào)整采集，若多次調(diào)整后產(chǎn)液量均低于目標(biāo)產(chǎn)液量，則退回調(diào)整沖次，并固定沖次調(diào)整結(jié)束，開(kāi)始持續(xù)運(yùn)行；若產(chǎn)液量下降幅度小于設(shè)定值，則繼續(xù)調(diào)整沖次，繼續(xù)程序自學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)至最佳充滿度區(qū)間，固定沖次結(jié)束調(diào)整，開(kāi)始持續(xù)運(yùn)行。

2.3 智能優(yōu)化運(yùn)控制模式

1）優(yōu)化前充滿度小于最佳充滿度區(qū)間的實(shí)施精細(xì)調(diào)小參數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。對(duì)于可以恢復(fù)到最佳充滿度區(qū)間的，摸索到最佳充滿度區(qū)間后固定到最優(yōu)沖次，穩(wěn)定生產(chǎn)；對(duì)于調(diào)整至最小沖次后仍不能達(dá)到最佳充滿度區(qū)間的井，轉(zhuǎn)不停機(jī)間抽模式運(yùn)行。

2）優(yōu)化前充滿度大于最佳充滿度區(qū)間的實(shí)施精細(xì)調(diào)大參數(shù)，釋放產(chǎn)液能力。對(duì)于可以恢復(fù)到最佳充滿度區(qū)間的，摸索到最佳充滿度區(qū)間后固定到最優(yōu)沖次，穩(wěn)定生產(chǎn)；對(duì)于沖次調(diào)整至最大仍大于最佳充滿度區(qū)間，推送換大泵或落實(shí)泵況建議。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用24口井，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3。其中精細(xì)調(diào)小參13口、精細(xì)調(diào)大參3口，8口井參數(shù)變化幅度小于1.18%未對(duì)比效果。通過(guò)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，充滿度到達(dá)最佳運(yùn)行區(qū)間后，實(shí)施精細(xì)調(diào)小參井節(jié)能率達(dá)22.47%，系統(tǒng)提高了7.68%；實(shí)施精細(xì)調(diào)大參井日產(chǎn)液量提升7.25 t，系統(tǒng)效率提高了15.1%，達(dá)到了預(yù)期的效果。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

統(tǒng)計(jì)參數(shù)調(diào)整幅度較大的16口井，按時(shí)率95%計(jì)算年節(jié)電能力達(dá)19.044 8×104kWh，電價(jià)按0.637元/kWh計(jì)算，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益12.131 6萬(wàn)元。

對(duì)于精細(xì)調(diào)小參井，在最佳充滿度下可得到最佳沖次下的目標(biāo)產(chǎn)液量，能耗顯著降低；對(duì)于精細(xì)調(diào)大參井，日產(chǎn)液顯著增加、系統(tǒng)效率明顯提升，充分釋放油井產(chǎn)液潛力。通過(guò)智能精細(xì)調(diào)節(jié)沖次，可實(shí)現(xiàn)單井產(chǎn)量最大、沖次最佳、能耗最低。

4 結(jié)論

1）確定了機(jī)采井智能優(yōu)化運(yùn)行的最佳控制參數(shù)以及智能優(yōu)化控制模式，最佳充滿度區(qū)間為85%～90%。

2）通過(guò)建立智能優(yōu)化控制模式，抽油機(jī)井可自動(dòng)摸索最佳充滿度下最優(yōu)沖次，保證在目標(biāo)產(chǎn)液量下，節(jié)能效果最優(yōu)，日常管理方便的目標(biāo)。

3）智能優(yōu)化控技術(shù)為油田參數(shù)不合理抽油機(jī)井調(diào)參，提供了有力的技術(shù)支持，對(duì)于未安裝數(shù)字化自動(dòng)采集的油井也同樣具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。