基于示功图的抽油机智能间抽系统研究

曹庆年，张杰，孟开元

基于示功图的抽油机智能间抽系统研究

曹庆年，张杰，孟开元

（西安石油大学， 陕西 西安 710065）

随着油井产出液的开采，会出现油井供液能力不足的情况，造成抽油机运行效率低、耗能大等问题。针对这些问题，提出了一种基于示工图分析的抽油机智能间抽系统。该系统根据数字化系统采集到的示功图进行泵效分析，对供液不足的油井改为间抽模式。对间抽井提出了根据示功图面积变化来确定间抽时间的控制方法。该系统在一个数字化间歇采油井组中进行应用，结果表明该系统有很好的节能降耗的作用。

示功图；智能间抽系统；冲次优化；数字化系统

我国的油田多为低渗透的低能、低产油田，随着油井的开采普遍出现供液不足的问题。抽油机不能根据井下液面的波动进行实时的调整，油井实际供液能力与抽油机电机输出功率不匹配，供排不协调，既降低了抽油机工作效率又增加了抽油机设备损耗。虽然可以通过油层改造等措施，提高油井的供液能力，但都会使得油井供液能力较大幅度偏离设计排量，出现理论设计排量与地层供液能力参数不匹配的情况，增大开采难度[1-3]。因此，对于此类油井可以采用间抽的生产方式，并通过调节合理的冲次减少抽油机低效运行时间，来提高抽油机运行的效率，降低油田生产能耗。

目前，间抽的方法主要有限时间抽法和人工间抽法。限时间抽法是在规定的时间起抽和停抽，成本较低但效率低。人工间抽法需要大量的人工，通过对油田生产现场取样测量来确定起抽和停抽，成本高执行难度大且易出现误差[4]。因此，通过对抽油机工作状态与示功图理论的研究，提出了一种基于示工图分析的抽油机智能间抽系统，通过自动采集示功图分析面积变化情况，根据面积变化对抽油机进行合理的间抽与冲次调节。该系统依靠油田数字化系统，对抽油机的进行智能化的控制，在不影响产量的条件下，有效降低抽油机工作能耗。

1 智能间抽抽油机结构

智能间抽抽油机装置主要包括速度、震动、温度、压强和示功图传感器、智能控制器、电参与变频模块。

图1给出了具体的智能间抽抽油机结构图，图中电参模块采集电机运行电流、电压频率等参数，实时监测驱动大小；电机速度传感器根据采集电机转角，监测电机的运行情况。智能控制器控制摆动运行与整周运行的切换，摆动的角度由采集到的曲柄位置、电参数及电机速度计算得出。变频模块控制电机在整周运行时柔性启动，在摆动运行时按照控制指令进行驱动速度实时调整。

图1 智能间抽抽油机结构

2 技术原理及系统设计

2.1 基于示功图的泵效分析

油井的供液能力是由地层的压力决定的，不能直接测量获得。一口油井正常工作每一个抽油冲次得到的示功图可以间接的反映油井的供液情况。示功图面积的变化过程可以体现油井单位冲次内产油速度和采油速度之间的关系，不同面积的示功图反映着抽油泵做功不同[5-6]。因此，可以根据示功图面积变化对抽油机运行状态的进行相应的调整。示功图是由载荷和位移数据点组成的图形。在进行位移传感器和载荷数据信息采集时，得到的示功图数据是一个离散的数组，数组包括冲次、载荷和位移。计算一个冲次的示功图面积计算公式如下：

2.2 冲次调节技术原理

油井液面高度变化主要受采油速度和产油速度的影响。单纯利用公式推导得到的抽油机示功图与抽油机冲次的数学关系很难反映真实的油井情况。结合对油井生产的实际测试，推导出示功图面积变化与抽油机冲次的关系，从而根据示功图面积变化调整抽油机冲次，实现抽油机的节能降耗。示功图面积差和冲次的对应关系如表1所示：

表1 示功图面积差和冲次的对应关系

利用上述表格，可拟合出对应的公式：

式中对应冲次值，对应示功图的面积差值。一口油井实际生产的数据如表2所示：

表2 示功图面积差和冲次对应的实测数据

依靠软件可以计算得出示功图面积差与冲次对应的关系（误差小于4%）公式为：

= 0.028 0+ 3.437 3 （3）

2.3 智能间抽方案设计

常规间抽井通过人工控制开/关井降低了平均冲次，使理论排量与油井产量相匹配，见到了较好的节能效果，但执行难度大且停机时间长，井筒容易结蜡造成抽油机故障，影响正常生产。通过对抽油机常规间抽方式的改进，用井下泵停抽，曲柄低耗摆动与整周运行工作方式，代替常规长时间停机间抽的工作方式。主要目的如下：

1） 停抽时曲柄做低能耗小角度摆动。

2） 摆动时杆柱运动控制在弹性变形范围内，井下柱塞保持不动。

3） 摆动时杆柱在井筒中扰动井液，防止冻井口和井筒结蜡。

4） 到设定间隔，电机自动柔性启动，抽油机连续运行抽油。

5） 抽油时井下动液面基本稳定、地面抽汲参数合理匹配，实现高效运行。

根据示功图面积的变化控制抽油机的工作状态，当前后时刻示功图面积相差较大且后一时刻示功图面积变小时，抽油机变频器工作由高频变为低频，电机转速下降，采油速率降低；当后一时刻示功图面积变大时，抽油机采油速率需提高，电机转速上升，变频器工作由低频变为高频。当某一时刻示功图面积小于设定的最小值，进行不停机的摆抽。具体控制方案为：

4）从第二步开始重复，根据示功图前后时刻面积变化的规律进行冲次调整或者不停机的摆抽，间抽控制流程图如图2所示。

3 实际应用结果分析

将开发的智能间抽控制系统在1个间歇采油井组（共计4口油井）进行测试，各油井的生产数据如表3所示。测试结果显示4口油井间抽运行后每天的平均开井时间由14 h下降为5.5 h，每日节电44.6 kW·h，节电率56.7%，系统效率提高4.3%。测试结果表明智能间抽系统对油田生产起到了很好的节能降耗效果。

图2 间抽控制流程图

表3 各油井生产情况表

4 结论与展望

采用基于示功图面积变化的抽油机运行模式大幅降低了抽油机运行时的能耗，并依靠改进的不停机短周期间抽工艺消除了启动安全隐患，可全天候自动执行间抽采油，解决了常规油井间抽执行难度大和冬季井口冻堵等问题。在保证油田合理稳定生产的同时，降低能耗，满足了油田对降本增效，节能安全的需求。但现有的数字化系统都是基于云端的中心式数据处理模式，随着大数据时代的到来，已难以满足油田数据业务对实时性和可靠性的需求。边缘计算技术作为云计算技术的补充，通过对云端服务的下沉很好地弥补了云计算技术的缺陷，将是下一步油田优化生产的重要研究方向。

［1］巩宏亮, 戚兴, 常瑞清, 等. 抽油机不停机间歇采油技术研究与应用[J]. 石油石化节能, 2017, 7 (10): 3-6.

［2］李健. 不停机间抽井合理间抽制度研究[J]. 中外能源, 2020, 25 (01): 61-64

［3］孙成. 基于泵功图的间抽技术研究[D]. 西安石油大学, 2018．

［4］谢瑛莉. 基于示功图的油井智能间抽系统研究[J]. 长江大学学报(自科版), 2017, 14 (19): 97-98.

［5］徐向前, 周好斌, 李茂. 基于悬点示功图面积变化的抽油机冲次优化调整方法[J]. 石油化工自动化, 2017, 53 (03): 44-46.

［6］李明江, 李珍, 邱亮, 等. 示功图技术在长庆油田的应用[J]. 石油化工自动化, 2015, 51 (01): 43-45.

Research on Intelligent Pumping System of Pumping Unit Based on Indicator Diagram

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（Xi’an Shiyou University, Xi’an Shaanxi 710065, China）

With the production of oil well fluids, there will be insufficient fluid supply capacity of the oil well, causing problems such as low operating efficiency and high energy consumption of the pumping unit. In response to these problems, an intelligent pumping system based on indicator diagram analysis was proposed. The pump efficiency of the system was analyzed according to the indicator diagram collected by the digital system, and the pumping mode of oil wells with insufficient liquid supply was changed to the indirect pumping mode. A control method for determining the time of the intermittent pumping according to the area change of the indicator diagram was proposed for the semiagitator. The system was applied in a digital intermittent production well group, and the results showed that the system had good effect of energy saving and consumption reduction.

Indicator diagram; Intelligent pumping system; Stroke optimization frequency; Digital system

2021-01-13

曹庆年（1963-），男，山东省济南市人，教授，工学硕士，1988年毕业于西北工业大学信号电路与系统专业，研究方向：通信与信息系统。

张杰（1996-），男，在读硕士研究生，研究方向：计算机控制系统。

TE933

A

1004-0935（2021）03-0340-04