基于功圖電參的抽油機井關鍵指標在線計算分析及應用

張 匯，馬 丹，王 君，榮垂剛，席 岳，王曉波，魏 琪，馮 鋼

（1.中國石油新疆油田分公司數據公司，新疆克拉瑪依 834000；2.西安中控天地科技開發有限公司，陜西西安 710016；3.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京 102249）

新疆油田機械采油井物聯網數據種類繁多、規模巨大，采油區塊點多、線長、面廣，交通不便，傳統抽油機井系統效率測試、能耗測試、平衡度測試具有周期長、影響因素多、人工測試瞬時值代表性不強等缺點，不利于及時發現和解決抽油機井在運行過程中出現的問題[1]。隨著物聯網技術的發展，目前可以實時高效地采集抽油機井的沖程、沖次、電流、電壓、啟停狀態、功圖、功率圖等主要參數，得益于新疆油田良好的數字化、信息化、智能化系統建設基礎，各個系統間數據鏈路能夠打通，結合穩定的基礎數據和實時采集數據，為抽油機井關鍵工藝指標在線計算分析及應用提供了數據支撐[2]。為了提高抽油機井系統效率及損耗監測分析的實時性，通過充分利用現場已裝數字化設備的采集數據，同時結合功圖計產結果[3-4]，需要研究基于功圖電參的常規游梁式抽油機井關鍵指標在線計算分析技術，解決人工測試耗時耗力且瞬時值代表性不強的問題[5]，實現油井關鍵工藝指標的日常在線實時分析等功能，為油井合理制定工作制度和工藝優化方案提供了實時的數據支撐和技術依據，有利于提升整個油田油井綜合采油工藝管理[6]。

1 采集數據治理分析

1.1 采集數據現狀分析

基于新疆油田物聯網數據采集技術，目前可以實時高效地采集抽油機井沖程、沖次、電流、電壓、啟停狀態、功圖、最小有功功率、最大有功功率、三相電流、三相電壓、功率圖等主要參數。通過對新疆油田采油二廠5 478 032 條功圖數據和3 640 689 條功率圖數據進行分析，功圖數據中有0.6%的沖程錯誤（超出抽油機額定沖程）和0.01%沖次錯誤數據（超出抽油機額定沖次），無法應用于下一步工況診斷和指標計算分析；功率圖數據有1 220 192 條錯誤數據（最大有功功率超出電機額定功率），無法應用于下一步電參相關指標計算分析；這一部分數據，在系統應用分析前需進行預處理，建立錯誤數據判識流程和治理分析方法，對錯誤數據進行治理后，提交正確數據進行下一步分析和應用，見表1。

表1 采集功圖、功率圖數據分析

1.2 采集數據錯誤類型分析

通過解析采集200 點位的位移&載荷功圖包，錯誤功圖主要體現在功圖形狀并非一個閉合曲線，且有位移反轉等，另外需要結合采集的最大載荷、最小載荷、沖程、沖次等數據來判識；通過解析采集200 點位的位移&功率圖包，難以從圖形特征分析功率圖錯誤，需對最大有功功率進行判識，結合計算得出的平均有功功率進行二次錯誤判識；采集數據主要存在的錯誤類型見圖1。

圖1 地面功圖和功率圖采集錯誤案例

地面功圖相關采集錯誤數據一般有采集功圖數據的最大載荷超過抽油機懸點額定載荷、沖程小于抽油機額定最小沖程或超過抽油機額定最大沖程、沖次小于抽油機額定最小沖次或超過抽油機額定最大沖次、功圖數據的最小位移不是從零開始等，見表2。

表2 地面功圖相關采集錯誤數據

功率圖相關采集錯誤數據一般有采集功率圖數據的最大有功功率超過電機額定功率、采集電流和電壓極小或為0，見表3。

表3 功率圖相關采集錯誤數據

1.3 采集數據治理分析

對關鍵指標計算分析前，由于功率圖數據包字符串數據較長，不能達到50 ms 分析上萬條采集數據的應用需要，本文以“最大有功功率”進行預處理，建立如下的錯誤數據判識流程和治理分析方法，對錯誤數據快速過濾后，提交正確數據進行下一步分析計算和應用（圖2）。

圖2 采集功率圖相關數據的處理流程

2 關鍵指標在線計算

近年來，隨著數字油田快速發展，越來越多人將重心轉移到大量油田數據中，希望通過對抽油機井生產數據發掘，快速有效地對機采井進行管理[6]。學者們研究揭示了抽油機井關鍵指標與油井生產參數之間的關系，油田管理者也需要對不同采油單位和區塊應用成熟技術加強井筒綜合治理，提升井筒管理和機械采油水平，實現對抽油機井關鍵指標不斷優化運行[7]。

2.1 泵效計算

抽油機井舉升核心部件是抽油泵，抽油泵是否正常工作以及泵效的高低直接關系到采油效率高低[8]。抽油泵在井下工作環境復雜，受各種因素影響較多，導致抽油泵出現泵效降低問題，從而直接影響油井產量，降低采油效率。泵效指抽油泵實際日產液量與理論日產液量之比，其計算公式見式（1）。

式中：ηd-單井泵效，%；Qs-日產液量（通過功圖計產得到），m3；QL-抽油泵理論排量，m3/d。

式中：S-光桿沖程（采集數據），m；n-沖次（采集數據），min-1；D-泵徑（通過A2 系統每日定時服務自動獲?。?，mm；t-生產時間（通過功圖采集數據得到油井每日生產時間），h。

2.2 系統效率

有桿泵抽油系統是將地面電能傳給井下液體，把井下液體舉升到井口，是能量不斷地進行傳遞和轉化的過程，能量每一次傳遞和轉化都伴隨一定損失，除去損失后的有效能量與系統輸入能量的比值，稱為抽油機井的系統效率[9]。抽油機井系統效率的高低反映出抽油機傳動能量、電動機能量的消耗程度。

（1）機械采油系統效率：抽油機采油系統有效功率與有功功率的比值，有效功率是將井內液體舉升到地面所需的功率，有功功率等于電動機的輸入功率，根據采集數據計算得出。

式中：Q-產液量，m3/d；g-重力加速度；ρm-油井產出液體密度，kg/m3；H-單井實測動液面深度，m；Pc-井口油管壓力，MPa；Pt-井口套管壓力，MPa。

（2）抽油機井的系統效率分為地面效率和井下效率兩部分，光桿懸繩器以上為地面效率，光桿懸繩器以下為井下效率，抽油機井的系統效率為：

抽油機井地面效率是指光桿功率與電動機輸入功率的比值，主要損失為電動機功率損失和機械摩擦損失，反映有桿泵抽油系統地面設備運行狀況，利用光桿功率和電動機輸入功率計算地面效率：

抽油機井井下效率是指有桿泵抽油系統有效功率與光桿功率的比值，主要是機械損失、彈性變形損失和水力損失等，其大小反映有桿泵抽油系統井下設備運行狀況：

光桿功率：通過四連桿機構傳遞作用于光桿的功率，用于提升液體和克服井下阻力，利用示功圖面積進行折算：

式中：A-示功圖面積，mm2；Sd-示功圖減程比，m/mm；fd-示功圖力比，N/mm；n-沖次，min-1。

2.3 能耗計算

在對抽油機井能耗進行評價后，為降低抽油機井的能耗，基于傳統游梁式抽油機的不足，大力發展節能技術，一方面改進抽油機的結構，如安裝雙驢頭抽油機、偏輪游梁抽油機、彎游梁抽油機等實現節能；另一方面則借助無功補償電容技術和變頻技術，提高節能水平。除了安裝節能裝置外，降低能耗的主要方法便是加強油井管理，通過日常指標在線監控及時發現問題，進行優化調整[10-11]?；谟途a過程原理，建立油井日耗電量、噸液百米耗電量等能耗指標。

（1）日耗電量（kW·h）：

（2）噸液百米耗電量（kW·h）

2.4 平衡度計算

抽油機平衡度的好壞直接影響抽油機壽命和電動機耗電量，準確地測量出抽油機平衡度，及時調節抽油機的平衡對抽油機安全生產、節能降耗有重要意義。在尚未配備數字化時期，常用的抽油機測平衡方法是電流法，對于平衡度欠佳、倒發電嚴重的抽油機井，反向電流可能比正向電流還大，就會出現誤判斷[12]。

本文提出基于電參等采集數據的抽油機平衡度實時分析方法，通過對采集數據一次治理后，計算每一條采集功率圖的上、下行程平均有功功率，對全天采集數據進行加權平均后分析功率平衡度，克服了電流法瞬時數據測量平衡度誤差大的缺點，同時避免了工況變化時功率圖不具有代表性的問題，能夠實時準確監測抽油機的平衡狀態，及時針對平衡欠佳井優化調整，實現油井節能降耗的目標。

平均功率平衡度：下行程平均有功功率與上行程平均有功功率的比值：

3 現場應用對比分析

通過對新疆油田采油二廠近1 200 余口游梁式抽油機井應用分析，依據抽油機井功圖、電參等采集參數治理分析后，實現油井泵效、系統效率、能耗、平衡度等關鍵工藝指標的日常在線實時分析等功能，其部分抽油機井關鍵指標分析數據見表4。

表4 抽油機井關鍵指標分析數據

3.1 系統效率對比分析

通過與現場系統效率測試儀器結果對比，部分井因供液能力問題，采集地面示功圖出現供液變化時，功率圖和平均有功功率也隨之變化，產生了較大差異，其余井系統效率差異在±3%以內。系統效率差異較大井均是因供液能力波動問題引起的，對于這類井通過大量采集數據進行在線分析后，得出全天加權平均系統效率值，避免了用供液能力較好或較差時的瞬時數據代表全天數據。

3.2 能耗對比分析

在現場安裝了電參模塊，可通過電表數據讀取的抽油機井能耗數據進行對比分析，數據正確采集時，日耗電差值均小于1.00 kW·h。

3.3 平衡度對比分析

在新疆油田采油二廠多口油井進行試驗，對同一區塊15 口井采集得到平衡度計算分析數據，12 口井平衡狀態為“平衡”，2 口油井“欠平衡”，1 口油井“過平衡”。三類平衡狀態分別選取典型井示功圖和功率曲線，見圖3。其中：L31-19 井示功圖工況為正常，平衡度為0.90；L27-28 井供液略顯不足，示功圖呈現一定“刀把狀”，平衡度為0.64，屬于欠平衡狀態；L80-17 井示功圖工況為正常，平衡度為1.36，屬于過平衡狀態。

圖3 油井平衡狀態案例

典型井L11-55 井平均平衡度為1.56，示功圖呈現一定“刀把狀”，且偶爾出現泵筒不進液，功圖顯示固定凡爾失靈功圖（圖4）。通過表5 實時數據來看，該井瞬時平衡度隨著采集工況的變化而變化。

圖4 典型井L11-55 井疊加功率圖和疊加功圖

表5 L11-55 井平衡度分析數據

該類井通過大量采集數據進行在線分析后，得出全天加權平均平衡度值，避免了用供液能力較好或較差時的瞬時數據代表全天數據。

4 結論

（1）基于功圖電參的常規游梁式抽油機井關鍵指標在線計算分析，解決了人工測試耗時耗力且瞬時數據代表性不強的問題，實現油井工藝關鍵指標的日常在線實時分析等功能，減少了技術人員大量的分析計算時間。

（2）運用基于功圖電參的常規游梁式抽油機井關鍵指標在線計算分析技術，通過在線監測結果，為油井合理制定工作制度和工藝優化方案提供了實時的數據支撐和技術依據，提高了油井管理效率。

（3）依據關鍵指標分析應用結果，各采油單位統一數據源，統一關鍵指標分析應用平臺，對考核管理新疆油田機采指標做到了統一，適合在全油田進行推廣應用。