關(guān)成堯，檀朝東，田春華，曹書瑜，張立會(huì)，閆學(xué)峰

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京昌平， 102249；2.北京雅丹石油技術(shù)開發(fā)有限公司；3.IBM（中國(guó)）研究院；4.中國(guó)石油青海油田公司）

隨著油田自動(dòng)化技術(shù)和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展［1－5］，新的物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)理念也融入了油氣田的生產(chǎn)過程之中［6－8］。為了提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率及損耗監(jiān)測(cè)分析的實(shí)時(shí)性，需要研究應(yīng)用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的抽油機(jī)井系統(tǒng)效率及損耗構(gòu)成的模型，為油田的節(jié)能降耗提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)效率分析計(jì)算模型思路

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，目前可以實(shí)時(shí)高效地采集抽油機(jī)井的油壓、套壓、回壓、電參數(shù)、功圖、油溫等主要參數(shù)。動(dòng)液面目前還沒有成熟的實(shí)時(shí)測(cè)試手段，仍要人工測(cè)試；產(chǎn)液量能夠做到實(shí)時(shí)計(jì)算［1－5］。這些實(shí)時(shí)測(cè)試的參數(shù)為系統(tǒng)效率的實(shí)時(shí)計(jì)算提供了數(shù)據(jù)支撐。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)把單井及邊遠(yuǎn)站庫(kù)采集的數(shù)據(jù)采用無(wú)線傳感網(wǎng)、專網(wǎng)和公網(wǎng)無(wú)線技術(shù)（融合 WSN、Mcwill、WiMAX、WiFi、3G、GPRS、CDMA、衛(wèi)星等無(wú)線傳輸技術(shù)）組成無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；其余計(jì)量間、中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站等站庫(kù)和距站庫(kù)較近井場(chǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及視頻信號(hào)通過有線網(wǎng)絡(luò)相連來(lái)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸［7－8］。

和油井的系統(tǒng)效率相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)采集與傳輸內(nèi)容主要包括如圖1的主要節(jié)點(diǎn)，地面電控柜節(jié)點(diǎn)主要采集三相電壓、三相電流、功率因數(shù)，很多電參數(shù)采集硬件直接算出了有功功率曲線、無(wú)功功率曲線、功率因數(shù)曲線。井口節(jié)點(diǎn)主要采集流量（產(chǎn)液量）、油壓、套壓、回壓等參數(shù)，應(yīng)用多相流計(jì)算可以獲得泵排出壓力。環(huán)空壓力可以通過回聲儀獲得動(dòng)液面或者應(yīng)用毛管測(cè)壓獲得環(huán)空泵入口的壓力數(shù)據(jù)。

2 效率分析計(jì)算模型

2.1 主要參數(shù)的處理

2.1.1 電參數(shù)的處理

隨著物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的進(jìn)步，電參數(shù)可以采集電壓、電流、功率因數(shù)（曲線），以及據(jù)此可以獲得有功功率（曲線）、無(wú)功功率（曲線）。

（1）有功功率等曲線的處理。①判斷上下沖程線：根據(jù)數(shù)據(jù)采集中的時(shí)鐘統(tǒng)一，可以取得儀器儀表的時(shí)鐘統(tǒng)一。②有功功率：曲線必須需上沖程、下沖程分別求積分面積得正功面積A1、A2和負(fù)功面積A3、A4，這里的兩個(gè)負(fù)功面積A3、A4可能是不存在的。而據(jù)此計(jì)算的有功功率分別為PA1，PA2，PA3，PA4。

（2）負(fù)向發(fā)電功率的處理。負(fù)功面積A3、A4在實(shí)際應(yīng)用中可以部分的回饋電網(wǎng)，部分被用電設(shè)備利用，一般認(rèn)為大約有40%可以被利用，同時(shí)負(fù)向發(fā)電也會(huì)產(chǎn)生諧波污染，增加電網(wǎng)線路的損耗。實(shí)際的有功功率計(jì)算采用有功功率曲線積分法。

同時(shí)獲得了不同時(shí)間（位移）處的實(shí)時(shí)有功功率序列Pinwi和實(shí)時(shí)功率因數(shù)序列Pcosφi，i＝1～n，為功率曲線的測(cè)點(diǎn)數(shù)。

2.1.2 光桿功率

采集回的地面功圖進(jìn)行面積積分即可獲得光桿功率Prod（kW）：

圖1 抽油機(jī)井實(shí)時(shí)計(jì)算模型的程序流程框

式中：Sr——地面功圖積分面積，橫坐標(biāo)單位為m，縱坐標(biāo)載荷的單位為kN。

2.1.3 泵功率

根據(jù)地下功圖面積折算，即

式中：Sp——泵功圖積分面積，單位同地面功圖。

泵功圖的求解方法采用地面功圖經(jīng)過求解波動(dòng)方程獲得計(jì)算［2］，也可以采用標(biāo)定液量收斂法獲得泵功率的計(jì)算與修正。

2.1.4 實(shí)際產(chǎn)液量Q（t／d）

實(shí)際的產(chǎn)液量可以采用 “示功圖”計(jì)算［1－5］，也可以采用流量計(jì)等抽樣計(jì)算。目前的“示功圖”計(jì)算油井產(chǎn)液量技術(shù)能夠反映油井的液量動(dòng)態(tài)，適合作為適時(shí)的液量計(jì)量（計(jì)算）手段，泵效等的計(jì)算也依據(jù)此方法進(jìn)行。

2.2 井筒多相流計(jì)算模型

混合液密度應(yīng)用多相流方法［7］來(lái)計(jì)算，已知液量和含水、飽和壓力、氣油比，計(jì)算沿程的壓力梯度、持液率等數(shù)據(jù)，迭代到泵出口壓力，可以根據(jù)需要選擇多相流計(jì)算模型，如定向井應(yīng)用Beggs－brill方法［8］。計(jì)算時(shí)需要重力壓差和摩阻壓差分別計(jì)算，分別求和，獲得摩阻壓差和總壓差。

首先根據(jù)泵深Hp設(shè)置迭代步長(zhǎng)ΔH和迭代次數(shù)n，迭代i＝1～n。一般多相流計(jì)算模型中的壓降計(jì)算模型均包括摩阻壓差ΔP1i、重位壓差ΔP2i和加速壓差ΔP3i這3個(gè)部分。多相流方法的壓力梯度的計(jì)算迭代也存在摩阻壓差ΔP1i、重位壓差ΔP2i和加速壓差ΔP3i的計(jì)算，則可以計(jì)算出泵排出壓力Ppout（MPa）、全井筒的總的摩阻壓降 P1（MPa）、油管摩阻損失功率P1t（kW）、泵輸出功率Ppo（kW）等井筒流動(dòng)參數(shù)。

沉沒壓力Ps（MPa）是影響抽油機(jī)井舉升的重要指標(biāo)參數(shù)，對(duì)于液面測(cè)試的井，計(jì)算如下：

如果采用毛管測(cè)壓，Ps即為泵深處的毛管壓力；如果測(cè)試深度與下泵深度不同，則需要折算成泵深度。對(duì)于套管環(huán)空放氣井，環(huán)空中的壓力折算采用環(huán)空放氣多相流模型進(jìn)行計(jì)算［9－11］。

2.3 電機(jī)效率計(jì)算

電機(jī)部分的損耗構(gòu)成計(jì)算有兩種數(shù)據(jù)方法，一種是地面參數(shù)測(cè)試沒有功率因數(shù)cosφ數(shù)據(jù)的情況，可以應(yīng)用電機(jī)額定功率Pe來(lái)估算；另一種是有實(shí)時(shí)功率因數(shù)cosφ的情況，應(yīng)用實(shí)時(shí)功率因數(shù)cosφ來(lái)計(jì)算。

2.3.1 應(yīng)用電機(jī)負(fù)載率計(jì)算電機(jī)效率

根據(jù)國(guó)內(nèi)一般電機(jī)的特性曲線［2］，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，形成所代表的電機(jī)負(fù)載率與電機(jī)效率之間的關(guān)系。該方法具有一定的經(jīng)驗(yàn)性，電機(jī)負(fù)載率定義為Fm（%），已知電機(jī)額定功率Pe，則有：

應(yīng)用電機(jī)負(fù)載率Fm計(jì)算電機(jī)效率ηm分段計(jì)算式為：

根據(jù)地面有功功率曲線計(jì)算的實(shí)時(shí)有功功率序列Pinwi可分別計(jì)算出不同時(shí)間的負(fù)載率Fmi電機(jī)效率ηmi。

2.3.2 應(yīng)用實(shí)時(shí)功率因數(shù) 計(jì)算電機(jī)效率

應(yīng)用實(shí)時(shí)功率因數(shù)cosφ計(jì)算電機(jī)效率ηm分段計(jì)算式為：

根據(jù)地面功率因數(shù)曲線計(jì)算的實(shí)時(shí)功率因數(shù)序列cosφi可分別計(jì)算出不同時(shí)間的電機(jī)效率ηmi，采用式（16）計(jì)算得到，則電機(jī)損耗功率ΔPm：

對(duì)于井場(chǎng)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)［11］，由于補(bǔ)償后功率因數(shù)提高，計(jì)算的相關(guān)指標(biāo)也相應(yīng)的變化，達(dá)到節(jié)能的效果。

2.4 舉升指標(biāo)計(jì)算

皮帶、四連桿加減速箱效率：

而地面系統(tǒng)效率為：

有效舉升高度 Hef（m）、有效功率Pef（kw）、抽油泵的機(jī)械效率ηp（%）、方液日耗電量Wdq（kW·h）、系統(tǒng)效率η（%）等指標(biāo)計(jì)算如下：

抽油泵泵效率是指泵的機(jī)械效率，代表泵節(jié)點(diǎn)的能耗指標(biāo)。和傳統(tǒng)的泵效不同，傳統(tǒng)泵效是指泵的實(shí)際排液量和理論排量的比值，泵效不代表泵節(jié)點(diǎn)的能耗指標(biāo)。

3 應(yīng)用

依據(jù)以上模型，采用物聯(lián)網(wǎng)采集、傳輸與處理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲得系統(tǒng)效率與各個(gè)節(jié)點(diǎn)的損耗，構(gòu)成分解計(jì)算數(shù)據(jù)，應(yīng)用本模型編制的物聯(lián)網(wǎng)軟件在油田應(yīng)用1200井次。雖然該方法具有一定的經(jīng)驗(yàn)性，但是能夠達(dá)到實(shí)時(shí)獲得抽油機(jī)井舉升系統(tǒng)的能耗構(gòu)成指標(biāo)及動(dòng)態(tài)，獲得抽油機(jī)井的實(shí)時(shí)系統(tǒng)損耗構(gòu)成，為油田的節(jié)能降耗提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支撐，也為油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提供了支撐。

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