杜229區(qū)塊蒸汽驅(qū)智能調(diào)控采油工藝技術(shù)試驗(yàn)應(yīng)用

孫振彪

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司遼河油田分公司）

0 引言

遼河油田杜229區(qū)塊構(gòu)造位于遼河盆地西部凹陷西斜坡中段，屬互層狀邊底水中厚層超稠油油藏，共規(guī)劃有蒸汽驅(qū)井組 20個(gè)，動(dòng)用層位為興Ⅲ3、興Ⅳ和興Ⅴ組，含油面積為0.76 km2，油藏埋深900～1 020 m，有效厚度23 m，地質(zhì)儲(chǔ)量為342×104t。該區(qū)塊蒸汽驅(qū)開發(fā)始于2007年，先后經(jīng)歷了先導(dǎo)試驗(yàn)、擴(kuò)大試驗(yàn)和規(guī)模實(shí)施階段，目前總井?dāng)?shù)為141口，其中注汽井有20口，生產(chǎn)井有121口，年采油量保持在10×104t以上。

油井在轉(zhuǎn)入蒸汽驅(qū)開發(fā)前的蒸汽吞吐開發(fā)期間，各單井吞吐投產(chǎn)時(shí)間參差不齊，吞吐輪次高低不同、周期長(zhǎng)短不一，加熱半徑遠(yuǎn)近有別，采出程度差異較大，同時(shí)受儲(chǔ)層非均質(zhì)性等因素影響，致使井組內(nèi)注汽井與各生產(chǎn)井之間的熱連通性不同，生產(chǎn)井受蒸汽驅(qū)替作用效果程度不同，造成各生產(chǎn)井供液能力不同。按照蒸汽驅(qū)開發(fā)要求，為了維持采注比在 1.2以上，使蒸汽驅(qū)開發(fā)順利進(jìn)行，必須平衡抽油泵供排關(guān)系，保證合理的采液量。但是，實(shí)施智能調(diào)控采油技術(shù)前采用的人工操作方式，是根據(jù)手動(dòng)測(cè)試的油井動(dòng)液面參數(shù)調(diào)控抽油機(jī)頻率轉(zhuǎn)速，提降抽油桿上下往復(fù)沖次，維持抽油泵的供排平衡。人工操作方式及時(shí)性較差，甚至因?yàn)橛吞篆h(huán)空內(nèi)的介質(zhì)組成復(fù)雜，造成動(dòng)液面參數(shù)測(cè)試誤差大，進(jìn)而誤導(dǎo)調(diào)控［1-4］；造成排液過快，抽油泵無功抽取，干摩損耗泵體，浪費(fèi)電能；或者造成排液過慢，液量積壓，影響蒸汽正常驅(qū)替推進(jìn)。另外，因蒸汽驅(qū)規(guī)模擴(kuò)大，井?dāng)?shù)多且位置分散，技術(shù)人員不足，人工采集動(dòng)液面數(shù)據(jù)工作量大、周期較長(zhǎng)，難以滿足及時(shí)調(diào)控的需要。

為了滿足蒸汽驅(qū)規(guī)模不斷擴(kuò)大的需要，減少人員工作量，提高調(diào)控及時(shí)性，遼河油田在杜229區(qū)塊蒸汽驅(qū)開發(fā)領(lǐng)域開展了智能調(diào)控采油技術(shù)研究，使油井供液能力與抽油泵排液速度保持合理的供排平衡關(guān)系，達(dá)到增產(chǎn)降耗的目的，在汽驅(qū)開發(fā)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

1 智能調(diào)控采油系統(tǒng)基本工作原理

抽油機(jī)智能調(diào)控采油技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合［5-8］，主要通過在線自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并錄取油井油管與套管之間的環(huán)形空間內(nèi)的動(dòng)液面參數(shù)作為調(diào)控依據(jù)。預(yù)先設(shè)置固定合理的動(dòng)液面參數(shù)后，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)液面高度動(dòng)態(tài)變化，對(duì)抽油機(jī)變頻電動(dòng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)變頻控制調(diào)頻，近而調(diào)節(jié)抽油桿帶動(dòng)抽油泵內(nèi)活塞的上下往復(fù)沖次數(shù)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到動(dòng)液面超過設(shè)定值時(shí)，表示油層供液能力強(qiáng)，系統(tǒng)自動(dòng)提頻，上調(diào)沖次，加速排液；當(dāng)監(jiān)測(cè)到動(dòng)液面低于設(shè)定值時(shí)，表示油層供液能力弱，系統(tǒng)自動(dòng)降頻，下調(diào)沖次，放緩排液，使抽油泵始終在理想的供液能力范圍內(nèi)高效排液工作。

2 智能調(diào)控采油系統(tǒng)主要構(gòu)成與功能

2.1 智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1.1 動(dòng)液面智能監(jiān)測(cè)

智能調(diào)控采油的關(guān)鍵參數(shù)是動(dòng)液面。動(dòng)液面是油井生產(chǎn)時(shí)，油管與套管之間的環(huán)形空間內(nèi)的液面。油井通過動(dòng)液面計(jì)算抽油泵沉沒度和井底流壓，根據(jù)動(dòng)液面變化制定油井工作制度［9-10］。動(dòng)液面反應(yīng)油井地層供液能力的強(qiáng)弱，地層供液能力是決定油井產(chǎn)量和持續(xù)性的關(guān)鍵性因素。動(dòng)液面準(zhǔn)確程度直接決定了智能調(diào)控采油技術(shù)能否成功應(yīng)用。

動(dòng)液面智能監(jiān)測(cè)是以音標(biāo)法為基礎(chǔ)，采用亞聲波作為回波信號(hào)，頻率小于20 Hz的亞聲波在油套環(huán)形空間內(nèi)傳播距離遠(yuǎn)，能量消失慢，測(cè)出率和自動(dòng)識(shí)別率高。音標(biāo)法采用兩種方式發(fā)聲：在高套壓下回收套管氣發(fā)聲；在低套壓下使用打氣泵將套管氣打入井中，產(chǎn)生亞聲波聲源，實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)測(cè)試動(dòng)液面。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定了不同套壓所對(duì)應(yīng)的聲速值，并測(cè)出了氣液過渡帶的普遍厚度，從而為不具備使用回音標(biāo)的油井動(dòng)液面測(cè)試提供了準(zhǔn)確的測(cè)試方法，對(duì)稠油熱采井尤為適用。

2.1.2 示功圖智能監(jiān)測(cè)

由于稠油熱采井油套環(huán)形空間內(nèi)工況復(fù)雜，動(dòng)液面測(cè)試技術(shù)一旦出現(xiàn)故障，會(huì)直接影響調(diào)控。為了預(yù)防由于測(cè)不出或測(cè)不準(zhǔn)液面而造成的調(diào)控失效，系統(tǒng)集成了示功圖智能監(jiān)測(cè)分析功能。

示功圖智能監(jiān)測(cè)可以按照固定頻率，通過示功圖測(cè)試儀定期測(cè)功圖，并且可以在調(diào)控失效時(shí)立刻繪制示功圖，同時(shí)提示報(bào)警。系統(tǒng)提示轉(zhuǎn)為人工控制，方便技術(shù)人員維修，使地質(zhì)人員及時(shí)對(duì)井下供液狀況做出輔助評(píng)價(jià)，保障抽油機(jī)安全穩(wěn)定生產(chǎn)。示功圖測(cè)試儀主要由位移傳感器、載荷傳感器、單片機(jī)處理器和小無線單元等部件組成。按照預(yù)先設(shè)定好的固定間隔時(shí)間，通過位移傳感器和載荷傳感器定期定時(shí)測(cè)試抽油機(jī)光桿位移與懸點(diǎn)載荷，同時(shí)將數(shù)據(jù)送輸給單片機(jī)處理器，完成數(shù)據(jù)處理和信號(hào)轉(zhuǎn)換，再通過小無線單元把數(shù)據(jù)傳輸給智能控制柜采集數(shù)據(jù)終端［11-13］。

2.1.3 優(yōu)化管控箱

優(yōu)化管控箱主要由 RTU（遠(yuǎn)程終端單元）、控制模塊、變頻器、電參模塊和通訊模塊組成。接收到動(dòng)液面的測(cè)試數(shù)據(jù)或示功圖測(cè)試儀的數(shù)據(jù)后，RTU會(huì)對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算、處理變換并儲(chǔ)存，繪制出光桿的移動(dòng)示功圖。電參模塊可以按照設(shè)定時(shí)間定期測(cè)試電動(dòng)機(jī)電參數(shù)據(jù)，并傳遞給RTU儲(chǔ)存。RTU會(huì)定期將數(shù)據(jù)傳遞給通訊模塊，通過 GPRS（通用分組無線服務(wù)技術(shù)）網(wǎng)絡(luò)傳輸給中心控制系統(tǒng)的GPRS路由器。通訊模塊接收到中心控制系統(tǒng)的管控命令后，將其傳遞給RTU，RTU將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳遞給控制模塊，由控制模塊調(diào)動(dòng)變頻器，進(jìn)而控制抽油機(jī)改變沖次，使抽油泵內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)的速度與泵腔內(nèi)的進(jìn)液速度相互匹配，達(dá)到最大泵效［14-15］。

2.2 中心監(jiān)督管控系統(tǒng)

中心監(jiān)督管控系統(tǒng)一般設(shè)置在中心站場(chǎng)，是數(shù)據(jù)處理中心。它包括自動(dòng)分析控制軟件、動(dòng)液面算數(shù)軟件、功圖計(jì)算軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)頁(yè)顯示軟件等。

中心監(jiān)督管控系統(tǒng)通過GPRS路由器將各單井的數(shù)據(jù)接收、儲(chǔ)存至數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，動(dòng)液面算數(shù)軟件和功圖計(jì)算軟件從數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)提取需要的各種數(shù)據(jù)并分析計(jì)算，再將結(jié)果儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。技術(shù)人員通過網(wǎng)頁(yè)顯示軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)接溝通，從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得數(shù)據(jù)，并發(fā)布自動(dòng)管控命令。自動(dòng)分析控制軟件根據(jù)得到的多種參數(shù)和動(dòng)液面設(shè)計(jì)值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并將命令通過GPRS路由器傳遞給優(yōu)化管控箱內(nèi)的通訊模塊［16-17］。

2.3 自動(dòng)保護(hù)管控系統(tǒng)

自動(dòng)保護(hù)管控系統(tǒng)由斷路器、交流接觸器、熱繼電器和中間繼電器等組成。變頻運(yùn)行過程中，變頻器出現(xiàn)故障，自動(dòng)保護(hù)管控系統(tǒng)自動(dòng)切換工頻運(yùn)行，保護(hù)自身變頻器。當(dāng)外接電網(wǎng)出現(xiàn)大電壓、大電流時(shí)，主開關(guān)跳閘，自動(dòng)保護(hù)管控系統(tǒng)切斷整個(gè)供電線路，保護(hù)整個(gè)設(shè)備。當(dāng)電源電壓下降或瞬時(shí)停電時(shí)，直流母線電壓會(huì)下降，變頻器通過降低輸出頻率降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)負(fù)載的慣性能量回饋到直流一側(cè)，維持直流電壓高于欠壓動(dòng)作值，避免因欠壓而停機(jī)。當(dāng)電機(jī)帶有大慣性負(fù)載并快速停車或者在運(yùn)行過程中由于負(fù)載突變等原因引起短時(shí)再生制動(dòng)時(shí)，變頻器的直流母線電壓會(huì)上升，電機(jī)通過調(diào)整輸出頻率和自動(dòng)延長(zhǎng)減速時(shí)間、降低制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，控制直流母線電壓的穩(wěn)定［18-20］。

2.4 自動(dòng)報(bào)警管控系統(tǒng)

為了防止出現(xiàn)特殊異常狀況，管控系統(tǒng)增加了自動(dòng)報(bào)警功能，隨時(shí)監(jiān)測(cè)油井狀態(tài)變化。當(dāng)出現(xiàn)下列不同異常狀況時(shí)，管控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警：（1）運(yùn)算出錯(cuò)、基本參數(shù)輸入有誤、功圖和實(shí)際泵效由于斷脫漏失造成異常；（2）井口溫度、壓力、動(dòng)液面、沖次、套管壓力、電機(jī)電流和最大實(shí)際載荷等超過規(guī)定范圍；（3）串口設(shè)備通信、變頻器、電度表讀取參數(shù)出現(xiàn)故障；（4）出現(xiàn)抽油桿斷桿、管漏和卡泵等特殊情況。同時(shí)，調(diào)整油井相關(guān)參數(shù)，減少損失。不同情況有不同的報(bào)警等級(jí)，根據(jù)報(bào)警等級(jí)，對(duì)采油系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制保護(hù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)井組情況簡(jiǎn)介

杜32-52-K36井組隸屬于杜229區(qū)塊蒸汽驅(qū)開發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)7個(gè)井組之一。該井組位于區(qū)塊中部，開發(fā)層位為興Ⅳ～興Ⅴ組，含油面積為 0.03 km2，油層平均厚度為28.4 m，地質(zhì)儲(chǔ)量為21.1×104t，2009年12月由蒸汽吞吐開發(fā)轉(zhuǎn)為蒸汽驅(qū)開發(fā)。轉(zhuǎn)入蒸汽驅(qū)開發(fā)后，該井組累計(jì)注汽 24.4×104t，累計(jì)產(chǎn)液28.3×104t，累計(jì)產(chǎn)油4.4×104t，油汽比為0.18，采注比為1.16，階段采出程度為54.3%。該井組為反九點(diǎn)正方形井網(wǎng)，共有9口井。其中，中心注汽井1口，周圍8口生產(chǎn)井。

開展智能調(diào)控采油技術(shù)試驗(yàn)前，8口生產(chǎn)井的平均產(chǎn)液量為28.1 t/d，產(chǎn)油量為4.2 t/d，含水率為85.2%，井底流壓為2.5 MPa。根據(jù)生產(chǎn)效果，可以將8口生產(chǎn)井分為兩類：受蒸汽驅(qū)替作用效果正常的5口，效果弱的3口。由于該井組油井分布較為分散，井與井之間距離較遠(yuǎn)，人工定期監(jiān)測(cè)能力有限，造成管控及時(shí)性較差，部分井的供液能力與抽油泵排液量不匹配，人工管理如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，泵效低造成泵體磨損，增加作業(yè)成本，浪費(fèi)電能。因此，對(duì)8口生產(chǎn)井全部安裝智能調(diào)控采油設(shè)備，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

3.2 應(yīng)用效果分析

實(shí)施智能調(diào)控采油技術(shù)，對(duì)油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)動(dòng)液面變化，自動(dòng)智能變頻調(diào)速，改變抽油桿沖次，實(shí)現(xiàn)抽油泵供排平衡，提高泵效。下面是2口典型生產(chǎn)井智能調(diào)控采油效果的跟蹤情況。

3.2.1 杜32-51-37井應(yīng)用情況

該井屬于井組中受蒸汽驅(qū)替作用效果較好的生產(chǎn)井，油層中深998 m，泵深960 m，泵徑為57 mm，光桿沖程為3 m。智能調(diào)控系統(tǒng)安裝前后的生產(chǎn)中，測(cè)試動(dòng)液面比較穩(wěn)定，沖次、產(chǎn)液量和泵效變化顯著（見圖1和圖2）。

圖1 杜32-51-37井實(shí)施前后液面、沖次變化對(duì)比

圖2 杜32-51-37井實(shí)施前后日產(chǎn)液量、泵效變化對(duì)比

安裝智能調(diào)控系統(tǒng)后，設(shè)定自動(dòng)控制動(dòng)液面高度為600 m。階段生產(chǎn)20 d后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)施智能調(diào)控后，在線監(jiān)測(cè)的動(dòng)液面數(shù)據(jù)與實(shí)施前的相比誤差不大，基本吻合，曲線顯示比較平穩(wěn)，動(dòng)液面數(shù)據(jù)在500～550 m波動(dòng)，說明該井供液情況比較穩(wěn)定，注采井間連通性較好，蒸汽驅(qū)替持續(xù)比較平穩(wěn)有效。實(shí)施智能調(diào)控后，自動(dòng)監(jiān)測(cè)動(dòng)液面較高，泵沉沒度在400 m以上，供液能力充足。系統(tǒng)自動(dòng)控制電機(jī)調(diào)頻提速，抽油桿沖次從實(shí)施前的5次/min提高到6次/min，抽油泵排量增加，產(chǎn)液量由實(shí)施前的平均23.4 t/d提高到31.0 t/d，泵效由實(shí)施前的平均28.4%提高到實(shí)施后的31.3%，耗電量由243 kW?h/d下降到196 kW?h/d。

3.2.2 杜32-54-36井應(yīng)用情況

該井屬于井組中受蒸汽驅(qū)替作用效果較弱的生產(chǎn)井，油層中深1 022 m，泵深980 m，泵徑為57 mm，光桿沖程為3 m。智能調(diào)控系統(tǒng)安裝前后的生產(chǎn)中，測(cè)試動(dòng)液面和產(chǎn)液量比較穩(wěn)定，沖次和泵效變化明顯（見圖3和圖4）。

圖3 杜32-54-36井實(shí)施前后液面、沖次變化對(duì)比

圖4 杜32-54-36井實(shí)施前后日產(chǎn)液量、泵效變化對(duì)比

安裝智能調(diào)控系統(tǒng)后，設(shè)定自動(dòng)控制動(dòng)液面高度為700 m。階段生產(chǎn)20 d后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)施智能調(diào)控后，在線監(jiān)測(cè)的動(dòng)液面數(shù)據(jù)與實(shí)施前的相比誤差不大，基本吻合，曲線顯示比較平穩(wěn)，動(dòng)液面數(shù)據(jù)約在800 m波動(dòng)，說明該井供液情況雖然比較穩(wěn)定，但是動(dòng)液面較低，抽油泵沉沒度在200 m以下，供液能力不夠充足，注采井間連通程度較差，生產(chǎn)井受蒸汽驅(qū)替作用效果較弱。系統(tǒng)自動(dòng)控制電機(jī)調(diào)頻減速，沖次從實(shí)施前的5次/min降低到4次/min，緩慢抽吸油液，留出充足的時(shí)間讓油液入泵，提高泵效。產(chǎn)液量變化不大，約為15 t/d，但是泵效由實(shí)施前的平均 27.9%提高到實(shí)施后的 34.8%，耗電量由212 kW?h/d下降到173 kW?h/d。

3.2.3 效果分析

通過井組整體實(shí)施智能調(diào)控采油技術(shù)試驗(yàn)前后的對(duì)比得知，階段生產(chǎn)20 d后，整體增油1 100 t，油汽比為0.24，采注比達(dá)到1.32，平均單井檢泵次數(shù)減少1次，檢泵周期平均延長(zhǎng)32 d，有效降低了因泵體損耗而檢泵、檢桿等作業(yè)費(fèi)用，避免了抽油機(jī)系統(tǒng)和電能的無效損耗和浪費(fèi)。智能調(diào)控采油技術(shù)系統(tǒng)替代人工手動(dòng)操作管控調(diào)節(jié)采油，不但能夠提高系統(tǒng)效率，節(jié)能降耗，增加經(jīng)濟(jì)效益，而且在油井供液量充足時(shí)，產(chǎn)液量也會(huì)顯著增加。該系統(tǒng)完全適應(yīng)蒸汽驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)的需求，保證了蒸汽驅(qū)開發(fā)平穩(wěn)、順利進(jìn)行。

4 結(jié)論

通過運(yùn)用智能調(diào)控采油技術(shù)手段，大大提高了抽油機(jī)系統(tǒng)的工作效率，達(dá)到了穩(wěn)定泵效、提高產(chǎn)量、降低損耗、節(jié)能增效的目的。

（1）智能調(diào)控采油系統(tǒng)能夠通過多種傳感器，同步在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油井動(dòng)液面高度和懸點(diǎn)載荷等參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，并測(cè)算出油井供液能力，自動(dòng)調(diào)整抽油機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，維持抽油泵供排平衡，有效提高泵效和產(chǎn)量。

（2）智能調(diào)控采油系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)相當(dāng)于為機(jī)采系統(tǒng)安裝了眼睛，從而鎖定了油井供液能力與泵排能力的平衡點(diǎn)，使每一沖程的泵效最大化，避免泵體抽空干磨損耗泵體及機(jī)采系統(tǒng)，同時(shí)節(jié)省能耗。

（3）智能調(diào)控采油系統(tǒng)的示功圖繪制監(jiān)測(cè)功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)出桿斷、管漏、卡泵等井況故障情況，一旦機(jī)采系統(tǒng)出現(xiàn)生產(chǎn)異常，會(huì)自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)對(duì)故障進(jìn)行診斷，并啟動(dòng)自動(dòng)保護(hù)措施，保證生產(chǎn)安全。

（4）智能調(diào)控采油系統(tǒng)可以自動(dòng)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控抽油機(jī)等機(jī)采系統(tǒng)的工作動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化高效管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)油井故障，使生產(chǎn)更安全、決策更準(zhǔn)確，有效地節(jié)省了人力資源，提高了工作效率。