龍　瑩，劉芳超，王思琪，邵崇權

(1.大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163000；2.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；3.中國石油技術開發(fā)公司，北京 100009)

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基于電參數的抽油機卡泵預警規(guī)律研究

龍瑩1，劉芳超1，王思琪2，邵崇權3

(1.大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163000；2.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；3.中國石油技術開發(fā)公司，北京 100009)

摘要：隨著油田進入采油中后期，三元驅以及聚驅方式的實施，引起采出液在抽油泵柱塞和泵筒間結蠟或結垢，造成了抽油泵的檢泵周期縮短，嚴重影響了抽油機井的工作時效。從理論上分析了抽油泵摩擦載荷對懸點載荷的影響，同時設計并加工了實時檢測儀，現場跟蹤了抽油機卡泵的懸點載荷及電參數的變化規(guī)律，并以試驗為基礎，編制了抽油機卡泵預警程序，為現場的卡泵分析提供了技術支撐，同時為現場的預防卡泵措施的制定提供了參考。

關鍵詞：抽油機；卡泵；試驗測試；預警

抽油泵是抽油機系統(tǒng)井下關鍵部件，其高效運行是提高抽油機系統(tǒng)工作效率的關鍵[1]。隨著采油強度的增加，特別在聚合物驅及三元復合驅的油井區(qū)塊，驅油方式的多樣性，使得油井采出液復雜多變，主要表現在采出液含聚、含蠟導致井下采出液結蠟或結垢，進而導致活塞與泵筒間隙變小，最終引起抽油泵卡泵[2-3]。目前，對于聚驅或三元驅區(qū)塊，抽油泵卡泵已經成為制約抽油機高效運行的主要因素，因此，如何及時觀測抽油泵的運行狀態(tài)，合理預防抽油泵卡泵是采油中后期抽油機高效運行需要解決的主要難題之一。

目前采取的措施是針對抽油泵卡泵主要研究抽油泵結蠟或結垢的原因，分析其化學組分，研究相應的清蠟或清垢的措施，定期向井筒內加入防蠟劑或防結劑[4]，同時制定相應防止卡泵的操作措施，例如減少停機井數及停機時間，以防止蠟或垢進入泵筒等。上述研究方法在延緩卡泵方面具有一定的效果，但措施具有盲目性，不能根據井下抽油泵的工作狀況合理地制定清蠟或清垢措施，主要原因在于無法獲得由于抽油泵卡泵所引起的地面參數變化規(guī)律。本文通過理論分析及現場檢測，獲得抽油泵卡泵前電參數的變化規(guī)律，并編制程序，通過地面參數對井下抽油泵的運行進行監(jiān)測，實現卡泵預警，為地面制定防卡措施提供支持。

1井下摩擦載荷對地面參數的影響分析

抽油機懸點示功圖反應了井下抽油桿及抽油泵工作時的受載狀況，當抽油泵工作時，抽油機驢頭上、下沖程懸點載荷可表達為：

P上=P靜上+P慣上+P振+P摩上

P下=P靜下-P慣下-P振-P摩下

式中，P上是上沖程的懸點載荷，單位為N；P下是下沖程的懸點載荷，單位為N；P靜上是上沖程的靜載荷，單位為N；P靜下是下沖程的靜載荷，單位為N；P慣上是上沖程的慣性載荷，單位為N；P慣下是下沖程的慣性載荷，單位為N；P振是振動載荷，單位為N；P摩上是上沖程的摩擦載荷，單位為N；P摩下是下沖程的摩擦載荷，單位為N。

通過載荷分析可知，懸點最大、最小載荷分別出現在下沖程剛開始的上死點和上沖程剛開始的下死點附近，所以最大、最小載荷公式分別為：

Pmax=P靜上+P慣上+P振+P摩上

Pmin=P靜下-P慣下-P振-P摩下

當抽油機結構及抽汲參數一定時，抽油桿懸點所受靜載荷是一定的，抽油桿慣性載荷和振動載荷也一定，摩擦載荷不僅與沖程、沖次有關，還與液體粘度、柱塞與泵筒間隙有關；因此，當井下井液性質發(fā)生變化時，可直接反應在懸點載荷中。

圖1　摩擦載荷增大引起靜示功圖的變化

2抽油機懸點載荷、電參數與卡泵關系的現場試驗研究

為了實時監(jiān)測抽油泵在卡泵過程中懸點功圖及電參數的變化規(guī)律，自主設計并加工了井口懸點參數及電參數測試儀，并在大慶油田某聚驅井進行了現場試驗。試驗井的抽油機機型為CYJY10-4.2-53HB，測試時間為2009年9月5日-2009年10月28日，于2009年10月28日下午1點多卡泵。試驗井基本參數見表1。

表1　試驗井油井參數

將測試得到的不同時刻懸點功圖進行對比(見圖2)，不同時刻電動機平均功率及電流的變化分別如圖3和圖4所示。

圖2　不同時刻X1-31-P55井懸點功圖對比

圖3　不同時刻電動機平均功率變化曲線

圖4　不同時刻電動機平均電流變化曲線

由圖2可以看出：1)隨著抽油泵結垢程度增大，懸點的最大載荷逐漸增大，懸點的最小載荷有所減小，且最大載荷的增大幅值較大，最小載荷減小的不明顯；2)懸點載荷上沖程的振動規(guī)律變化不大，下沖程的振動增加；3)桿柱的彈性變形增加，沖程損失增大；4)由于摩擦載荷的增大使得懸點功圖的起始點降低，這是由于在抽油桿運動初期，桿柱的質量由摩擦載荷平衡了一部分，使得懸點載荷降低；5)摩擦載荷增大后，在上、下沖程轉化過程中，摩擦載荷存在換向，使得摩擦載荷作用過程較長，懸點載荷卸載較慢。

由圖3和圖4可以看出，隨著摩擦載荷的增大，電動機的平均功率逐漸增大，說明電動機的耗能增加，電動機的平均功率增大率由0逐漸增大到19.88%，在卡泵當天的功率增加率為19.46%，當功率增加率到10%～14%時抽油泵運行了約10 d，在2009年10月19日之后，功率增加率急劇增大，高位運行2 d后，功率增加率又回落到約為8%，隨后出現卡泵；因此，當抽油泵出現卡泵時，載荷增加率變化較為明顯，且一直處于高位變化，約5 d之后出現卡泵。根據功率變化率曲線圖可以看出，當功率變化率>14%時，抽油泵遇到特殊情況，卡泵事故極易發(fā)生。

3抽油機卡泵預警實時監(jiān)測程序的編制

根據上述理論分析及現場試驗，通過油井基本參數計算并確定標準功圖，以標準功圖為基準，將以懸點最大載荷增加量判定抽油泵的結垢程度，即:

ΔPB-Plin≥0

式中，ΔPB是懸點載荷最大增量，單位為N；Plin是臨界懸點載荷增量，單位為N。

如果滿足上述載荷的變化規(guī)律，且滿足上式條件，則提出預警信號。當以電參數作為判斷標準時，以懸點功圖的變化規(guī)律為基礎，結合扭矩因數，可計算一個沖程內功率變化曲線。將懸點的載荷增量折算到功率增量中，由于不同機型的扭矩因數不同，則功率增量也不同。不同機型的臨界載荷增量與臨界功率增量的關系如下。

1)CYJ8-3-37HB型與CYJ10-3-37HB型為：

ΔP=-0.003 3ΔF4+0.091 8ΔF3-0.819ΔF2+4.525 8ΔF+0.008 4

2)CYJY10-3-37HB型與CYJY8-3-37HB型為：

ΔP=0.000 2ΔF4+0.004ΔF3-0.163 2ΔF2+2.287 5ΔF+0.0378

3)CYJY10-4.2-53HB型為：

ΔP=-0.005 9ΔF4+0.148 9ΔF3-

1.286 2ΔF2+5.761 2ΔF+0.015 5

4)CYJY14-5.5-89HF型為：

ΔP=-0.001 5ΔF4+0.046 9ΔF3-

0.540 1ΔF2+4.421 8ΔF+0.015 5

5)CYJY14-6-89HF型為：

ΔP=-0.000 6ΔF4+0.024 6ΔF3-

0.389 4ΔF2+4.432 3ΔF+0.095 4

根據臨界功率增量，可確定臨界的電流增量為：

根據上述公式，在確定臨界載荷增量的條件下，結合機型可確定臨界功率增量及臨界電流增量，當測試得到的功率增量大于臨界功率增量，或電流增量大于臨界電流增量時，則提出預警信號。

為完成上述分析，編制了懸點載荷與卡泵規(guī)律的計算軟件，抽油機井結垢預警分析程序主界面如圖5所示。該軟件可根據油井基本參數，通過測試的懸點載荷或電動機功率判斷井下抽油泵的卡泵程度，給出結垢進度，為卡泵預警提供技術支撐。

圖5　抽油機井結垢預警分析程序主界面

4結語

通過上述分析，可以得出以下結論。

1)通過對抽油泵結垢引起增大摩擦載荷的規(guī)律分析發(fā)現，摩擦載荷受運動速度影響較小，因此，其對懸點載荷的影響主要表現在懸點最大載荷增加，最小載荷減小，且沖程損失增加。

2)現場試驗表明，抽油泵結垢嚴重時，懸點載荷表現為上沖程的最大載荷增加，上、下沖程轉換過程中載荷下降緩慢，且下沖程最小載荷降低較小。與理論分析基本吻合，下沖程載荷的降低幅值與上沖程載荷的增加幅值不相等，主要原因在于抽油機井下沖程過程是抽油桿柱的自由落體運動與抽油機懸點運動相互耦合作用，它們之間相互影響；因此，結垢后下沖程最小載荷的準確計算較為困難。鑒于此，在診斷抽油泵結垢程度時，主要參考上沖程最大載荷的增加幅值。

3)以建立的臨界載荷為基礎，結合不同機型，獲得了以功率或電流為參數的判斷臨界值，編制了抽油機井卡泵預警程序，可實現對抽油機井卡泵程度的預警。

參考文獻

[1] 崔振華，余國安，安錦高，等.有桿抽油系統(tǒng)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1994.

[2] 李金玲，李天德，陳修君，等.強堿三元復合驅結垢對機采井的影響及解決措施[J].大慶石油地質與開發(fā)，2008，27(3)：89-91.

[3] 徐典平，薛家鋒，包亞臣，等.三元復合驅油井結垢機理研究[J].大慶石油地質與開發(fā)，2001,20(2)：98-100.

[4] 李金玲，馮海泉，祝英俊，等.三元復合驅抽油機井卡泵初期的處理方法[J].油氣田地面工程，2012,31(12)：90.

責任編輯鄭練

Research on the Law of Stuck Pumping Forecast of Pumping Unit based on Electrical Parameter

LONG Ying1, LIU Fangchao1, WANG Siqi2, SHAO Chongquan3

(1.Daqing Oilfield Company, Daqing 163310, China; 2.Northeast Petroleum University, Department of Mechanical Science and Engineering, Daqing 163310, China; 3.China Petroleum Technology & Development Corporation, Beijing 100009, China)

Abstract：As the production of oilfield goes into middle and later periods, the ASP flooding and polymer flooding is used, it makes that the produced liquid paraffin depositing or scaling between the plunger and pump barrel increases, the pump inspection cycle is shortened and the efficiency of pumping unit is slowed. The influence of friction load on polished rod load is analyzed in theory, the detector is designed and processed. Through tracking the polished rod load and electrical parameter before stuck pumping, and based the experiment date, the procedure to forecast stuck pumping is established, the procedure can provide technical support for analyzing stuck pumping, and can provide reference for making measures to prevent stuck pumping in oilfield.

Key words:pumping unit, stuck pumping, experimental test, forecast

中圖分類號：TE 35

文獻標志碼:A

收稿日期：2015-11-17

作者簡介：龍瑩(1987-)，女，工程師，大學本科，主要從事采油工程及測試等方面的研究。