基于物联网的抽油机井系统效率实时计算技术研究

关成尧，檀朝东，田春华，曹书瑜，张立会，闫学峰

（1.中国石油大学（北京），北京昌平， 102249；2.北京雅丹石油技术开发有限公司；3.IBM（中国）研究院；4.中国石油青海油田公司）

随着油田自动化技术和远程实时采集数据技术的发展［1－5］，新的物联网的技术理念也融入了油气田的生产过程之中［6－8］。为了提高抽油机井系统效率及损耗监测分析的实时性，需要研究应用基于物联网技术的抽油机井系统效率及损耗构成的模型，为油田的节能降耗提供实时的数据支撑。

1 系统效率分析计算模型思路

随着物联网技术的发展，目前可以实时高效地采集抽油机井的油压、套压、回压、电参数、功图、油温等主要参数。动液面目前还没有成熟的实时测试手段，仍要人工测试；产液量能够做到实时计算［1－5］。这些实时测试的参数为系统效率的实时计算提供了数据支撑。物联网系统把单井及边远站库采集的数据采用无线传感网、专网和公网无线技术（融合 WSN、Mcwill、WiMAX、WiFi、3G、GPRS、CDMA、卫星等无线传输技术）组成无线异构网络来进行数据传输；其余计量间、中转站、联合站等站库和距站库较近井场的生产数据及视频信号通过有线网络相连来传输，从而实现数据的实时传输［7－8］。

和油井的系统效率相关的物联网采集与传输内容主要包括如图1的主要节点，地面电控柜节点主要采集三相电压、三相电流、功率因数，很多电参数采集硬件直接算出了有功功率曲线、无功功率曲线、功率因数曲线。井口节点主要采集流量（产液量）、油压、套压、回压等参数，应用多相流计算可以获得泵排出压力。环空压力可以通过回声仪获得动液面或者应用毛管测压获得环空泵入口的压力数据。

2 效率分析计算模型

2.1 主要参数的处理

2.1.1 电参数的处理

随着物联网数据采集技术的进步，电参数可以采集电压、电流、功率因数（曲线），以及据此可以获得有功功率（曲线）、无功功率（曲线）。

（1）有功功率等曲线的处理。①判断上下冲程线：根据数据采集中的时钟统一，可以取得仪器仪表的时钟统一。②有功功率：曲线必须需上冲程、下冲程分别求积分面积得正功面积A1、A2和负功面积A3、A4，这里的两个负功面积A3、A4可能是不存在的。而据此计算的有功功率分别为PA1，PA2，PA3，PA4。

（2）负向发电功率的处理。负功面积A3、A4在实际应用中可以部分的回馈电网，部分被用电设备利用，一般认为大约有40%可以被利用，同时负向发电也会产生谐波污染，增加电网线路的损耗。实际的有功功率计算采用有功功率曲线积分法。

同时获得了不同时间（位移）处的实时有功功率序列Pinwi和实时功率因数序列Pcosφi，i＝1～n，为功率曲线的测点数。

2.1.2 光杆功率

采集回的地面功图进行面积积分即可获得光杆功率Prod（kW）：

图1 抽油机井实时计算模型的程序流程框

式中：Sr——地面功图积分面积，横坐标单位为m，纵坐标载荷的单位为kN。

2.1.3 泵功率

根据地下功图面积折算，即

式中：Sp——泵功图积分面积，单位同地面功图。

泵功图的求解方法采用地面功图经过求解波动方程获得计算［2］，也可以采用标定液量收敛法获得泵功率的计算与修正。

2.1.4 实际产液量Q（t／d）

实际的产液量可以采用 “示功图”计算［1－5］，也可以采用流量计等抽样计算。目前的“示功图”计算油井产液量技术能够反映油井的液量动态，适合作为适时的液量计量（计算）手段，泵效等的计算也依据此方法进行。

2.2 井筒多相流计算模型

混合液密度应用多相流方法［7］来计算，已知液量和含水、饱和压力、气油比，计算沿程的压力梯度、持液率等数据，迭代到泵出口压力，可以根据需要选择多相流计算模型，如定向井应用Beggs－brill方法［8］。计算时需要重力压差和摩阻压差分别计算，分别求和，获得摩阻压差和总压差。

首先根据泵深Hp设置迭代步长ΔH和迭代次数n，迭代i＝1～n。一般多相流计算模型中的压降计算模型均包括摩阻压差ΔP1i、重位压差ΔP2i和加速压差ΔP3i这3个部分。多相流方法的压力梯度的计算迭代也存在摩阻压差ΔP1i、重位压差ΔP2i和加速压差ΔP3i的计算，则可以计算出泵排出压力Ppout（MPa）、全井筒的总的摩阻压降 P1（MPa）、油管摩阻损失功率P1t（kW）、泵输出功率Ppo（kW）等井筒流动参数。

沉没压力Ps（MPa）是影响抽油机井举升的重要指标参数，对于液面测试的井，计算如下：

如果采用毛管测压，Ps即为泵深处的毛管压力；如果测试深度与下泵深度不同，则需要折算成泵深度。对于套管环空放气井，环空中的压力折算采用环空放气多相流模型进行计算［9－11］。

2.3 电机效率计算

电机部分的损耗构成计算有两种数据方法，一种是地面参数测试没有功率因数cosφ数据的情况，可以应用电机额定功率Pe来估算；另一种是有实时功率因数cosφ的情况，应用实时功率因数cosφ来计算。

2.3.1 应用电机负载率计算电机效率

根据国内一般电机的特性曲线［2］，进行统计回归分析，形成所代表的电机负载率与电机效率之间的关系。该方法具有一定的经验性，电机负载率定义为Fm（%），已知电机额定功率Pe，则有：

应用电机负载率Fm计算电机效率ηm分段计算式为：

根据地面有功功率曲线计算的实时有功功率序列Pinwi可分别计算出不同时间的负载率Fmi电机效率ηmi。

2.3.2 应用实时功率因数 计算电机效率

应用实时功率因数cosφ计算电机效率ηm分段计算式为：

根据地面功率因数曲线计算的实时功率因数序列cosφi可分别计算出不同时间的电机效率ηmi，采用式（16）计算得到，则电机损耗功率ΔPm：

对于井场电网动态无功补偿技术［11］，由于补偿后功率因数提高，计算的相关指标也相应的变化，达到节能的效果。

2.4 举升指标计算

皮带、四连杆加减速箱效率：

而地面系统效率为：

有效举升高度 Hef（m）、有效功率Pef（kw）、抽油泵的机械效率ηp（%）、方液日耗电量Wdq（kW·h）、系统效率η（%）等指标计算如下：

抽油泵泵效率是指泵的机械效率，代表泵节点的能耗指标。和传统的泵效不同，传统泵效是指泵的实际排液量和理论排量的比值，泵效不代表泵节点的能耗指标。

3 应用

依据以上模型，采用物联网采集、传输与处理系统，实时获得系统效率与各个节点的损耗，构成分解计算数据，应用本模型编制的物联网软件在油田应用1200井次。虽然该方法具有一定的经验性，但是能够达到实时获得抽油机井举升系统的能耗构成指标及动态，获得抽油机井的实时系统损耗构成，为油田的节能降耗提供实时的数据支撑，也为油气生产物联网技术的应用提供了支撑。

［1］唐庆，王新红，孙福山，等.抽油机井功图法量油技术先导试验［J］.油气井测试，2006，15（6）：64－65.

［2］史明义，项勇，邹晓燕，等.功图法计量技术在大港油田的应用［J］.石油规划设计，2006，17（3）：9－12.

［3］檀朝东，罗小明，檀朝銮，等.油水井远程监控液量自动计量及分析系统［J］.石油矿场机械，2007，36（1）：49－52.

［4］赵美刚，冉蜀勇，吴永峰，等.功图量液技术在克拉玛依油田六区、八区的应用［J］.中国石油和化工，2008，（16）：47－51.

［5］檀朝东，史明义，易南华，等.油井远程在线液量优化分析系统技术在大港油田的应用［J］.中国石油和化工，2007，（20）：43－48.

［6］檀朝东，邵定波，关成尧.油井在线监控计量分析系统技术研究及应用［J］.工业计量，2008，18（5）：1－4.

［7］关成尧，檀朝东，田春华，等.浅谈油气生产物联网的建设模式［J］.中国石油和化工，2011，（4）：54－55.

［8］檀朝东，李清辉，李丹，等.油气生产物联网功能设计研究［J］.中国石油和化工，2011，（10）：56－59.

［9］万仁溥.主编.采油工程手册［M］.北京：石油工业出版社，2000.183－217.

［10］陈家琅.石油气液两相管流［M］.北京：石油工业出版社，1989：14－15.

［11］关成尧，赵国春，张翼翼，等.套管放气井环空流动与电泵井合理沉没度计算方法［J］.石油学报，2010，31（1）：152－156.