張少雷，劉凱輝，劉偉超，劉奇峰，尚少輪，杜宏偉，郭子斌

(1. 河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552；2. 華北油田二連分公司 工程所，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000;3. 河北華北石油工程建設(shè)有限公司 第一管道分公司，河北 任丘 062552)

隨著油田的長期開發(fā),已有相當(dāng)數(shù)量的油井進(jìn)入了中后期開采階段，其中部分老井出現(xiàn)了供液不足[1]或其他故障，形成報(bào)廢井、長停井、邊遠(yuǎn)井等。如果這幾種類型的井用常規(guī)抽油機(jī)采油作業(yè)，由于產(chǎn)量低，耗電量大，修井作業(yè)次數(shù)較多，則會(huì)造成采油成本增高,綜合經(jīng)濟(jì)效益降低的問題。同時(shí)，新井的開發(fā)過程中，需要試采，如果安裝常規(guī)抽油機(jī)，工作量和成本很大。所以，目前各油田急需一種可快捷移動(dòng)且能夠自適應(yīng)井況的采油裝置。移動(dòng)式液壓抽油機(jī)自適應(yīng)測控系統(tǒng)滿足了現(xiàn)場所需的運(yùn)移機(jī)動(dòng)性、安全性、智能控制、數(shù)據(jù)記錄、狀態(tài)監(jiān)測[2]等功能，作為對常規(guī)抽油機(jī)的一種補(bǔ)充，大幅節(jié)約了采油設(shè)備投資成本，減少了管理難度和管理費(fèi)用，特別適用于油井的間歇排采作業(yè)。

1 系統(tǒng)組成及方案設(shè)計(jì)1.1 系統(tǒng)組成

移動(dòng)式液壓抽油機(jī)自適應(yīng)測控系統(tǒng)采用儲(chǔ)能設(shè)計(jì)，包括液壓動(dòng)力單元、舉升油缸、液壓蓄能裝置等。液壓動(dòng)力系統(tǒng)包括變量泵及主閥組，變量泵由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。能量的儲(chǔ)存與釋放由蓄能器單元和蓄能器閥組控制裝置實(shí)現(xiàn)，在抽油機(jī)上行和下行過程中舉升系統(tǒng)的能量平衡保持不變，即使在環(huán)境溫度和抽油桿載荷發(fā)生變化時(shí)，也無需調(diào)節(jié)，系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 液壓系統(tǒng)原理示意

下行時(shí)，井口負(fù)載及主液缸桿自重向下壓動(dòng)主液缸，液壓油從比例換向閥和蓄能器閥組流向蓄能器組，給蓄能器充液蓄能。上行時(shí)，變量泵組同蓄能器合流給主液缸供液將主液缸和井口載荷舉升，釋放能量。在整個(gè)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，該系統(tǒng)不斷地進(jìn)行充液、放液動(dòng)作，減少了驅(qū)動(dòng)抽油桿和井內(nèi)液柱質(zhì)量所需的能量需求，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的平衡，達(dá)到節(jié)能效果。

該系統(tǒng)在上行過程中，充分利用蓄能器與變量泵的流量合流[3]進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。但是兩套裝置在合流過程中，瞬時(shí)流量不均勻，且隨時(shí)間而變化。由于該系統(tǒng)液缸在最低點(diǎn)由下向上換向時(shí)出現(xiàn)液壓油路改變、流量合流雙重變化，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)劇烈震動(dòng)。該系統(tǒng)采用了液缸位置閉環(huán)反饋控制，為了達(dá)到良好的換向控制效果，研制了位置識(shí)別[4]緩沖算法，基本算法原理如圖2所示。

經(jīng)過位置識(shí)別緩沖算法有效執(zhí)行后，液缸在最低點(diǎn)由下向上換向有了很好的平穩(wěn)性。

1.2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)主要包括： 數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)、功圖采集系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)。電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集上下沖程過程中力、速度、井內(nèi)壓力、動(dòng)液面位置、出油量等參數(shù)，核算并輸出實(shí)時(shí)控制信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)沖程、沖次、速度等參數(shù)。

1.2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)與液壓控制系統(tǒng)實(shí)行報(bào)警聯(lián)動(dòng)機(jī)制，實(shí)時(shí)監(jiān)控液壓系統(tǒng)關(guān)鍵動(dòng)力參數(shù)。系統(tǒng)提供常規(guī)油機(jī)井排采監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，例如沖程、沖次、示功圖、油壓、油溫、最大載荷、最小載荷等。數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)可提供多種數(shù)據(jù)傳輸接口和傳輸協(xié)議，系統(tǒng)支持McWill，4G，3G，GPRS，Mesh，專線等數(shù)據(jù)傳輸方式，并支持Modbus-RTU，DDE，A11，自定義等通信協(xié)議，方便用戶快速集成配套。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖3所示。

圖2 位置識(shí)別緩沖算法基本原理示意

圖3 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架示意

為方便用戶，提供了定制化數(shù)據(jù)監(jiān)控APP，方便用戶隨時(shí)隨地查看和監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和生產(chǎn)狀況。數(shù)據(jù)監(jiān)控APP具備數(shù)據(jù)查詢功能，用戶可快速地定位設(shè)備，并可查看實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，了解設(shè)備運(yùn)行信息，接收設(shè)備報(bào)警等。

1.2.2功圖采集系統(tǒng)的研制

移動(dòng)式液壓抽油機(jī)與常規(guī)抽油機(jī)的位移運(yùn)動(dòng)曲線完全不同，常規(guī)抽油機(jī)的位移曲線是半正弦曲線，功圖采集算法是按照正弦曲線[5]定制開發(fā)的，如果直接應(yīng)用于移動(dòng)式液壓抽油機(jī)會(huì)出現(xiàn)功圖形狀嚴(yán)重變形的問題，常規(guī)抽油機(jī)與移動(dòng)式液壓抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)行曲線對比如圖4所示。

圖4 移動(dòng)式液壓抽油機(jī)與常規(guī)抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)曲線對比示意

經(jīng)過不斷研究移動(dòng)式液壓抽油機(jī)位移實(shí)際運(yùn)行曲線，研發(fā)人員自主開發(fā)了專門適用于不規(guī)則位移的功圖采集算法，算法以實(shí)時(shí)載荷點(diǎn)和位移點(diǎn)一一對應(yīng)的特性，采集真實(shí)對應(yīng)數(shù)據(jù)，功圖精度可以達(dá)到400點(diǎn)，該算法適用于任何不規(guī)則運(yùn)動(dòng)采油設(shè)備的功圖保真采集，有效解決了移動(dòng)式液壓抽油機(jī)常規(guī)功圖方法的失真問題。

1.3 自適應(yīng)控制算法研制

由于移動(dòng)式液壓抽油機(jī)的應(yīng)用對象主要為油田的長停井和試采井，能否在最短的時(shí)間將井下油液抽吸上來成為判斷該設(shè)備經(jīng)濟(jì)效益關(guān)鍵問題。由于該設(shè)備的液壓控制與驅(qū)動(dòng)原理的特性，抽油桿可實(shí)現(xiàn)在任何位置懸停[6]，在任何沖程下任意進(jìn)行速度匹配，這就賦予了該設(shè)備可采用特殊排采工藝的能力。為了盡量減少人工判斷井況和調(diào)整工作參數(shù)，定制開發(fā)了自適應(yīng)井況的控制算法，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際井況功圖趨勢[7]，自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，以最大限度地提高采收效率。自適應(yīng)控制算法運(yùn)行機(jī)制如下：

1)PLC通過液缸位置反饋和載荷傳感器在采樣間隔時(shí)間內(nèi)分別采集200個(gè)上沖程的載荷和位移數(shù)據(jù)點(diǎn)及200個(gè)下沖程的載荷和位移數(shù)據(jù)點(diǎn)，建立數(shù)據(jù)分析庫。

2)提取數(shù)據(jù)庫中采集數(shù)據(jù)，計(jì)算出上沖程最大載荷、下沖程最小載荷、上沖程加載線斜率和下沖程卸載線斜率，推導(dǎo)理想示功圖[8]。

3)計(jì)算泵充滿度。泵的充滿度η為實(shí)測示功圖面積與理想示功圖面積的比值，因?yàn)榻俏灰粕舷乱恢?，則計(jì)算公式為

式中：S實(shí)測——實(shí)測功圖面積；S理想——理想功圖面積；P——實(shí)測示功圖的載荷；P′——理想示功圖的載荷。

4)自適應(yīng)調(diào)整運(yùn)行沖次。當(dāng)η>90%時(shí)，說明地層供液充足，不用調(diào)整；當(dāng)60%≤η≤90%時(shí)，說明地層供液略顯不充足，需要稍微調(diào)整，可緩慢降低抽油機(jī)沖次，降幅不必過大；當(dāng)η<60%時(shí)，說明地層供液不充足，需要調(diào)整，可降低抽油機(jī)沖次，并執(zhí)行液缸最低點(diǎn)懸停充液動(dòng)作。

2 應(yīng)用狀況

移動(dòng)式液壓抽油機(jī)首次應(yīng)用在華北油田二連分公司。由于該公司存在大量的長停井，并且有很大一部分還具備再次開發(fā)的潛能，如果安裝常規(guī)抽油機(jī)將耗費(fèi)大量的人力物力。

移動(dòng)式液壓抽油機(jī)采用靈活的拖車移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，可以快速的在工作井之間移動(dòng)，并且具備快速、方便的安裝及運(yùn)行結(jié)構(gòu)，完全能夠滿足該公司對潛力井二次開發(fā)的功能和技術(shù)要求。

移動(dòng)式液壓抽油機(jī)自適應(yīng)測控系統(tǒng)是移動(dòng)式液壓抽油機(jī)的主要控制組成部分，自適應(yīng)測控系統(tǒng)中集成的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與控制功能，可方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及接受異常情況報(bào)警，針對突發(fā)情況實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)整參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)無人值守，大幅節(jié)約了人力資源。該設(shè)備分別在該公司的錫林作業(yè)區(qū)、哈南作業(yè)區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證。試驗(yàn)情況見表1所列。

經(jīng)三口井的運(yùn)行驗(yàn)證，該設(shè)備滿足了該公司對潛力井的二次開發(fā)要求，并且具備高可靠性、自適應(yīng)性，提高了潛力井二次開發(fā)效率，并且具備一定的節(jié)電能力，最大限度節(jié)約了二次開發(fā)費(fèi)用。

3 結(jié)束語

1)移動(dòng)式液壓抽油機(jī)自適應(yīng)測控系統(tǒng)解決了液壓式抽油機(jī)長期存在的人工設(shè)定參數(shù)問題，為移動(dòng)式液壓抽油機(jī)快速移運(yùn)、安裝使用提供了保障，實(shí)現(xiàn)了長停井、試采井快速高效開發(fā)。

表1 移動(dòng)式液壓抽油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2)移動(dòng)式液壓抽油機(jī)任一點(diǎn)懸停的特性可為低產(chǎn)油井的特殊排采工藝提供可靠支持，工藝人員可根據(jù)懸停特點(diǎn)為低產(chǎn)井定制開發(fā)專用排采工藝，提升低產(chǎn)井的開采效率。

3)該系統(tǒng)很好地適應(yīng)了現(xiàn)場應(yīng)用工況，滿足了低成本二次開發(fā)潛力井的要求，具備廣闊的應(yīng)用前景。