張 朋， 楊康敏， 張景輝， 楊 寬， 汪 斌， 馬 海

(1河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院 2河南油田采油二廠)

王集油田南三塊地處河南省唐河縣王集鄉(xiāng)，屬山區(qū)丘陵地帶，構(gòu)造位置位于泌陽凹陷北部斜坡王集斷裂鼻狀構(gòu)造帶內(nèi)，屬復(fù)雜含油斷塊，原油黏度300～1 200 mPa·s，含蠟26.9%，膠質(zhì)瀝青質(zhì)19.42%，油層出砂嚴(yán)重。于1987年投入開發(fā)，目前已進入高含水期開采。

為克服原油黏度高、膠質(zhì)及含蠟高的缺點，多采用螺桿泵采油系統(tǒng)進行稠油冷采[1-4]，但近年來隨著含水率不斷上升，油水矛盾不斷惡化，且油層出砂狀況日益嚴(yán)重，泵漏失、卡泵、封隔器釋封造成的工作量日益增多，這一切對螺桿泵井的現(xiàn)場的管理提出了更高的要求。

針對上述問題，開展了螺桿泵采油井智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，通過在井場安裝壓力、電參數(shù)、產(chǎn)液量實時監(jiān)控裝置，實時采集油井工作的各項參數(shù)，同時開發(fā)了智能化監(jiān)控軟件，實現(xiàn)了油井工況的智能化監(jiān)控。提高油井生產(chǎn)分析的及時性，降低了油井故障頻率，提高了開發(fā)效益。

一、技術(shù)方案

螺桿泵采油井遠程智能化監(jiān)控系統(tǒng)由實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、油井工況實時診斷系統(tǒng)組成，通過安裝的傳感器采集油井現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸，服務(wù)器對接收的數(shù)據(jù)進行處理、計算、發(fā)布，生產(chǎn)管理人員通過網(wǎng)絡(luò)實時瀏覽數(shù)據(jù)，掌握現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)[5]。

1. 數(shù)據(jù)實時采集技術(shù)方案

針對實際應(yīng)用過程中的螺桿泵井各項參數(shù)進行分析對比，確定螺桿泵井采集的參數(shù)，減少不必要數(shù)據(jù)的采集，優(yōu)化系統(tǒng)，提高工作效率，減少投資，降低后期維護費用。

(1)針對不能對油井工況實時分析優(yōu)化診斷、產(chǎn)液量連續(xù)計量的問題，通過油井流量自動監(jiān)測裝置實時采集產(chǎn)液量數(shù)據(jù)，考慮數(shù)據(jù)采集儀器、服務(wù)器本身的存儲能力，數(shù)據(jù)采集采用整點遠程傳輸模式，實現(xiàn)油井工況實時分析優(yōu)化診斷和產(chǎn)液量連續(xù)計量。

(2)針對人工錄取油套壓方式工作量大、無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動錄取的問題，增加油套壓自動采集并遠程傳輸功能，通過壓力變化反應(yīng)管線穿孔和堵塞問題；采集和傳輸數(shù)據(jù)操作為整點進行，完全可滿足管線監(jiān)控需要。

(3)針對不能實時了解螺桿泵井現(xiàn)場工作電壓、電流情況，增加對電壓、電流數(shù)據(jù)自動采集并遠程傳輸功能，通過電壓、電流數(shù)據(jù)的變化及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場出現(xiàn)問題的原因，提高現(xiàn)場問題分析判斷能力。

2. 油井工況實時診斷技術(shù)方案

通過研究泵漏失、管漏失、卡泵、斷脫等不同工況條件下測試的螺桿泵光桿扭矩值隨時間變化的規(guī)律及其特征，并通過相關(guān)文獻得出了特征識別曲線[6]。對螺桿泵電參數(shù)特征的不同特征進行診斷識別，完成螺桿泵典型井工況診斷軟件的編制。

(1)通過對螺桿泵電機的工作原理的研究，得出了輸出軸功率和電流的關(guān)系模型，即用電流、電壓和功率參數(shù)計算得出地面的輸出軸轉(zhuǎn)速，再計算出光桿轉(zhuǎn)速和輸出軸功率，最后計算出光桿扭矩，得到光桿扭矩隨時間變化的關(guān)系圖。

(2)通過對泵漏失、管漏失、卡泵和抽油桿斷脫等井工況的研究，得出故障發(fā)生時的光桿扭矩與時間的變化特征，并據(jù)此建立了電參數(shù)診斷模型。

(3)通過對電參數(shù)診斷模型的識別研究，編制了電參數(shù)診斷井工況的診斷軟件，能實現(xiàn)通過電參數(shù)診斷出螺桿泵的井工況故障類型。

二、技術(shù)組成

1. 數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)工作原理

油井自動化監(jiān)控管理系統(tǒng)通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集油井相關(guān)參數(shù)后，將采集到的數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送到數(shù)據(jù)中繼站(DRS)，數(shù)據(jù)中繼站(DRS)通過有線或者無線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理應(yīng)用系統(tǒng)，計算、處理后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布瀏覽。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成及功能

螺桿泵遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要包含油井流量自動檢測裝置、油套壓采集裝置、電壓電流采集裝置和數(shù)據(jù)中繼站(DRS)。系統(tǒng)各組成部分功能如下：

(1)油井流量自動監(jiān)測裝置。實時監(jiān)測油井產(chǎn)液量、轉(zhuǎn)速、井口回壓，并通過無線方式采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中繼站。

(2)電壓電流采集裝置。自動采集螺桿泵工作時的電壓電流數(shù)據(jù)，并通過無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼站。

(3)油套壓采集裝置。自動采集螺桿泵井油壓、套壓數(shù)據(jù)，通過無線方式發(fā)送至中繼站。

(4)中繼站(DRS)。中繼站通過無線方式接收油井流量自動監(jiān)測裝置、電壓電流采集裝置、油套壓采集裝置的數(shù)據(jù)，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。

2. 油井實時工況診斷系統(tǒng)

2.1 技術(shù)原理

螺桿泵采油井實時工況診斷技術(shù)，通過建立電參數(shù)推算光桿扭矩理論模型，將電參數(shù)曲線轉(zhuǎn)化為扭矩曲線，得出扭矩隨著時間的變化曲線，再通過理論分析，提取典型工況下的扭矩特征值，建立典型工況光桿扭矩特征集，通過特征值識別法實時診斷螺桿泵井工況[7],進一步形成螺桿泵采油井實時工況診斷軟件系統(tǒng)。

2.2 軟件構(gòu)成及功能

該軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)管理、工況診斷、生產(chǎn)優(yōu)化分析、幫助、退出5個子模塊，各模塊功能如下：

(1)螺桿泵井管理。主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、流體物性、電機和螺桿泵設(shè)備數(shù)據(jù)的管理，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢。

(2)工況診斷。將油井流量自動監(jiān)測裝置、油套壓采集裝置采集的產(chǎn)液量、轉(zhuǎn)速、油套壓數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入軟件系統(tǒng)，其它數(shù)據(jù)進行手動輸入，完成生產(chǎn)參數(shù)錄入后，點擊扭矩計算、動液面計算、基于扭矩曲線診斷，對油井進行診斷分析。

(3)生產(chǎn)優(yōu)化分析。針對診斷結(jié)果，對油井的產(chǎn)能進行優(yōu)化分析和優(yōu)化設(shè)計，以Word形式輸出優(yōu)化方案，指導(dǎo)油井生產(chǎn)。

(4)幫助。幫助模塊為新用戶的使用提供系統(tǒng)功能及各功能操作步驟的介紹，同時在使用中遇到操作問題，用戶可以通過搜索幫助模塊中的相關(guān)說明來解決。

(5)退出。退出菜單項用于退出此程序。

三、實例應(yīng)用

截止到目前，螺桿泵智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)已在王集油田安裝調(diào)試3口井，分不同時間進行現(xiàn)場工況診斷12井次，工況診斷結(jié)果與實際結(jié)果相符的有12井次，診斷符合率為100%。見表1。

表1 現(xiàn)場診斷結(jié)果統(tǒng)計表

四、結(jié)論

(1)針對螺桿泵采油系統(tǒng)工況診斷和優(yōu)化配套技術(shù)不完善的問題，開發(fā)了電參數(shù)測試儀、油壓傳感器、套壓傳感器、臥式翻斗流量計、數(shù)據(jù)中繼站等數(shù)據(jù)實時采集硬件系統(tǒng)，達到實時監(jiān)控螺桿泵采油系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。

(2)建立了電參數(shù)推算光桿扭矩模型，實現(xiàn)利用光桿扭矩診斷螺桿泵的工況診斷技術(shù)，克服了直接采用電流診斷時，電流特征相同實際工況不同的現(xiàn)象，工況診斷符合率高。

(3)對王集油田3口井12井次螺桿泵井進行診斷分析，計算得到的工況診斷結(jié)果與實際結(jié)果相符的有12井次，診斷符合率為100%。結(jié)果表明螺桿泵井實時診斷模型正確可靠，能夠提高油井生產(chǎn)分析的及時性，為數(shù)字化和信息化油田建設(shè)提供技術(shù)支持。

[1]黃有泉，何艷，曹剛，等.大慶油田螺桿泵采油技術(shù)新進展[J].石油機械，2003，31(11)：65-69.

[2]朱世佳,郝忠獻,王全賓,等.潛油直驅(qū)螺桿泵井下工況監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].石油機械,2017,45(9): 92-96.

[3]黃潤晶，張中慧，王慧莉，等.雙筒可洗井螺桿泵的研制與應(yīng)用[J].石油機械，2016，44(8)：71-74.

[4]付亞榮,馬永忠,李小永,等.螺桿泵定子與轉(zhuǎn)子軸向間隔的調(diào)整方法[J].石油機械,2017, 45(2):103-105.

[5]冉新權(quán)，朱天壽.油氣田數(shù)字化管理[M].北京：石油工業(yè)出版社.

[6]郭寶迎.螺桿泵井綜合診斷方法及應(yīng)用[J].長江大學(xué)學(xué)報，2014，14(11)：115-117.

[7]李高峰，崔雙定，王玉成，等.螺桿泵井生產(chǎn)診斷技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].鉆采工藝,2005，28(5)：116-118.