抽油机井生产过程中嵌入式仿真系统的研制与应用

郝利华（大庆油田有限责任公司第一采油厂）

开展企业节能降耗，提升用能设备系统能源利用效率，实施油田低成本发展战略是目前各油田开发的一项重要的研究课题[1]。国内外都非常注重抽油机节能技术研究，有关研究结果表明，抽油机系统电动机拖动装置功率平衡度与功率因数低、系统效率低已成为抽油机节能的三大制约因素。近几年来，国内各油田对抽油机功率平衡技术的研究也越来越重视，各类抽油机新型节能技术层出不穷，但围绕机采系统整体节能，针对不同抽油机井生产过程的嵌入式仿真系统研究比较少。为此，在调查研究的基础上，研发一套适合采油厂抽油机井生产过程的嵌入式仿真系统开发软件，利用该软件实现对现场采集到抽油机的示功图、各项电参数和液面等进行系统分析，提出抽油机井生产的最优化生产运行方案，从而达到提升油井系统效率和节能降耗的目的。

1 主要研究内容

1）电容补偿功能模拟技术。利用抽油机井的电功率图曲线，进行电容补偿功能模拟技术，量化的指导抽油机井的电容补偿等技术研发。

2）抽油机井无线示功图和软件部分的扩容技术。利用油井生产参数，研发抽油机井无线示功图和软件部份的扩容。

3）嵌入式动液面测试技术。开发一套将采油现场测试的动液面数据镶嵌到现有的仪器中，进行数据的整合嵌入式软件系统。

4）多功能整合软件。利用现有软件开发一套将采油现场测试的功图、动液面以及电参数等数据转换到现有的软件中，进行数据分析与研究的多功能整合软件。运用系统开发的功能，提高抽油机井整体工作运行效率。

2 系统性能

2.1 功能

1）具有抽油机井多种生产参数综合分析功能。软件通过对现场采集到抽油机的示功图、各项电参数和液面等进行系统综合分析功能。

2）具有电动机功率分析功能。通过对现场采集到抽油机各项电参数以及采用从下死点算起的连续三次测量的电流曲线图，可以记录每一个周期的功率形成功率曲线图，来计算最大功率、最小功率、平均功率和均方根功率，用最大功率和均方根功率来分析电动机的配备是否合适。

3）指导油井调平衡功能。软件根据油井实际测量的电参数数值，录入部分基础数据，以抽油机最节能和安全为标准，采用功率法进行平衡分析，对功率曲线进行傅立叶分析，计算出油井平衡状况，求出不平衡功率——功率曲线中的一阶分量[2-3]。计算出最佳平衡调整量，使之正好抵消不平衡功率，使均方根功率最小，也就是均方根功率扭矩最小，抽油机最安全，电动机发热量最小，给出平衡调整建议功能。

4）具有抽油机井无功补偿仿真处理功能。能够实现抽油机井的无功补偿仿真处理，直接计算出每口井需要的最佳无功补偿量。

5）具有嵌入式动液面测试和计算功能。该系统采用高频和低频的增益调节技术，能够针对不同油井的生产情况，克服井上和井下的各种干扰因素，有针对性地进行动液面测试，能够获得清晰油井动液面测试图。

6）具有单井系统效率计算功能。软件在单井系统效率分析界面中只需输入日产液、含水率、油压、套压、动液面这些数据，系统会自动计算出产液密度和日产油量。再结合测试得到的输入功率、光杆功率，点击“计算”就可直接得到有效功率、地面效率、井下效率和系统效率。

7）具有油井抽油机井生产整体系统优化功能。软件根据计算出的有效功率、地面效率、井下效率和系统效率等数据，对油井生产状况作出诊断，给出最优化运行生产参数调整建议。

8）完善的报表自动生成、保存和打印功能。实现平衡分析或单井系统效率计算过的抽油机井数据自动生成、保存和打印报表。可根据需求，生成以任意项目为主的、拥有任意项目数据的标准Excel表格，便于各种应用领域。

2.2 特点

1）系统软件界面友好，操作简单，系统实用性强。

2）系统功能齐全。该系统软件运用了机采井系统效率测试技术以及测试数据分析软件技术、高速电能测试和电能曲线信息识别技术、油井诊断和动液面监测技术、抽油机平衡分析技术、电动机仿真分析技术、供采协调及生产参数优化技术、井下管柱优化设计技术，为机采井系统效率测试、分析、评价及优化设计提供了技术保证。

3）系统软件安全可靠。系统具有良好的安全保护功能，经现场应用，未发生系统运行故障，安全可靠。

4）推广应用价值高。提高机采井系统效率是油井增产节能、延长设备使用寿命、降低生产成本的有效手段，已成为油田机采管理的重要内容，该系统软件具有良好的推广应用价值。

3 现场应用

该软件可以根据需要显示1个冲程或1min之内多个冲程的电参数，也可以仿照日置3166型电参数测试分析仪方式进行处理，见图1。

图1 抽油机井嵌入式仿真系统软件运行界面

某油田8-26-14井自然录取的电参数以及采用从下死点算起的连续3次测量的电流曲线图对比，见图2。

图2 8-26-14井电参数测量

根据油井A实际测量的电参数数值，录入部分基础数据，计算出油井平衡状况，给出平衡调整建议，见图3。

图3 录入基础数据后给出的平衡调整方案

某油田23-2013井模拟平衡调整后预测参数结果见图4。实现油井数据录入的简洁明了、平衡块分级计算等多项功能。提出的调平衡建议更加真实有效，并通过模拟数据给出不同平衡调整方案油井的预测参数，具有更直观的指导作用。

某油田8-23-131井实测的电能参数和曲线见图5，无功补偿后的电能参数和曲线见图6。

通过补偿前后的数据对比可以看出：补偿36kvar后，功率因数上升；平均电流下降；无功功率下降；有功功率不变，功率平衡度不变。采取功补偿不仅可以降低电网有功损耗，节省电费，还可以减少因发热而引起的设备损耗，节省设备投资。单井可减少无功功率36kvar，电网负载能力相当于增容36kVA，如果补偿井较多增容量大，将来需要增加新井，不需要对电网扩容（增加变压器及线路）。按照1kvar无功功率折算0.1kW有功功率的折算标准，这口井年可节省电费相当可观。单井无功补偿量不大的情况下，建议在变压器端进行无功补偿，提高电网的有功功率。

图4 23-2013井模拟平衡调整后预测参数结果

图5 8-23-131井实测的电能参数和曲线

图6 8-23-131井无功补偿后的电能参数和曲线

表1 系统应用前后油井生产数据统计对比

在单井系统效率分析界面中只需输入日产液，含水率、油压、套压、动液面这些数据，系统会自动计算出产液密度和日产油量。再结合测试得到的输入功率、光杆功率，点击“计算”就可直接得到有效功率、地面效率、井下效率和系统效率，见图7。

图7 油井系统效率的计算

4 实施效果

该系统于2014年在某采油厂得到成功应用。通过运用抽油机生产系统效率测试分析，全面评价油田抽油机井系统效率现状，分析了提高抽油机井系统效率存在的潜力，对相关配套技术措施进行改进和完善，优化了油井生产参数，提高了油井系统效率，表1。

1）节能效果显著。应用该系统软件后，百米吨液耗电量下降了3.82kWh，综合节电率达到32.6%，平均单井日节电量达69kWh。50口油井日节电量达3450kWh，累积年节电量达到125.925×104kWh，按照电价0.631元/kWh计算，则年节电价值达79.46万元。

2）提升了油井系统运行效率。油井系统效率由系统应用前18.28%提升到系统应用后的36.19%，油井平均系统效率提升17.91%。

3）节能减排效益。按照节约1千瓦时电能减排0.997kgCO2，则该技术系统实施后每年可减少碳排放342516kg。

4）提升吨油效益。该系统软件的成功应用，优化了油井的生产运行参数，实现节能降耗，提高吨油效益。

5）提升了机采井系统效率测试分析、评价及优化设计综合能力，为油井节能综合评价提供了有力的技术支持。

[1]朱益飞.石晓明,马冬梅.提高孤东油田机采系统效率的探讨[J].电力需求侧管理,2009,11(4):44-48.

[2]朱益飞.游梁式抽油机调平衡度的几种方法[J].计量技术,2010,55(2):31-33.

[3]郭富禄,周明卿,尹强,等.游梁式抽油机二次平衡技术的应用[J].石油矿场机械,2004,21(3):76-78.