基于電參數(shù)的工況診斷技術(shù)在A油田的應(yīng)用

楊志山（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

抽油機(jī)井示功圖和動(dòng)液面數(shù)據(jù)是判斷抽油機(jī)井工作狀況的重要依據(jù)，這兩個(gè)參數(shù)獲取的及時(shí)性與準(zhǔn)確性對(duì)判斷油井工作狀態(tài)、保證油井正常運(yùn)行至關(guān)重要。A油田目前因井?dāng)?shù)多、分布廣，依靠傳統(tǒng)的人工測(cè)試僅能保證為每月覆蓋1次，不僅工作量巨大，資料錄取周期也相對(duì)較長(zhǎng)，油井一旦出現(xiàn)泵漏失、低沉沒(méi)度等情況無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，不僅影響產(chǎn)量，也增加的電量的無(wú)效消耗，降低了系統(tǒng)效率。為解決這一問(wèn)題，A油田在2021年開展了基于電參數(shù)的工況診斷技術(shù)研究，該技術(shù)通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型將電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電參數(shù)反演成示功圖，并根據(jù)反演示功圖實(shí)時(shí)推算動(dòng)液面數(shù)值，為及時(shí)判斷抽油機(jī)井工作狀態(tài)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。同時(shí)該技術(shù)還具備智能控制功能，根據(jù)電參示功圖的飽滿度對(duì)油井運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行智能閉環(huán)調(diào)控，可有效改善供排系關(guān)系，降低舉升單耗。

1 結(jié)構(gòu)組成及原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

電參數(shù)工況智能診斷技術(shù)主要是由處理器、曲柄位置傳感器、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和三相電參監(jiān)測(cè)傳感器組成[1]。通過(guò)安裝在電動(dòng)機(jī)尾軸上的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和安裝在曲柄上的曲柄位置傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和曲柄位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)在配電箱內(nèi)部安裝三相電參監(jiān)測(cè)傳感器，以每秒100次高速采樣讀取電壓、電流、頻率、有功、無(wú)功等參數(shù)，最終由處理器將采集的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、分析和處理[2-3]。

1.2 技術(shù)原理

電參數(shù)反演示功圖：通過(guò)三項(xiàng)電參監(jiān)測(cè)傳感器采集的電動(dòng)機(jī)功率和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器采集的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)扭矩，根據(jù)動(dòng)力學(xué)傳遞關(guān)系和節(jié)點(diǎn)效率分布，計(jì)算出光桿懸點(diǎn)載荷[4]；同時(shí)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器采集的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角，根據(jù)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，計(jì)算出曲柄轉(zhuǎn)角和光桿位移[5]。將計(jì)算得到的懸點(diǎn)載荷和光桿位移進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，形成電參反演示功圖，然后對(duì)反演功圖的載荷數(shù)據(jù)與每口井實(shí)測(cè)功圖中的載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)（360點(diǎn)）絕對(duì)值誤差對(duì)比，從而得到逐點(diǎn)的誤差率，對(duì)計(jì)算出載荷數(shù)據(jù)（360點(diǎn)）進(jìn)行逐點(diǎn)修正，從而提高電參反演功圖的精確度[6]。反演示功圖修正見圖1。

圖1 反演示功圖修正Fig.1 Correction of inverse indicator diagram

計(jì)算動(dòng)液面：利用反演示功圖計(jì)算動(dòng)液面是根據(jù)反演示功圖遞進(jìn)式疊加10 min進(jìn)行分析，計(jì)算出上下沖程平均載荷，得到抽油泵的液柱載荷，減去動(dòng)載荷影響，得到有效舉升液柱載荷，然后折算出有效舉升液柱高度，最終根據(jù)油壓套壓折算出動(dòng)液面深度[7]。

智能閉環(huán)控制：油井智能閉環(huán)控制功能是在實(shí)時(shí)獲取示功圖及動(dòng)液面的基礎(chǔ)上，通過(guò)與變頻技術(shù)相配合，由原來(lái)人為調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)改變?yōu)橹悄苷{(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，使油井始終處于最佳生產(chǎn)狀態(tài)。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是由通訊模塊將采集的動(dòng)液面、示功圖等信息傳遞給中心控制系統(tǒng)，中心控制系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前工況進(jìn)行分析，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)值智能制定調(diào)整方案，然后對(duì)變頻器發(fā)出調(diào)控命令，調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)而引起動(dòng)液面及示功圖的變化。經(jīng)過(guò)不斷的“監(jiān)測(cè)-分析-調(diào)整-再監(jiān)測(cè)”的閉環(huán)控制，持續(xù)改善油井供排關(guān)系，降低舉升單耗水平，使油井始終處于最佳生產(chǎn)狀態(tài)。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 驗(yàn)證示功圖準(zhǔn)確性

驗(yàn)證電參反演示功圖的準(zhǔn)確性是以人工測(cè)試示功圖為參照基準(zhǔn)，重點(diǎn)從形狀、上下載荷、光桿位移三個(gè)方面對(duì)兩種方式得到的示功圖進(jìn)行對(duì)比[8]，試驗(yàn)中對(duì)5口井示功圖分別測(cè)試7井次，共計(jì)對(duì)比35組數(shù)據(jù)，結(jié)果為32井次載荷與形狀吻合度較高，吻合度高的部分示功圖對(duì)比見圖2。3井次載荷或形狀吻合度較差，準(zhǔn)確率為91.4%，吻合度低的示功圖對(duì)比見圖3。對(duì)3組示功圖吻合度差的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這3組數(shù)據(jù)中的人工測(cè)試示功圖分別為1個(gè)桿斷示功圖和2個(gè)蠟影響示功圖。因在這3個(gè)工況下，懸點(diǎn)載荷較正常工況發(fā)生較大變化，造成電動(dòng)機(jī)負(fù)載與輸出功率較正常工況也發(fā)生很大變化，由電動(dòng)機(jī)功率推導(dǎo)懸點(diǎn)載荷時(shí)因修正系數(shù)未發(fā)生改變從而導(dǎo)致反演示功圖誤差偏大。

圖2 吻合度高的部分示功圖對(duì)比Fig.2 Comparison of partial indicator diagrams with high coincidence

圖3 吻合度低的示功圖對(duì)比Fig.3 Comparison of indicator diagrams with low coincidence

2.2 驗(yàn)證動(dòng)液面準(zhǔn)確性

驗(yàn)證通過(guò)電參反演示功圖推算得到的動(dòng)液面深度的準(zhǔn)確性，同樣以人工測(cè)試動(dòng)液面深度為基準(zhǔn)，人工測(cè)試動(dòng)液面與折算動(dòng)液面數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。以誤差不超過(guò)10%判定為數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，5口試驗(yàn)井分別測(cè)試7井次動(dòng)液面，共計(jì)對(duì)比35組數(shù)據(jù)，其中誤差低于10%的共32井次，準(zhǔn)確率為91.4%；誤差超過(guò)10%的共3井次，其中最大誤差達(dá)到85.4%。

表1 人工測(cè)試動(dòng)液面與折算動(dòng)液面數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Data statistics of manually tested and converted dynamic liquid level

對(duì)3組動(dòng)液面準(zhǔn)確率低的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此3組動(dòng)液面數(shù)據(jù)正好與示功圖對(duì)比吻合率偏低的3組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)。經(jīng)分析，折算動(dòng)液面是根據(jù)反演示功圖載荷差計(jì)算出的效舉升液柱高度折算出來(lái)的，載荷差越大說(shuō)明有效舉升液柱高度越高，折算出的動(dòng)液面越深；反之折算出的動(dòng)液面越淺，準(zhǔn)確率低的折算動(dòng)液面數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2。由此3組對(duì)比示功圖可以看出，蠟影響的反演示功圖載荷差較人工測(cè)試示功圖載荷差小，因此表現(xiàn)出折算動(dòng)液面較測(cè)試動(dòng)液面較淺；在桿斷的情況下，反演示功圖的載荷中沒(méi)有液柱載荷，也就無(wú)法算出有效舉升液柱的高度，因此造成折算的動(dòng)液面深度也不準(zhǔn)確。

表2 準(zhǔn)確率低的折算動(dòng)液面數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistical table of converted fluid level data with low accuracy

2.3 智能閉環(huán)控制效果

2.3.1 確定最佳控制目標(biāo)

對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行智能閉環(huán)控制，首先要確定最佳控制目標(biāo)。最佳控制目標(biāo)要以產(chǎn)量最大、能耗最低為基本原則，通過(guò)人為改變抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)，研究不同示功圖飽滿度下產(chǎn)量及能耗的變化情況。

為確定最佳示功圖飽滿度，現(xiàn)場(chǎng)選取4口井泵效良好的井進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)飽滿度為較大時(shí)，說(shuō)明供液能力較充足，產(chǎn)量潛力未發(fā)揮；當(dāng)飽滿度較小時(shí)，說(shuō)明排液能力大于供液能力，參數(shù)過(guò)大，電量消耗高，因此需要通過(guò)監(jiān)測(cè)不同飽滿度下產(chǎn)量及電量的變化情況，以此確定既能充分發(fā)揮產(chǎn)量潛力，同時(shí)單耗水平較低的最佳飽滿度范圍。此次試驗(yàn)首先通過(guò)人為調(diào)整抽油機(jī)沖次，控制功圖飽滿度在50%～100%之間變化。在動(dòng)液面穩(wěn)定時(shí)，監(jiān)測(cè)油井在不同示功圖飽滿度下的產(chǎn)液量及耗電量情況。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，在示功圖飽滿度在85%～95%時(shí)，產(chǎn)量基本最大且機(jī)采單耗處于最低水平，因此確定示功圖飽滿度85%～95%為最佳范圍。

2.3.2 智能閉環(huán)控制試驗(yàn)

確定最佳示功圖飽滿度范圍后，開展智能閉環(huán)控制試驗(yàn)并跟蹤試驗(yàn)效果。此次試驗(yàn)分2組進(jìn)行，其中第1組選取3口連續(xù)生產(chǎn)井，第2組選取2口間抽生產(chǎn)井。

1）連續(xù)生產(chǎn)井智能閉環(huán)控制：連續(xù)生產(chǎn)井的智能閉環(huán)控制試驗(yàn)的控制對(duì)象是變頻器的輸出頻率，控制幅度為每次變化10 Hz，變化頻率為24 h變化1次。當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)示功圖飽滿度超出95%時(shí)，控制系統(tǒng)向變頻器發(fā)出指令，升高變頻器輸出頻率，提高抽油機(jī)運(yùn)行沖次，降低動(dòng)液面深度，示功圖充滿度下降；當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)示功圖飽滿度低于85%時(shí)，控制系統(tǒng)向變頻器發(fā)出指令，降低變頻器輸出頻率，降低抽油機(jī)運(yùn)行沖次，升高動(dòng)液面深度，提高示功圖飽滿度；當(dāng)示功圖飽滿度處于合理范圍內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，不發(fā)出調(diào)整指令[9-10]。連續(xù)生產(chǎn)井智能閉環(huán)控制試驗(yàn)效果見表3，通過(guò)對(duì)3口井試驗(yàn)前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，日產(chǎn)液量提高2.12 t，平均日耗電升高6.32 kWh，噸液?jiǎn)魏南陆?.76 kWh/t，系統(tǒng)效率提高3.46%。

表3 連續(xù)生產(chǎn)井智能閉環(huán)控制試驗(yàn)效果Tab.3 Test results of intelligent closed-loop control for continuous production wells

2）間抽井智能閉環(huán)控制：連續(xù)間抽井的智能閉環(huán)控制試驗(yàn)的控制對(duì)象是間抽周期（1 h）內(nèi)的啟抽時(shí)間，變化幅度為啟抽時(shí)間每次調(diào)整5 min，調(diào)整頻率為24 h變化1次。當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)示功圖飽滿度超出95%時(shí)，控制系統(tǒng)向變頻器發(fā)出指令，延長(zhǎng)抽油機(jī)啟抽時(shí)間，降低動(dòng)液面深度，示功圖飽滿度下降；當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)示功圖飽滿度低于85%時(shí)，控制系統(tǒng)向變頻器發(fā)出指令，減少啟抽時(shí)間，升高動(dòng)液面深度，示功圖飽滿度上升；當(dāng)示功圖飽滿度處于合理范圍內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，不發(fā)出調(diào)整指令。間抽井智能閉環(huán)控制試驗(yàn)效果見表4，通過(guò)對(duì)2口井試驗(yàn)前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，平均充滿程度升高21.25%，日產(chǎn)液量提高0.11，平均日耗電降低13.49 kWh，噸液?jiǎn)魏南陆?.76 kWh/t，系統(tǒng)效率提高3.23%。

表4 間抽井智能閉環(huán)控制試驗(yàn)效果Tab.4 Test effect of intelligent closed-loop control for intermittent production Wells

3 結(jié)論

1）電參數(shù)工況智能診斷技術(shù)反演的示功圖和折算的動(dòng)液面數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率超過(guò)了90%，已初步具備替代傳統(tǒng)人工測(cè)試的基礎(chǔ)，但是對(duì)于部分井工況異常時(shí)，該技術(shù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性還需進(jìn)一步提高。

2）該技術(shù)的智能閉環(huán)控制功能，通過(guò)改變油井運(yùn)行參數(shù)對(duì)功圖飽滿度進(jìn)行控制，使油井供排關(guān)系得到了改善，不僅可最大程度挖掘生產(chǎn)潛力，同時(shí)也可降低機(jī)采舉升單耗。

3）該技術(shù)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性及智能閉環(huán)控制功能的適用性初步得到了驗(yàn)證，為數(shù)字化油田建設(shè)提供了新的研究方向。