抽油機(jī)變速運(yùn)行智能控制技術(shù)深化研究與應(yīng)用

常鵬剛，高鵬，張勝利，衛(wèi)思祺，陶野，劉婷婷，李偉杰

(中國(guó)石油華北油田公司 工程技術(shù)研究院，河北 任丘 062552)

陸地油田開(kāi)發(fā)以抽油機(jī)井為主，隨著國(guó)際油價(jià)持續(xù)震蕩，人工成本上升，機(jī)采控制系統(tǒng)落后，生產(chǎn)作業(yè)成本高，已成為制約陸地油田開(kāi)采的主要難題?！笆濉蹦?，華北油田立足機(jī)采系統(tǒng)效率研究成果，研發(fā)了抽油機(jī)變速運(yùn)行智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)井的閉環(huán)控制、柔性運(yùn)行和移動(dòng)管控，大幅降低了抽油機(jī)井的運(yùn)行能耗，延長(zhǎng)了檢泵周期，縮減了管理成本，維持了華北油田抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的穩(wěn)步提升，取得了良好的節(jié)能和增油效果。為了進(jìn)一步擴(kuò)大該技術(shù)的應(yīng)用范圍，研究發(fā)現(xiàn)，井況適應(yīng)區(qū)間狹窄，控制策略可變參數(shù)單一，平衡調(diào)整機(jī)構(gòu)固定是制約抽油機(jī)變速運(yùn)行智能控制技術(shù)進(jìn)一步規(guī)?；瘧?yīng)用，亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 抽油機(jī)合理上下沖程時(shí)間比

應(yīng)用載荷隨動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)按需平穩(wěn)輸出之后，抽油機(jī)井能耗大幅下降，震動(dòng)載荷明顯減弱，系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，電機(jī)反向發(fā)電問(wèn)題也在一定程度上得到了解決[1-5]。但該控制策略并不能使全部實(shí)施井的泵效都達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，井況適應(yīng)區(qū)間較窄。與此同時(shí)，與50 Hz頻率的工頻運(yùn)行狀態(tài)相比，該控制策略也會(huì)導(dǎo)致抽油機(jī)井運(yùn)行沖次的下降，給生產(chǎn)單位按期完成配產(chǎn)指標(biāo)，帶來(lái)了潛在的風(fēng)險(xiǎn)。為此，進(jìn)行了抽油機(jī)合理上下沖程時(shí)間比的研究，旨在豐富和完善抽油機(jī)井變速運(yùn)行控制策略，拓寬油井適用范圍。

在抽油機(jī)合理上下沖程時(shí)間比的研究方面，國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有可供參考的控制模型和研究思路[6-19]。那么，在定沖次條件下，人為改變一個(gè)周期內(nèi)抽油機(jī)上下沖程的運(yùn)行時(shí)間，會(huì)給抽油機(jī)井的產(chǎn)量、泵效、有效沖程、載荷和能耗帶來(lái)怎樣的變化呢？為了獲得這一直觀的數(shù)據(jù)，特制定了詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案，并進(jìn)行了實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。

表1 定沖次、變上下沖程時(shí)間比測(cè)試數(shù)據(jù)

分析表1中的數(shù)據(jù)，當(dāng)抽油機(jī)井沖次設(shè)定為2.9次/min，把抽油機(jī)上下沖程時(shí)間比調(diào)整為1∶1.2時(shí)，抽油機(jī)井運(yùn)行能耗最低；把抽油機(jī)上、下沖程時(shí)間比調(diào)整為1∶1.5時(shí)，抽油機(jī)井產(chǎn)液量最高。并且，隨著下沖程時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，泵效逐漸升高。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，通過(guò)多因素關(guān)聯(lián)性分析，建立了多控制目標(biāo)與自尋優(yōu)相結(jié)合的抽油機(jī)井變速運(yùn)行智能控制模型，即針對(duì)不同的油井井況，選擇不同的控制目標(biāo)，并依據(jù)控制目標(biāo)，應(yīng)用自尋優(yōu)控制算法，優(yōu)化調(diào)整抽油機(jī)井運(yùn)行沖次、上下沖程時(shí)間比和頻率變化軌跡等參數(shù)，控制抽油機(jī)井實(shí)時(shí)處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)。以低產(chǎn)低效井為例，可選取能耗最低作為控制目標(biāo)，在保證產(chǎn)液量不減的前提下，通過(guò)自尋優(yōu)算法控制，使抽油機(jī)井達(dá)到能耗最低、產(chǎn)量最高、免修期最長(zhǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于高產(chǎn)井來(lái)說(shuō)，可選取最高產(chǎn)量作為控制目標(biāo)，通過(guò)系統(tǒng)自尋優(yōu)控制，促使油井產(chǎn)量得到一定提升，在確保按期完成配產(chǎn)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，使抽油機(jī)井運(yùn)行能耗和免修期達(dá)到最優(yōu)化狀態(tài)。

2 抽油機(jī)井平衡監(jiān)測(cè)與自動(dòng)調(diào)整

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐表明，抽油機(jī)井處于柔性運(yùn)行狀態(tài)之后，抽油機(jī)井的平衡度是影響其運(yùn)行效果的敏感因素[20-22]。因抽油機(jī)井不平衡導(dǎo)致的控制系統(tǒng)異常發(fā)熱，是目前面臨的主要問(wèn)題，對(duì)于產(chǎn)液波動(dòng)井來(lái)說(shuō)，這種影響更為突出。研究發(fā)現(xiàn)，主要是因?yàn)橐粋€(gè)固定的平衡狀態(tài)，很難適應(yīng)油井液量的頻繁波動(dòng)。目前，抽油機(jī)井平衡狀態(tài)的調(diào)整主要是通過(guò)增加或減少曲柄與尾梁配重來(lái)實(shí)現(xiàn)，而判斷抽油機(jī)井是否處于平衡狀態(tài)，主要依據(jù)的是峰值電流法?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)系統(tǒng)存在反向發(fā)電狀況時(shí)，峰值電流法并不能反映出抽油機(jī)井真實(shí)的平衡狀態(tài)。

為此，提出了應(yīng)用功率法判斷抽油機(jī)井平衡度的新思路，并在功率峰值平衡度的基礎(chǔ)上，提出了功率均值平衡度的概念，二者相互結(jié)合，過(guò)濾掉大量不合格的電參測(cè)試數(shù)據(jù)，真實(shí)地反映出抽油機(jī)井當(dāng)前的平衡狀態(tài)，某口抽油機(jī)井現(xiàn)場(chǎng)平衡測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所列。

表2 某口抽油機(jī)井平衡測(cè)試結(jié)果

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，盡管峰值平衡度測(cè)試結(jié)果都有數(shù)值，但是某些均值平衡度測(cè)試結(jié)果卻為0，該類(lèi)測(cè)試數(shù)據(jù)即為存在異常點(diǎn)的不合格電參測(cè)試數(shù)據(jù)，其評(píng)價(jià)結(jié)果并不能真實(shí)地反映出抽油機(jī)井的平衡狀態(tài)，只有當(dāng)功率峰值平衡度測(cè)試結(jié)果與功率均值平衡度測(cè)試結(jié)果均存在且相近時(shí)，該測(cè)試結(jié)果才能真實(shí)地反映出抽油機(jī)井當(dāng)前的平衡狀況。

依據(jù)新的平衡判斷標(biāo)準(zhǔn)，要使抽油機(jī)井實(shí)時(shí)處于平衡的運(yùn)行狀態(tài)，需要根據(jù)油井的液量變化實(shí)時(shí)判斷抽油機(jī)井的平衡狀況，并通過(guò)增加曲柄或尾梁處平衡塊的數(shù)量，或者調(diào)整曲柄平衡塊的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。但該方案不具備現(xiàn)實(shí)可操作性，主要有兩方面的原因： 一是抽油機(jī)型號(hào)種類(lèi)繁多，平衡方式多種多樣，很難形成統(tǒng)一的調(diào)平衡策略；二是平衡塊體積大、質(zhì)量大，調(diào)平衡需要停機(jī)操作，平衡調(diào)整時(shí)率較低，成本較高。通過(guò)對(duì)比分析影響抽油機(jī)井舉升系統(tǒng)平衡度的各種因素，發(fā)現(xiàn)油井液量波動(dòng)因素對(duì)抽油機(jī)井平衡度的影響所占的權(quán)重較小，用較小的扭矩就可克服。基于該研究結(jié)論，提出了柔性運(yùn)行狀態(tài)下，動(dòng)態(tài)調(diào)整抽油機(jī)井平衡度的新思路，即通過(guò)增加或減少曲柄或尾梁處平衡塊數(shù)量，或者調(diào)整曲柄平衡塊的位置，讓抽油機(jī)井首先達(dá)到一個(gè)初始的平衡狀態(tài)，該狀態(tài)下抽油機(jī)井并未達(dá)到真正的平衡狀態(tài)，然后在曲柄或尾梁處再動(dòng)態(tài)附加一個(gè)較小的扭矩，通過(guò)實(shí)時(shí)改變?cè)摳郊优ぞ氐拇笮?，從而使抽油機(jī)井實(shí)時(shí)處于真正的平衡狀態(tài)。依據(jù)該平衡度動(dòng)態(tài)控制方案，研發(fā)了抽油機(jī)井平衡監(jiān)測(cè)與自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，原理如圖1所示。

圖1 抽油機(jī)井平衡監(jiān)測(cè)與自動(dòng)調(diào)整控制原理示意

目前，設(shè)計(jì)了2種動(dòng)態(tài)調(diào)整抽油機(jī)井平衡度的方案，一是在抽油機(jī)尾梁上附加一段特殊油梁，在該油梁上安裝1塊特定質(zhì)量的平衡塊，該平衡塊在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可以前進(jìn)和后退，從而動(dòng)態(tài)改變附加平衡扭矩的大小，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井平衡度的動(dòng)態(tài)調(diào)整；二是在抽油機(jī)尾梁上附加1個(gè)儲(chǔ)液罐，地面再配備1個(gè)儲(chǔ)液罐，2個(gè)儲(chǔ)液罐之間通過(guò)軟管連接，尾梁儲(chǔ)液罐通過(guò)泵入液體和泄放液體的方式，動(dòng)態(tài)調(diào)整附加平衡扭矩的大小，達(dá)到調(diào)整抽油機(jī)井平衡度的目的。其中，方案一依據(jù)的基本物理原理是： 給定力的大小，通過(guò)調(diào)整力臂的大小，動(dòng)態(tài)改變平衡扭矩的大?。欢桨付∏∠喾?，給定力臂的大小，通過(guò)調(diào)整力的大小，動(dòng)態(tài)改變平衡扭矩的大小。兩種方案沒(méi)有優(yōu)劣之分，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況靈活選擇。

3 抽油機(jī)變速運(yùn)行遠(yuǎn)程智能控制

抽油機(jī)變速運(yùn)行遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)的前期方案是以單片機(jī)程序?yàn)楹诵牡目刂葡到y(tǒng)，該控制模式很好地解決了一對(duì)一單井變速運(yùn)行的控制問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)油井特定的井況，設(shè)定與之相匹配的運(yùn)行參數(shù)，控制抽油機(jī)按目標(biāo)策略運(yùn)行。該控制系統(tǒng)結(jié)合遠(yuǎn)程終端控制單元和油井?dāng)?shù)據(jù)采集傳感器，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)井的閉環(huán)控制、柔性運(yùn)行和移動(dòng)智能終端無(wú)線直連，提高了抽油機(jī)井智能化管理水平。但是在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)核心控制程序算法結(jié)構(gòu)單一，可控參數(shù)較少，無(wú)法進(jìn)行較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析與運(yùn)算結(jié)果優(yōu)化，成為制約其深化應(yīng)用的最大短板。

為此提出了前端控制與后臺(tái)云端分析相結(jié)合的控制方案，簡(jiǎn)化前端控制設(shè)備運(yùn)算負(fù)擔(dān)，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析與耗時(shí)運(yùn)算轉(zhuǎn)移至后臺(tái)云端，讓前端控制設(shè)備僅僅成為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、接受云端控制策略和控制抽油機(jī)運(yùn)行的控制機(jī)構(gòu)，讓后臺(tái)云端服務(wù)器成為監(jiān)測(cè)抽油機(jī)井運(yùn)行狀態(tài)、優(yōu)化抽油機(jī)井運(yùn)行參數(shù)，生成新控制策略的決策機(jī)構(gòu)。通過(guò)油田自建的高帶寬內(nèi)網(wǎng)或工業(yè)專用VPN網(wǎng)絡(luò)，把前端控制設(shè)備與后臺(tái)云端服務(wù)器串聯(lián)在一起，形成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)?；谠摲桨福邪l(fā)了抽油機(jī)變速運(yùn)行遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的基本架構(gòu)和組成形式如圖2所示。該系統(tǒng)前端控制設(shè)備主要由閉環(huán)柔性控制器、變頻器和平衡調(diào)整控制器等設(shè)備構(gòu)成；后臺(tái)云端分析部分主要由油井產(chǎn)量計(jì)算、工況診斷、策略生成、平衡監(jiān)測(cè)與分析等模塊構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)在繼承原來(lái)單片機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了全面的升級(jí)和完善，解決了控制策略可變參數(shù)單一、平衡無(wú)法實(shí)施監(jiān)測(cè)和自動(dòng)調(diào)整的難題，拓寬了抽油機(jī)變速運(yùn)行智能控制技術(shù)的井況適用范圍?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)控試驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)完全滿足數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程交互的帶寬需求，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，響應(yīng)及時(shí)，整體可靠性高。

圖2 抽油機(jī)變速運(yùn)行遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)組成架構(gòu)示意

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

優(yōu)化和完善后的抽油機(jī)變速運(yùn)行智能控制技術(shù)在華北油田得到了進(jìn)一步的規(guī)模化推廣應(yīng)用。截至目前，該技術(shù)在華北油田已累計(jì)應(yīng)用572口井，與同等條件下工頻運(yùn)行模式相比，抽油機(jī)井泵效平均提高13.4%，系統(tǒng)效率平均提高5.9%，單井日耗電量平均下降19.7%，各采油廠實(shí)施井應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3所列。

選取檢泵周期具有可對(duì)比性的實(shí)施井，統(tǒng)計(jì)應(yīng)用前后的檢泵周期數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，實(shí)施井檢泵周期同比延長(zhǎng)30%以上，并且目前還處于正常的運(yùn)轉(zhuǎn)階段。部分實(shí)施井檢泵周期統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4所列。

表3 各采油廠實(shí)施井應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)

表4 部分實(shí)施井檢泵周期統(tǒng)計(jì)結(jié)果

以阿爾3-263井為例，應(yīng)用變速運(yùn)行智能控制技術(shù)之前，該井處于工頻運(yùn)行模式，沖次為3.37次/min，測(cè)試示功圖顯示，該井嚴(yán)重供液不足，實(shí)施變速運(yùn)行智能控制技術(shù)之后，沖次下降了1.28次/min，產(chǎn)液量基本保持不變，日耗電量下降了73.22 kW·h；泵效提高12.2%，最大載荷下降2 kN，系統(tǒng)效率提高了5.4%，噸液百米耗電量從2.89 kW·h下降到1.84 kW·h。并且在應(yīng)用變速運(yùn)行智能控制技術(shù)之后，該井還未進(jìn)行過(guò)檢泵作業(yè)，對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表5所列。

表5 阿爾3-263井工頻運(yùn)行與變速運(yùn)行效果對(duì)比結(jié)果

該技術(shù)在華北油田的單井投資成本為5萬(wàn)元/口井，截至目前，累計(jì)投資2 860萬(wàn)元，所有實(shí)施井已累計(jì)節(jié)電9.61×106kW·h，累計(jì)增油2 270 t，減少檢泵次數(shù)46井次，累計(jì)創(chuàng)效1 456.5萬(wàn)元，取得了良好的節(jié)電、增油及經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)探究了抽油機(jī)合理上下沖程時(shí)間比，建立了多控制目標(biāo)與自尋優(yōu)相結(jié)合的抽油機(jī)井變速運(yùn)行智能控制模型，拓寬了抽油機(jī)變速運(yùn)行智能控制技術(shù)的井況適用范圍。

2)應(yīng)用功率峰值平衡度與功率均值平衡度，剔除掉了存在異常點(diǎn)的不合格電參測(cè)試數(shù)據(jù)，提高了判斷抽油機(jī)井平衡度的準(zhǔn)確度。

3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，應(yīng)用多目標(biāo)控制與自尋優(yōu)相結(jié)合的變速運(yùn)行控制策略，可以進(jìn)一步降低抽油機(jī)井的運(yùn)行能耗，延長(zhǎng)檢泵周期，提高抽油機(jī)井的智能化管理水平。