甄浩 王瞾 薛小寶

摘要：為了探究電泵井智能化采油工藝技術(shù)的當前運用情況與下部發(fā)展契機。通過大量文獻的閱讀，對相關(guān)技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行系統(tǒng)性綜述，確立了電泵自身運行參數(shù)微調(diào)優(yōu)化、生產(chǎn)工藝實時調(diào)節(jié)優(yōu)化、大數(shù)據(jù)框架下的智能井技術(shù)三大熱門研究議題。然后根據(jù)筆者多年工作經(jīng)驗全景展示油田電泵-智能氣舉管柱工藝和潛油電泵井下多參數(shù)監(jiān)測工藝相關(guān)運用情況，為同行提供建設(shè)性意見。

關(guān)鍵詞：油田;電潛泵;采油;監(jiān)測

中圖分類號TE93文獻識別碼A 文章編號：1001-5922（2019）07-0031-04

電潛泵采油工藝由來已久。在設(shè)備制造和現(xiàn)場運用上較為成熟，但在大數(shù)據(jù)和計算機技術(shù)高速發(fā)達的今天。以智能化為發(fā)展構(gòu)想的數(shù)字化油田將是石油工業(yè)騰飛的契機，當前在采油工藝革新上往往的基于井下工具和配套管柱的結(jié)構(gòu)性優(yōu)化，不能規(guī)避“傻、大、粗”的傳統(tǒng)石油工業(yè)壁壘。而運用高科技現(xiàn)代化的儀表自動化技術(shù)能全面引入大數(shù)據(jù)計算機處理的優(yōu)勢，全面實現(xiàn)智能化采油工藝技術(shù)良性發(fā)展。本文基于筆者多年工作經(jīng)驗，以電泵井智能化采油工藝技術(shù)為研究議題，展開相關(guān)探討，為同行提供建設(shè)性意見。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

電潛泵在石油開發(fā)領(lǐng)域運用較廣，常部署于產(chǎn)液量較高的單井。該設(shè)備的工作原理為常規(guī)多級離心泵經(jīng)過特殊處理后在耐腐蝕和耐高溫方面得到顯著提升。并允許有一定工作間隙以適應(yīng)地層產(chǎn)氣、出砂、結(jié)蠟以及高粘度流體多項流輸送。動力配給方面運用防爆電纜在鎧裝保護下通過井筒連接至地面進行井下電機供電。并最終通過多級離心泵進行油氣的定量舉升。在塔里木油田等高產(chǎn)區(qū)該種采油工藝運用較為廣泛，運行方式上，由于變頻技術(shù)的廣泛運用，節(jié)能效果顯著。但是當前的控制還是以較為單一而穩(wěn)定的開環(huán)為主。開環(huán)通俗來說即為輸人參數(shù)與輸出參數(shù)關(guān)聯(lián)性弱或者毫無關(guān)聯(lián)性，相應(yīng)數(shù)據(jù)不聯(lián)通、無反饋。所以相應(yīng)的系統(tǒng)運行為設(shè)計設(shè)定的固定值，不能根據(jù)當前情況和動態(tài)工作參數(shù)進行實時的調(diào)整。在生產(chǎn)井需要調(diào)整后，只能通過上作業(yè)的方式進行人工起泵并更換油嘴或者運用頻率調(diào)整的方式進行產(chǎn)液量的調(diào)節(jié)。在時間成本和人工成本上較高，綜合可操作性繁瑣。而地層出液量及其介質(zhì)綜合性質(zhì)往往成動態(tài)變化趨勢，需要實時監(jiān)控并根據(jù)當前功率及其泵體出液量動態(tài)調(diào)節(jié)，以達到最大化優(yōu)化生產(chǎn)工藝的前提下提供機泵使用壽命。而運用自動化儀表執(zhí)行實時數(shù)據(jù)反饋式的閉環(huán)式調(diào)節(jié)，能在數(shù)據(jù)鏈共享的前提下運用相關(guān)數(shù)學(xué)模型進行系統(tǒng)優(yōu)化和產(chǎn)量預(yù)測，有憑有據(jù)的通過輸入得到輸出，改善相應(yīng)生產(chǎn)形勢，提供系統(tǒng)運行效率。同時閉環(huán)控制還能進行不同智能化硬件設(shè)備和軟件設(shè)備的添加，使得調(diào)整時效性得到提高，全面實現(xiàn)自動控制。平衡產(chǎn)液量與供液量等多項參數(shù)，在保證設(shè)備完好率的同時延長設(shè)備壽命。以下將通過電泵自身運行參數(shù)微調(diào)優(yōu)化、生產(chǎn)工藝實時調(diào)節(jié)優(yōu)化和大數(shù)據(jù)框架下的智能井技術(shù)三方面綜合介紹電泵井智能化采油技術(shù)現(xiàn)狀。為后續(xù)研究做理論支撐。

1.1電泵自身運行參數(shù)微調(diào)優(yōu)化

上文已經(jīng)提及，通過人工啟下泵并更換不同規(guī)格的油嘴和通過調(diào)整電機頻率能進行機泵運行參數(shù)的微調(diào)。但是在簡單實用的前提下需要考慮作業(yè)成本和誤工率的影響。同時人工更換的油嘴會因為原油結(jié)蠟導(dǎo)致流油孔面積減小而誘發(fā)流道柱塞，最終在歷史時間推移下相應(yīng)的電潛泵運行參數(shù)會發(fā)生變化而導(dǎo)致調(diào)整失效。所以該種工序的有效性較小。而通過調(diào)整工作頻率的方式由于受到動力設(shè)備的影響往往調(diào)節(jié)域度較小，只能進行檔位式切換調(diào)整，精確性有限。

相關(guān)理論研究發(fā)現(xiàn)，當前的變頻調(diào)節(jié)沒有一套數(shù)學(xué)理論進行有效支撐，只能近似的認為變頻頻率和排量成線性關(guān)系，但后續(xù)的變化會因為地層的出砂、巖石物性、地層能量和油嘴節(jié)流性質(zhì)等多重因素制約影響。必須系統(tǒng)分析相關(guān)因素的互為關(guān)聯(lián)性，將其視為一個灰色系統(tǒng)。全面進行數(shù)學(xué)建模式的預(yù)測分析。

1.2生產(chǎn)工藝實時調(diào)節(jié)優(yōu)化

當前運用大數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)學(xué)算法的軟/硬件結(jié)合式的油氣田自動化調(diào)節(jié)技術(shù)已經(jīng)研發(fā)、試運和量化投產(chǎn)。但是如何進行自控儀表的升級和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸并充分分析利用相關(guān)數(shù)據(jù)對于石油工程領(lǐng)域來說還尚屬起步。根據(jù)相關(guān)文獻調(diào)研，國外早在2001年Schlumberger公司就通過AAL項目進行了美國本土控制中心遠程遙控印尼油氣田工況，并基于當前不同參數(shù)進行算法分析與專家會診。最終確定調(diào)控方案并通過控制中心指令式調(diào)節(jié)達到油氣田生產(chǎn)形式優(yōu)化。在國內(nèi)當前各大油田和高校都開展有數(shù)字化油田項目，其中地質(zhì)工程一體化已經(jīng)做的相當成熟。而基于更先進的機電設(shè)備進行相應(yīng)調(diào)控更是得到原創(chuàng)性飛躍。但是相關(guān)實踐環(huán)節(jié)因為各種不同意外因素而導(dǎo)致進展緩慢。

1.3大數(shù)據(jù)框架下的智能井技術(shù)

智能井的構(gòu)想由來已久，但是不同的技術(shù)階段和現(xiàn)場需求框架下的定義有所不同。當前最新的智能井定義已經(jīng)從單一的單井優(yōu)化上升到井網(wǎng)和油組的網(wǎng)格化分析，在實時注采管理網(wǎng)絡(luò)幫助下運用多功能井下傳感器矩陣進行電纜傳輸式的動態(tài)多變量大數(shù)據(jù)獲取、傳輸與分析。綜合判定井下設(shè)備及其油層出力情況，為后續(xù)的計算機數(shù)學(xué)建模與信息共享奠定基礎(chǔ)。充分利用信息反饋機制科學(xué)提高工區(qū)產(chǎn)量。

從智能井運用范疇來講主要可以分為實時監(jiān)測和動態(tài)控制兩個模塊化概念。顧名思義，運用實時監(jiān)測平臺能有效獲取相關(guān)的有用可測物理量，并進行數(shù)據(jù)的存儲與分析。而井下高溫、高壓的復(fù)雜環(huán)境會對信息的采集和傳輸帶來較大干擾，所以基于可靠性儀表設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸方式的研究需要跟進。當前現(xiàn)場數(shù)據(jù)的主要傳輸媒介為電纜或光纖，而井下也運用多種傳感器進行不同工況下的工作，通常為電子傳感器能有效測量油層中流體的相關(guān)參數(shù)，光纖的傳輸精度能達到最高。動態(tài)控制模塊主要核心為井下生產(chǎn)控制系統(tǒng)，現(xiàn)場的機械部件動作主要依靠電纜和水力傳感兩種操作方式進行井下封隔器、節(jié)流閥和控制分支井筒相應(yīng)密封開關(guān)的靈活動作。做好相應(yīng)調(diào)整后地面數(shù)據(jù)中心就會收到相應(yīng)的反饋和成效分析，方便技術(shù)人員下步連續(xù)性調(diào)整。

根據(jù)當前已經(jīng)運用的智能井系統(tǒng)可以看出井下作業(yè)成本有效降低。所以采取以修井干預(yù)保護原則的智能井控制運用是當前該領(lǐng)域運用的主要目的，能產(chǎn)生大約20%的成本節(jié)余。但是繼續(xù)開發(fā)基于地質(zhì)層面的多重智能井調(diào)控技術(shù)經(jīng)濟利益潛能巨大。

2 油田電泵-智能氣舉管柱工藝

油田由于采油氣面積有限，所以大規(guī)模運用電潛泵進行開采，其中在智能化氣舉上運用了電泵-智能氣舉管柱工藝。該工藝主要涵蓋電潛泵、液流換向閥、智能氣舉閥等相關(guān)硬件設(shè)備。其中在電潛泵端進行了液流換向閥的加裝，并在管柱上部設(shè)置有智能氣舉閥和相應(yīng)檢測設(shè)備。運用該種管柱進行協(xié)調(diào)生產(chǎn)時可以綜合運用地層氣和注入氣實現(xiàn)能量平衡式的舉升開采。而智能化的氣舉閥能根據(jù)當前溫度、壓力和流量進行進氣量的擬合式精確調(diào)節(jié)，并實現(xiàn)預(yù)測式標定，實時判斷相應(yīng)固定部件好壞情況。該種工藝不需要使用額外電能，工藝流程簡單可靠，適應(yīng)能力廣。當前主要研究為耦合舉升計算軟件功能性和精確性的提升。確保井下泵體工況和相應(yīng)延伸性參數(shù)準確無誤。同時如何通過電潛泵控制系統(tǒng)實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)和氣嘴開度調(diào)控也是當前研究的主要議題。多重可測物理量的匹配性分析與調(diào)節(jié)是實現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)化和能耗最小化的前提優(yōu)勢。通過計算機技術(shù)實現(xiàn)閉環(huán)控制能在舉升效率的同時確保綜合解決油氣同采時的機泵負荷過大導(dǎo)致的設(shè)備壽命短等問題。

以下為該種工藝工作原理：通過圖1氣舉耦合舉升管柱圖可以看出該管柱設(shè)計能充分利用氣舉優(yōu)勢實現(xiàn)電潛泵能耗動態(tài)調(diào)控，以完成井下液的采出。該工藝設(shè)計為油層與氣層由生產(chǎn)滑套控制，如若地層壓力充足則打開油層相應(yīng)裝置，關(guān)閉氣層生產(chǎn)滑套，產(chǎn)出氣通過油套環(huán)空頂開智能氣舉閥并以一定流量進入油管內(nèi)部，運用動能將產(chǎn)出液驅(qū)替至地面。如若地層壓力不足，相關(guān)傳感器進行相關(guān)物理量收集核算后指揮電潛泵開始工作完成余能補充。最終達到井液舉升開采的目的。

下面是主動地面注氣進行氣舉開采的舉升管柱圖2所示。同樣生產(chǎn)滑套起到了分層開采的目的，在此不同的是，通過地面管柱的加壓觸發(fā)封隔器開啟注氣閥。地面高動能氣體通過電纜封隔器引入到相關(guān)位置并最終觸發(fā)管柱內(nèi)部壓力體系變化完成液柱的舉升工作。同樣井下配備了一定規(guī)格的電潛泵，以起到綜合保障的目的。

綜上所述，該種基于電潛泵和簡單井下管柱的智能化采油工藝能充分運用地下天然氣能量，完成單井全生命周期的開采工作。通常新井能量充足，直接運用自噴方式生產(chǎn)能達到較好效果。但隨著開發(fā)的深入，地層能量驟降，通過相關(guān)儀器儀表進行測定后遠程控制打字井下智能設(shè)備-氣舉閥，通過相應(yīng)的氣舉方式繼續(xù)進行開采，同時在開采過程中還能基于開采程度和相關(guān)參數(shù)進行氣舉閥開度的調(diào)節(jié)以達到穩(wěn)定產(chǎn)量的目的。進一步隨著地層能量下降開始啟動電潛泵采取氣舉+電泵耦合舉升的復(fù)合式開發(fā)方式進行生產(chǎn)運行，直到地下能量的完全消耗殆盡。這時地面的相關(guān)注氣設(shè)施開始啟動進行能量補充，完成上一階段的重復(fù)性開采。通過現(xiàn)場運用發(fā)現(xiàn)，該種工藝設(shè)計能全面延長電潛泵等動設(shè)備壽命，在開發(fā)效率最佳的前提下達到經(jīng)濟效率最優(yōu)。在人力資源和時間成本上占有巨大優(yōu)勢。

3 潛油電泵井下多參數(shù)監(jiān)測工藝

智能化采油的基礎(chǔ)即為數(shù)據(jù)的實時采集與傳輸。在此潛油電泵井下多參數(shù)監(jiān)測設(shè)備結(jié)合了機械端與傳輸端，在一體化構(gòu)想制造下完成相應(yīng)可測物理量的全時段不間斷采集、傳輸與處理。該設(shè)備制造精度較高能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的多重井下情況，能有效監(jiān)控機泵的電機溫度、人口/出口壓力、機械振動、電機功率等直接參數(shù)。地面相關(guān)人員根據(jù)這些工作參數(shù)進行相應(yīng)的分析并最終制定切實有效的電潛泵采油工作運行頻次，綜合幫助生產(chǎn)。潛油電泵井下監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)簡單主要由上下接頭、測試內(nèi)筒、外筒、濾波裝置（變頻消壓器）、測試杯（放置功能電路）幾大元件組成如圖3所示。細節(jié)上上接頭連接在井下電機底部，下接頭用來連接擴展的其他附屬裝置如扶正器等。

相關(guān)一體化測試設(shè)備選擇至電潛泵下端。供電直接聯(lián)人電潛泵動力端共享，并配備由地面引入的三相星點等勢備用電源，相關(guān)信號獲取后通過電信號轉(zhuǎn)換運用電流環(huán)閉合回路的原理依托三相鎧裝電纜的金屬鎧皮進行數(shù)據(jù)回傳。實現(xiàn)相關(guān)部件最省前提下的多重功能充分運用。為保證數(shù)據(jù)精確性便于計算機分析，在此設(shè)置有濾波裝置充分規(guī)避電潛泵供電端三相異步電機變頻運行過程中產(chǎn)生的共模電壓與高次諧波影響。

地面控制系統(tǒng)主要由人工星點（三相電抗器）、地面濾波器、數(shù)據(jù)采集處理單元等核心部件組成。其中人工星點具有較強的作用，該種裝置主要為人為設(shè)定的一種三相電抗器裝置。工作運行過程中相關(guān)元器件能與潛液泵電機端的三相繞組協(xié)同構(gòu)成物理上的三相星點等勢位，從而達到運行過程中的參數(shù)化均衡。而相關(guān)的地面濾波器能最大限度的預(yù)防電機星點端生產(chǎn)的共模電壓式額外干擾，充分保障數(shù)據(jù)精確性。數(shù)據(jù)采集模塊主要運用了MCU微控制器和相應(yīng)軟構(gòu)件系統(tǒng)保障運行的容錯性。充分擬合不同階段井下傳輸而來的電流信號，并最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字量化數(shù)據(jù)。而最新配備的無線模塊能充分保障電纜斷裂后數(shù)據(jù)不丟失，確保大數(shù)據(jù)庫的完善。

4 結(jié)論

綜上所述，電泵井智能化采油工藝需要井下管柱的科學(xué)設(shè)計與多參數(shù)穩(wěn)定采集監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在“信息”與“指揮”上達到協(xié)調(diào)性統(tǒng)一。全面保證采油工藝系統(tǒng)的完善性與高效性。其中以智能氣舉管柱工藝為例的敘述中限于篇幅考慮沒有展示相關(guān)運用成果性參數(shù)。但相關(guān)元器件原理高效可行，下步應(yīng)基于材料力學(xué)和流體力學(xué)的發(fā)展進行進一步基礎(chǔ)研究。全面優(yōu)化相關(guān)井下工具可靠性。在多參數(shù)監(jiān)測工藝介紹中系統(tǒng)展示了當前井下監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、工作方式與懸掛位置。下步將在信號抗干擾和數(shù)據(jù)處理上進行深入研究。為地質(zhì)工程一體化的油氣田開采在立新功。