熊小偉，崔雪琳，刁海勝，周冰欣，韓利寶，崔文喆

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750006；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017300；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第八采油廠，陜西延安 717600）

有桿抽油是人工舉升方式中應(yīng)用最為廣泛的采油方式之一，其采油設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、綜合成本較低，在低滲透油田開(kāi)采中被廣泛使用。目前，有桿泵采油占到了長(zhǎng)慶機(jī)械采油井的95 %以上。統(tǒng)計(jì)表明，有70 %以上的機(jī)采井能耗做了無(wú)用功，不僅造成了大量能源浪費(fèi)，還加劇了機(jī)械損耗。

長(zhǎng)慶油田機(jī)采井平均系統(tǒng)效率為21.6 %，與系統(tǒng)效率的最大理論目標(biāo)值相比，還有很大的提升空間。為了全面掌握機(jī)采系統(tǒng)的能耗動(dòng)態(tài)變化情況，生產(chǎn)管理部門(mén)需要定期對(duì)每口抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率進(jìn)行人工測(cè)試，進(jìn)而確定相應(yīng)的提升與優(yōu)化措施[1-3]。

目前系統(tǒng)效率測(cè)試需要2 名工程技術(shù)人員和1 輛車(chē)輛進(jìn)行配合，每天僅能測(cè)25 口井左右，工作效率低。且工程技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試過(guò)程中，需在抽油機(jī)配電柜內(nèi)進(jìn)行線(xiàn)路連接，存在極大安全隱患。同時(shí)因年度系統(tǒng)效率測(cè)試工作量大、每口單井測(cè)試時(shí)間短及操作人員數(shù)據(jù)錄取不規(guī)范都將導(dǎo)致分析結(jié)果可信程度低，會(huì)為下步調(diào)整與提升工作帶來(lái)一定影響。

隨著長(zhǎng)慶油田數(shù)字化建設(shè)規(guī)模逐步擴(kuò)大，前端物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)不斷進(jìn)步及數(shù)字化生產(chǎn)管理平臺(tái)的逐步完善，平臺(tái)所采集的源頭數(shù)據(jù)與自動(dòng)化監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性得到提高，現(xiàn)已形成了可用于油井生產(chǎn)決策管理的大型數(shù)據(jù)庫(kù)，這都為機(jī)采系統(tǒng)效率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[4-6]。

1 系統(tǒng)效率的計(jì)算

有桿泵抽油系統(tǒng)目的是將地面的電能轉(zhuǎn)化為井下液體的能量，使井下液體流到地面。其整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)，就是一個(gè)能量不斷傳遞和轉(zhuǎn)化的過(guò)程，而在每個(gè)過(guò)程中都存在著能量的損失，抽油機(jī)井從地面設(shè)備供入系統(tǒng)的能量扣除系統(tǒng)的各種損失以后，就是系統(tǒng)所給液體的有效能量。

1.1 基本定義

將液體舉升到地面的有效做功能量與系統(tǒng)輸入能量之比值，稱(chēng)為抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率，即：

其中：

式中：P有-有效功率，kW；Q-油井產(chǎn)液量，m3/d；ρm-油井液體密度，t/m3；g-重力加速度，9.8 m/s2；Hd-油井動(dòng)液面，m；Po-井口油管壓力，MPa；Pc-井口套管壓力，MPa；U-電機(jī)線(xiàn)電壓有效值，V；I-電機(jī)線(xiàn)電流有效值，A；φ-有功與視在功率的比值，無(wú)量綱。

1.2 系統(tǒng)效率分解

根據(jù)抽油機(jī)系統(tǒng)工作的特點(diǎn)，可將抽油機(jī)系統(tǒng)效率分為兩個(gè)部分，即地面效率和井下效率。一般情況下，以光桿懸繩器為界，懸繩器以上的機(jī)械傳動(dòng)效率和電機(jī)效率的乘積為地面效率，而懸繩器以下到抽油泵的桿柱效率和抽油泵到井口的流體效率的乘積為井下效率。

式中：A-示功圖的面積，mm2；Sd-示功圖減程比，m/mm；fd-示功圖力比，N/mm；ns-光桿實(shí)測(cè)平均沖次，min-1；η地面-地面系統(tǒng)效率，無(wú)量綱；η井下-井下系統(tǒng)效率，無(wú)量綱。

2 關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集

平臺(tái)開(kāi)發(fā)充分利用數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的油井產(chǎn)液量、動(dòng)液面深度、生產(chǎn)參數(shù)、井口油壓與套壓等數(shù)據(jù)，同時(shí)前端配套三相電參采集設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的實(shí)時(shí)計(jì)算與監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)功能[7-12]。

2.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集

2.1.1 井口油壓與套壓 隨著長(zhǎng)慶油田數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè)的不斷完善，可以通過(guò)井口壓力變送器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高效地采集。

2.1.2 動(dòng)液面深度 目前還沒(méi)有成熟的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段，仍需人工利用回聲儀來(lái)測(cè)試。在油井正常生產(chǎn)時(shí)，定期將測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果錄入生產(chǎn)管理平臺(tái)。

2.1.3 光桿示功圖 示功圖數(shù)據(jù)主要由載荷、位移組成，載荷數(shù)據(jù)由懸點(diǎn)上安裝的載荷傳感器來(lái)獲得，位移數(shù)據(jù)由角位移傳感器來(lái)采集，每10 min 同步采集一組示功圖數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含200 點(diǎn)以上。

2.1.4 油井產(chǎn)液量 長(zhǎng)慶油田已通過(guò)采集油井光桿示功圖、建立桿、管、液柱的力學(xué)與數(shù)學(xué)模型，在對(duì)不同井口示功圖激勵(lì)下的泵功圖進(jìn)行分析及有效沖程進(jìn)行識(shí)別后，可折算出泵的有效排量，最終實(shí)現(xiàn)油井日產(chǎn)液量自動(dòng)計(jì)量。對(duì)于計(jì)算結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)液量偏差較大的油井，常采用定期修正單井系數(shù)的方法來(lái)提高功圖計(jì)產(chǎn)精度。

2.2 電力參數(shù)采集

三相電壓、三相電流、功率因數(shù)等電力參數(shù)主要通過(guò)地面電控柜上電流互感器、電參數(shù)據(jù)采集模塊及井口RTU 來(lái)采集，輸入功率、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)及耗電量可實(shí)時(shí)讀取，原理（見(jiàn)圖1）。

圖1 電力參數(shù)采集原理

2.3 通訊數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)通信采取有線(xiàn)傳輸?shù)姆绞?，采集的示功圖、電參數(shù)據(jù)經(jīng)井口RTU 傳輸至井場(chǎng)RTU，再由網(wǎng)橋?qū)⑿盘?hào)傳輸至站控主機(jī)，最后存儲(chǔ)至油井生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)通信與傳輸（見(jiàn)圖2）。

3 軟件系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

3.1 智能計(jì)算

圖2 數(shù)據(jù)通信與傳輸過(guò)程

在線(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)每10 min 錄取一組電參數(shù)據(jù)與示功圖測(cè)試數(shù)據(jù)，同步提取油井產(chǎn)液量等生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算該時(shí)刻下的系統(tǒng)效率，最終將全天各個(gè)時(shí)刻所計(jì)算的系統(tǒng)效率均值作為該油井全天的真實(shí)系統(tǒng)效率。計(jì)算原理（見(jiàn)圖3）。

圖3 系統(tǒng)效率實(shí)時(shí)計(jì)算原理

3.2 平臺(tái)開(kāi)發(fā)

平臺(tái)采用B/S 架構(gòu)搭建，選用my Eclipse 開(kāi)發(fā)環(huán)境，運(yùn)用VB，Java 等多種語(yǔ)言進(jìn)行編譯。在服務(wù)器安裝Oracle 等數(shù)據(jù)庫(kù)后，用戶(hù)只需安裝一個(gè)瀏覽器（Browser），如Netscape Navigator 或Internet Explorer，服務(wù)器安裝Oracle、Sybase、Informix 或SQL Server 等數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，平臺(tái)搭建完成后，用戶(hù)可在客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)對(duì)接入油井的系統(tǒng)效率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析與管理。

3.3 平臺(tái)主要功能

平臺(tái)主要包括系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)查詢(xún)、曲線(xiàn)繪制與分析統(tǒng)計(jì)功能。

3.3.1 數(shù)據(jù)查詢(xún) 在選擇作業(yè)區(qū)及日期范圍后，可查詢(xún)區(qū)域內(nèi)所有接入成功油井的平均能耗與系統(tǒng)效率。同時(shí)，在輸入油井井號(hào)并選定時(shí)刻后還可查看該井的實(shí)時(shí)示功圖、系統(tǒng)效率、地面效率、井下效率、輸入功率等數(shù)據(jù)。

3.3.2 曲線(xiàn)繪制 在選定油井井號(hào)與日期范圍后，可根據(jù)實(shí)際需要，生成每天平均的系統(tǒng)效率、輸入功率及單井日耗電量等曲線(xiàn)。

3.3.3 分析統(tǒng)計(jì) 可顯示各采油作業(yè)區(qū)實(shí)時(shí)的系統(tǒng)效率接入井?dāng)?shù)，分析成功井?dāng)?shù)、平均系統(tǒng)效率，平均地面效率，平均井下效率，平均輸入功率與日耗電量等數(shù)據(jù)。

3.3.4 預(yù)警管理 在油井其他生產(chǎn)參數(shù)一定的條件下，油井實(shí)際產(chǎn)液量可看作為流壓值的函數(shù)，反之井底流壓值就可在一定程度上反映油井產(chǎn)能。而系統(tǒng)效率又與油井產(chǎn)液量緊密相關(guān)，因此在一定的流壓下，系統(tǒng)效率的理論值可通過(guò)計(jì)算得出。

若以系統(tǒng)效率作為縱坐標(biāo)、流壓值作為橫坐標(biāo)，可繪制出在不同流壓下的最高系統(tǒng)效率邊界曲線(xiàn)。同時(shí)用最高系統(tǒng)效率邊界值乘以不同百分?jǐn)?shù)則可以劃分出不同系統(tǒng)效率區(qū)域，最終得到系統(tǒng)效率宏觀控制圖，即能耗宏觀控制圖模板。

再將全區(qū)所有油井所計(jì)算的系統(tǒng)效率值在能耗宏觀控制圖模板顯示，就可準(zhǔn)確找出油井系統(tǒng)效率所處的區(qū)域及該區(qū)域油井的數(shù)量。

如對(duì)系統(tǒng)效率高于100 %帶有自噴能力的油井，通過(guò)采取改機(jī)采為自噴，以節(jié)省能耗；對(duì)系統(tǒng)效率低于10 %的低效井，可參照地面效率、井下效率等值對(duì)油井開(kāi)展系統(tǒng)性的調(diào)整與優(yōu)化；對(duì)于優(yōu)化調(diào)整后的油井可加大跟蹤力度，確保油井在生產(chǎn)條件變化的情況下始終在高效區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。

4 應(yīng)用效果分析

目前系統(tǒng)效率在線(xiàn)監(jiān)測(cè)臺(tái)接入油井已達(dá)2 000 余口，分析成功井1 000 余口。為驗(yàn)證平臺(tái)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場(chǎng)利用PMTS 型系統(tǒng)效率測(cè)試儀對(duì)平均輸入功率測(cè)試、實(shí)時(shí)輸入功率測(cè)試及實(shí)時(shí)系統(tǒng)效率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試（測(cè)試周期分別為24 h、60 s 與600 s），并將實(shí)測(cè)結(jié)果與軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明，兩者數(shù)據(jù)誤差在4 %以?xún)?nèi)，系統(tǒng)效率平臺(tái)的計(jì)算精度可滿(mǎn)足工程需求。

5 結(jié)論

（1）油田數(shù)字化建設(shè)的不斷完善為機(jī)采井系統(tǒng)效率在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用提供了實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)，系統(tǒng)的推廣為電參數(shù)據(jù)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的深度應(yīng)用提供了廣闊的平臺(tái)。

（2）與傳統(tǒng)人工測(cè)試相比，系統(tǒng)效率的在線(xiàn)測(cè)試技術(shù)取代了人工現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)、設(shè)備操作等工作，降低了測(cè)試過(guò)程中的觸電等風(fēng)險(xiǎn)，能為每口油井節(jié)約測(cè)試成本約0.1 萬(wàn)元/年。

（3）該系統(tǒng)平臺(tái)能夠提供更及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)，能為抽油機(jī)井節(jié)能降耗高效實(shí)施提供依據(jù)，降低管理難度與油田的開(kāi)發(fā)成本。

（4）通過(guò)應(yīng)用能耗宏觀控制圖模板，可實(shí)時(shí)掌握油井系統(tǒng)效率實(shí)時(shí)狀況，同時(shí)可找出油井實(shí)施提高系統(tǒng)效率措施的潛力，為是否采取進(jìn)一步措施提供依據(jù)。