电泵井实时智能化诊断和优化决策技术研究与应用

张朋陈德春杨康敏李霖纪国帅姚亚

（1.中石化河南油田分公司；2.中国石油大学（华东））

电泵井实时智能化诊断和优化决策技术研究与应用

张朋1陈德春2杨康敏1李霖1纪国帅1姚亚2

（1.中石化河南油田分公司；2.中国石油大学（华东））

为提高电泵井现场管理水平，达到无人值守、生产运行自动化管理、节能的目的，2015年开始河南油田分公司对江河油田10口电泵井进行了信息化改造，通过在井口安装压力、温度、电参数、刮板流量计、视频等自动采集设备，实时采集电泵井运行的各项参数和井场图像，采用ZigBee无线通讯或4G网络传输至数据控制终端，同时针对河南油田电泵井开发了实时工况诊断和优化决策软件系统，实现了油井工况的实时智能化诊断和优化决策。

电泵井；智能化；实时；工况诊断；优化决策

引言

电泵井具有排量大、地面工艺简单等优点，是油田进入高含水开发后期，为达到稳产而广泛使用的采油方式之一。目前河南油田在用电泵井总计46口，主要分布在江河和下二门油田，但由于潜油电泵在井下的工作环境恶劣，电动机烧毁、卡泵、分离器轴下串、分离器轴折断、电缆击穿、电缆头烧毁、机组落入井中、花键套松脱等故障时有发生，油井随时都有躺井的可能。因此，及时诊断电泵井工况，同时对电泵井进行及时优化，保障其正常高效运行，具有十分重要的意义。

为提高电泵井的管理水平，达到无人值守、生产运行自动化管理、节能的目的[1][2]，2015年开始河南油田分公司对江河油田的10口电泵井进行了信息化提升和改造。通过在井口安装压力、温度、电参数、刮板流量计、视频等自动采集设备，实时采集电泵井运行的各项参数和井场图像，采用ZigBee无线通讯或4G网络传输至数据控制终端，实时掌握电泵井的各项运行参数。

同时以油田现场测试的工作参数和特性曲线以及故障诊断经验为依据，通过对电潜泵采油系统常见故障的特性以及对工况的影响进行理论分析，通过数学计算或其他特征分析来提取可区分不同故障下电流曲线的特征量，然后再完成电泵井工况诊断的软件编制，以判断异常井井下工况故障原因，并提出措施建议，实现电泵井工况的实时智能化诊断和优化决策[3]。

1 硬件（数据自动采集设备）

电泵井数据实时自动采集设备主要包含视频监控系统、流量监测系统、压力监测系统、温度监测系统、电参数采集系统和数据采集控制系统。系统各组成部分功能如下：

1）视频监控系统：通过高清网络摄像机对井场、重要设施及路口进行视频图像采集和周界闯入报警。图像存储采用分布式和集中存储相结合的方式，路口监控采用前端分布式存储，报警井场、作业井场、重点油井在管理区二次集中存储。前端分布式存储时间7 d，集中存储时间为30 d，图像存储格式至少720P，压缩格式H.264。正常情况下图像显示采用D1或CIF格式传输，在报警时，采用720P格式传输。

2）流量监测系统：采用刮板流量计进行计量，流量计字码现场可直接读取，同时配置脉冲发射器发射脉冲信号，采用ZigBee无线通讯方式，将管道流量数据传输至数据采集控制系统。

3）压力监测系统：配置油压、套压、回压无线压力传感器，数据采用LCD数字显示，配置低功耗处理模块，通过信号处理电路，将压力变化转化为脉冲信号，采用ZigBee无线通讯方式，将油井压力数据传输至数据采集控制系统。

4）温度监测系统：井口安装无线温度变送器实时监测井口温度，无线温度变送器选用PT100热电阻作为传感信号源，经过内部智能化微处理器将温度变化数据变送输出为脉冲信号，采用ZigBee无线通讯方式，将油井温度数据传输至数据采集控制系统。

5）电参数采集系统：控制柜中加装无线智能多功能电表，采集油井电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等数据，通过数字化处理将各参数转化为脉冲信号，采用ZigBee无线通讯方式，将油井温度数据传输至数据采集控制系统。

6）数据采集控制系统：油田专用的集成一体化RTU，采用32位处理器，嵌入式实时多任务操作系统，具有现场信号的数据采集、控制输出、数据处理、PID运算等功能，通过4G通讯模式，将井场数据和图像传输至智能化监控系统服务器。

2 数据传输网络

针对江河油田的具体情况，数据传输网络采用了基于TD-LTE的无线监控解决方案[4]。方案包括EPC（4G核心网络）、ENB（基站）、UE（无线终端）和OMC（网管中心）等设备的部署，数据传输组网结构图见图1。

图1 数据传输组网结构

1）EPC（4G核心网络）：是TD-LTE网络数据的交换和路由设备，负责基站的管理、无线终端的接入控制、认证和用户的移动性管理等功能。EPC提供SGi接口为上层应用提供与无线终端之间的数据通道。

2）ENB（基站）:负责基站和终端之间的无线传输。采用分布式基站架构，分为基带处理单元BBU和射频拉远单元RRU以及配套智能天线。

3）UE（无线终端）：包括手机、数据卡、CPE和DTU等多种形态。

4）OMC（网管中心）：统一网管设备，通过O接口管理核心网、基站等网络设备。

方案优点在于网络部署简单、便捷。只需在经过勘测并符合要求的站点建设基站，在此基站可覆盖的范围内，都可以更加便利地部署CPE终端。在基站可覆盖的范围内，无需额外部署承载光纤等，大大提高建设的便利性并降低建设成本。4G网络可提供的带宽也可以完全满足高清图像图传的要求。

3 实时工况诊断与优化决策软件系统

3.1 技术原理

从电潜泵的工作原理出发，以现场测试的工作参数和特性曲线以及故障诊断经验为依据，通过对电潜泵采油系统常见故障的特性以及对工况的影响进行理论分析，同时在充分了解不同工况下电流卡片曲线的形态特征的前提下，通过数学计算或其他特征分析来提取可区分不同故障下电流曲线的特征量，然后再完成电动潜油离心泵电流卡片工况诊断的软件编制，以判断异常井井下工况故障原因，并提出措施建议，实现了电潜泵实时故障诊断及优化决策[5]。

3.2 软件应用举例

下面应用泵气锁时的电流卡片数据导入软件进行应用举例[6]（图2）：

图2 泵气锁时的电流卡片数据

首先点击软件主界面上的数据导入菜单，然后在弹出的“打开”对话框中找到存放电流卡片数据的文件夹，然后单击“泵气锁.xls”的文件确定导入。运行界面如图3所示。

然后选择“读点软件数据”，单击“确定”进行诊断即可显示诊断结果及优化建议。运行界面如图4所示。

图3 数据导入运行界面

图4 诊断结果及优化建议界面

4 现场应用效果

该技术自投入现场应用以来，运用软件系统对江河油田10口电泵井进行诊断及优化80井次，诊断故障主要有泵型选择不合理、气锁、砂堵、电动机烧毁、卡泵、泵轴断、电缆绝缘差、保护器进液等故障，同时对各类故障井提供了优化建议。通过应用，为提高电泵井的管理水平，达到无人值守、生产运行自动化管理、节能降耗的目的。

2016年2月19日上午8点，对双6-10进行诊断，诊断结果为正常过载停机，优化建议更换叶导轮。当天上午9点26分管理区组织机泵维修班更换叶导轮，11点45分再次对该井诊断，诊断为正常工况。仅用不到4 h完成了电泵井的故障诊断及维护，防止了泵机组的进一步损坏，提高了油井时率和生产效率。

2016年3月5日上午9点，对双检5进行诊断，诊断结果为泵抽空，软件优化建议为加深泵挂120 m，同时将泵由QYB-150优化为QYB-100。当天上午11点18分管理区组织作业队上井加深泵挂换小泵深抽，19点27分作业完成，20点16分再次用系统诊断工况正常。作业后产液量由127.6 t升至147.4 t，产油量由1.3 t上升至4.5 t，日增油3.2 t。

5 结论

1）电泵井井口安装压力、温度、电参数、刮板流量计、视频等自动采集设备，实时采集电泵井运行的各项参数，采用ZigBee无线通讯或4G网络传输至数据控制终端，井场无需人工巡检，数据无需手动录取，减少了作业强度。

2）江河油田10口井80井次现场试验表明，该软件系统诊断结果及优化建议准确率高，实用性强，推广价值高。

3）电泵井实时智能化决策系统的应用，提高了电泵井的管理水平，达到无人值守、生产运行自动化管理、节能的目的。

[1]关于加快推进信息化与工业化深度融合的若干意见[Z].中华人民共和国工业和信息化部.2011.

[2]冉新权，朱天寿.油气田数字化管理[M].北京：石油工业出版社，2011：23-32.

[3]黄晓，石步乾，范喜群,等.电泵井优化设计及工况诊断技术的应用[J].钻采工艺，2000，23（6）：87-89.

[4]叶洲峰，张建军，杨国强,等.电泵井远程无线监控系统在河南油田的应用[J].石油工业计算机应用，2003，11（3）：23-25.

[5]李志强，叶洲峰，张建军，等.河南油田潜油电泵井远程无线监控系统研制[J].江汉石油学报，2003，25（3）：29-30.

[6]黄志强，罗旭，彭世金，等.智能井智能化开采系统软件开发[J].石油钻采工艺，2014，36（6）：55-59.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.02.013

2016-12-08

（编辑 李珊梅）

张朋，2011年毕业于长江大学（石油工程专业），现从事油田智能化建设及井下工具的研究工作，E-mail：zhangpeng123.hnyt@sinopec.com，地址：河南省郑州市郑东新区正光北街33号，473000。

中石化股份公司科研项目“提高采油系统效率与智能化监控技术”（编号：P15121）。