婁治生 李長生（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

前言

葡萄花油田部分區(qū)塊的注采出現(xiàn)失衡，呈現(xiàn)出“注少采多”的局面。采出端機采參數(shù)已降至最低，機采井的動液面仍不能有效恢復，部分機采井的沉沒度一度達到了50 m水平，甚至更低，液面抽空導致燒泵危險急劇增加。因此，油田及時采取了間抽措施。全廠間抽總井數(shù)達到1050口，約占總開井數(shù)的25%。

技術人員結合地層性質(zhì)、基礎數(shù)據(jù)，綜合分析動液面恢復資料，以“動液面合理，產(chǎn)量最優(yōu)”為原則[1]，為不同單井制定了間抽制度，并下發(fā)基層隊執(zhí)行?；鶎雨犜趫?zhí)行過程中普遍反映，由于單井每日需啟、停各1次，且不同井的啟、停時間不一，工作量較大，工人勞動強度高，且執(zhí)行過程中影響因素過多，總體效果不盡理想。為此，開展間抽井自動啟停技術研究，最終優(yōu)選了不停井間抽技術在葡萄花油田進行試驗并進行規(guī)模推廣。

1 技術方案設計與技術原理

1.1 方案設計

為防止不停井間抽技術出現(xiàn)功能缺陷，對用戶以及礦場實際進行了充分的調(diào)研，同時充分考慮多種影響因素，以“滿足功能、效果最優(yōu)”作為基本原則，在電子設備選擇、通訊兼容情況等方面嚴把質(zhì)量關，并經(jīng)多次室內(nèi)實驗，確保設計無缺陷。設計方案見圖1。

圖1 方案設計

1.2 設備組成

圖2 工作原理

該技術以抽油機現(xiàn)有變頻控制箱為基礎，在其上加裝通訊模塊和間抽控制裝置，并在抽油機減速箱外部安裝感知曲柄位置的傳感器。間抽控制裝置與變頻器之間通過通訊模塊實現(xiàn)通訊，進而實現(xiàn)抽油機的連續(xù)運行與非連續(xù)運行之間的自由切換，在傳感器的配合下完成間歇狀態(tài)時的搖擺控制[2]。

1.3 基本原理

間抽控制裝置通過微控制器將控制指令通過RS485通訊模塊傳送給變頻器的DSP主控芯片，變頻器按照控制指令進行整周期正常運行，同時將運行狀態(tài)反饋給間抽控制器，當整周期運行時間達到設定的時間時，間抽控制器向變頻器發(fā)送一個擺動運行指令，變頻器接收到指令后，抽油機曲柄運行到位置傳感器附近時，運行方式轉(zhuǎn)換為擺動運行，并將當前擺動頻率和擺動角度等信息回饋給間抽控制器，當正向擺動角度到達所設定的角度時，間抽控制器發(fā)出反轉(zhuǎn)指令，變頻器通過主控芯片處理控制逆變模塊的工作狀態(tài)，從而驅(qū)動電動機反轉(zhuǎn)，當反轉(zhuǎn)到達所設定的角度時，輔助控制器發(fā)出正轉(zhuǎn)指令，變頻器驅(qū)動電動機正轉(zhuǎn)，直到擺動時間到達設定時間后重新切換到整周期正常運行，使抽油機井處在整周期正常運行和曲柄小幅度擺動運行的一個周期性的運行方式下，實現(xiàn)間抽井不停井連續(xù)運行（圖2）。

2 現(xiàn)場應用

2.1 系統(tǒng)的準確性

對電動機是否按照系統(tǒng)設計的停、啟時刻進行停止和啟動即系統(tǒng)的準確性進行驗證?，F(xiàn)場采取技術人員小規(guī)模盯井與基層員工大規(guī)模跟蹤兩種方式進行驗證。

1）技術人員以隨機抽樣的方式選取停井時間較短（一般為2～4 h）的不同單位的井共10口，累計派出5組技術人員進行現(xiàn)場盯井，填寫盯井情況表，分析驗證系統(tǒng)的準確性。數(shù)據(jù)跟蹤結果見表1。

2）技術單位制定大規(guī)模跟蹤方案，一線基層隊落實執(zhí)行。分別在3月、7月和12月，每個月由各基層隊隨機選取3天，對本基層隊的不停井間抽技術的準確性進行跟蹤，并按要求填寫跟蹤表。技術單位對全廠1050口井的跟蹤數(shù)據(jù)進行匯總，選取10口具有代表性的井進行列舉，進而分析驗證系統(tǒng)的準確性。數(shù)據(jù)跟蹤結果見表2。

兩種方案的數(shù)據(jù)跟蹤結果表明，不停井間抽技術能夠按照設計的停止和啟動時間進行電動機的停止和啟動，且在生產(chǎn)井停止生產(chǎn)期間，未發(fā)現(xiàn)無故啟動的井（部分停井時間較長井未全程盯井），系統(tǒng)的準確性較好[3]。

2.2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性

間抽控制裝置是不停井間抽技術的核心部件，室內(nèi)實驗對其溫度、濕度、電壓等情況進行了測試，結果見表3。

表1 方案一現(xiàn)場跟蹤情況

表2 方案二現(xiàn)場跟蹤情況

表3 間抽控制裝置適應參數(shù)

與有關部門結合，對葡萄花油田2017年度的溫度、濕度及電網(wǎng)電壓變化范圍進行收集與整理，數(shù)據(jù)顯示，該技術的核心部件完全可以適應葡萄花油田的礦場實際，穩(wěn)定性較好。同時，對大慶地區(qū)50年來的空氣溫度及濕度情況進行了搜集，確定了其極值情況，數(shù)據(jù)顯示其變化范圍處于室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)的區(qū)間內(nèi)，預計在今后的使用過程中設備不會出現(xiàn)問題。

如何使用工具對非常規(guī)油氣藏水平井減摩降扭……………………………………………………………………陳 帥（2.21）

2.3 安全作用

不停井間抽技術的間抽控制功能有搖擺模式和不搖擺模式。搖擺模式即機采井處于間歇狀態(tài)時，電動機不停機，而是小角度的往復運動，體現(xiàn)為抽油機曲柄的扇形往復式擺動和抽油光桿的上下往復短位移運動；不搖擺模式即機采井處于間歇狀態(tài)時，電動機停止運動，抽油機、光桿等完全處于靜止狀態(tài)。葡萄花油田在用的控制功能為搖擺模式。

不搖擺模式存在的安全隱患主要體現(xiàn)為：停井時，一線員工可能會誤以為機采井故障停井，在無人為操作的情況下不能啟動。如果此時進行抽油機的加盤根、擦拭光桿或者上機保養(yǎng)等操作而抽油機間歇時間已到突然啟動將會發(fā)生較大的危險，非常容易造成人員傷害事故；搖擺模式將提示到礦場進行有關操作的工人，該井的電動機仍在工作，抽油機仍在運動，需要注意安全。從上述分析可以明確，在消除安全隱患上，搖擺模式的控制功能更適合礦場實際。

2.4 設備的能耗分析與測試

在間歇狀態(tài)時，電動機的扇形擺角越小其耗電量越低。為達到該要求，需要抽油機曲柄擺角盡量小，進而要求光桿的位移盡量小。設計以“光桿位移小于機采井全井抽油桿伸長量”為原則，確定光桿位移量，從而滿足間歇狀態(tài)時電動機耗電量最低的要求。

2.4.1 抽油機井桿柱彈性形變量優(yōu)化設計

合理優(yōu)化曲柄擺動運行時的光桿位移量是有效控制擺動運行能耗的關鍵問題。通過圖3分析可知，在抽油機井驢頭下死點和上死點剛剛受力時，桿、管發(fā)生彈性變形，這時活塞并沒有跟著光桿發(fā)生位移，這段變形量稱為沖程損失λ[4]，其中包括桿損和管損。抽油機井曲柄擺動運行時，假如光桿運行的位移量在桿損的范圍內(nèi)，此時既保證了抽油機井桿柱有效位移量，又可實現(xiàn)抽油泵活塞不移動，電動機消耗功率最小，所以抽油機井曲柄擺動運行時的位移量應小于或等于桿損。

圖3 抽油機井理論示功圖

抽油桿彈性形變所引起的桿損可由下式表示：

式中：λ1——桿損，m；

ρm——采出液密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

Ap——泵柱塞橫截面積，m2；

Lf——折算動液面深度，m；

Er——抽油桿彈性模量，N/m2；

Lri——各級抽油桿的長度，m；

Ari——各級抽油桿橫截面積，m2；

nr——抽油桿級數(shù)。

以29#井為例，該井所屬區(qū)塊的原油密度[5]為849.7 kg/m3，該井抽油泵泵徑為38 mm，動液面為999.4 m，碳鋼彈性模量為2.0×105～2.1×105MPa，?28光桿長9.2 m，?22抽油桿總長231.3 m，?19抽油桿總長906.7 m。

將抽油機井各項數(shù)據(jù)代入上式，得出抽油桿彈性形變所引起的桿損為0.172 m。抽油機井擺動運行時，將光桿直線位移距離設計為小于或等于0.172 m，這時抽油泵活塞并未移動，光桿及桿柱實現(xiàn)了有效的位移量，電動機所做的功也較小，同時節(jié)能效果也較好。

光桿伸長量的值確定后，即可確定抽油機曲柄的擺動角度，利用位置傳感器即可實現(xiàn)其功能。

2.4.2 能耗測試

分別對機采井的間歇搖擺時與整周運行時的功率進行測試，評價能耗情況。

以33#井為例，該井的工作制度為：9：00—12：00為間歇時段，12：00—次日9：00為整周期運行時段。分別選取不同狀態(tài)下的穩(wěn)定狀態(tài)時的時間段進行能耗測試，時間段分別選在10：30—10：40和16：20—16：30。測試結果見表4。

表4 33#井能耗數(shù)據(jù)對比

數(shù)據(jù)顯示，該井主要生產(chǎn)參數(shù)基本不變的前提下，間歇搖擺狀態(tài)下的能耗僅為整周期運行狀態(tài)下的約1/5，其節(jié)電率達到了80%以上。對全廠1050口井的數(shù)據(jù)進行整理與統(tǒng)計。平均單井日間歇時間約為8 h，應用不停井間抽技術后，全廠日節(jié)電量達到2.49×104kWh，全年節(jié)電達897.3×104kWh。

3 結論

1）不停井間抽技術具備較好的準確性、穩(wěn)定性，能夠滿足葡萄花油田的礦場實際。

2）不停井間抽技術采取搖擺模式運行，能夠較好的消除安全隱患。

3）搖擺模式運行時較正周期生產(chǎn)時耗電低，對比節(jié)電率達到80%以上，具備良好的節(jié)電效果。

4）不停井間抽設備適用溫度、濕度及電壓波動范圍較廣，但高海拔（大于1000 m）地區(qū)未進行試驗，其對海拔的適應性須進行驗證。

參考文獻：

[1]姜燕，張嘉友，王朝輝，等.油井間抽技術研究與應用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2005（5）：172-173.

[2]李明，樊軍，何英，等.抽油機智能間抽設備的研制[J].機械研究與應用，2006，19（2）：100-101.

[3]嚴慶雨，繆建成.間抽井間抽周期制定方法研究[J].小型油氣藏，2014，9（2）：45-46.

[4]李穎川.采油工程[M].第二版.北京：石油工業(yè)出版社，2008：82-84.

[5]劉洪軍，張柏，梁乃成.大慶長垣外圍薄差儲層石油開采工藝技術[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011：4-5.