抽油机井智能管理软件的研究与应用

2016-12-08孙英伟大庆油田钻探工程公司钻井三公司

石油石化节能 2016年11期

孙英伟（大庆油田钻探工程公司钻井三公司）

抽油机井智能管理软件的研究与应用

孙英伟（大庆油田钻探工程公司钻井三公司）

针对抽油机井传统诊断技术符合率低、存在人工分析误差等问题，研究应用了抽油机井智能管理软件。以抽油机井动态诊断模型为基础，通过现场模拟修正，建立仿真精度较高的抽油机井智能管理软件，为水驱油藏开采提供指导和依据。通过智能管理软件的综合应用，抽油机井系统效率提高了6.92%，取得较好的应用效果，可以高效精准地进行抽油机井的系统诊断和措施优化。

抽油机井；智能管理；系统效率

诊断与优化技术是实现抽油机井科学管理，确保抽油机井安全经济高效运行的重要技术手段。传统的诊断技术主要是通过人工分析泵况进行诊断，现场符合率较低、且存在误差。目前，抽油机井的优化技术主要是以节能或以防偏磨为目的，两者无法兼顾；同时，抽油机井诊断与优化缺少系统性的软件，尚未实现多功能诊断技术的融合，也没有实现诊断与优化技术的真正统一。为此，开展抽油机井运行状态的综合智能诊断技术、系统节能与防偏磨的一体化优化技术研究，建立智能化的综合管理软件，使抽油机井经济高效运行，提高科学管理水平。

1 技术原理

1.1 抽油杆柱动态与悬点示功图的计算机模型

采用波动方程描述抽油杆柱的轴向振动，并以此为基础对悬点示功图、泵示功图、抽油杆柱任意截面示功图及其有关力学行为特征参数进行仿真。建立抽油杆柱顶端位移边界条件仿真模型、抽油杆柱底端载荷边界条件仿真模型及沉没压力与排出压力仿真模型，结合理论计算方法并根据现场实测的光杆功率、有效功率及刚体摩擦功率来计算阻尼系数。描述抽油杆柱纵向振动的数学模型为二阶双曲偏微分方程，应用差分法建立仿真模型，求得抽油杆柱各个节点的位移。根据各节点位移仿真结果，得出抽油杆柱顶端载荷，根据悬点载荷与悬点位移，绘制出悬点示功图；根据柱塞集中载荷与柱塞位移的仿真结果，可以绘出泵示功图。根据抽油杆柱动态仿真结果，可以对抽油杆柱任意截面示功图、多级杆柱顶端示功图进行仿真；根据杆柱轴向分布力仿真模型，可以对杆柱轴向分布力进行仿真。

1.2 抽油机井系统效率的仿真模型

以悬点示功图与泵示功图的仿真结果为基础，建立系统效率仿真模型。具体分为地面节点动态参数的仿真模型、井下节点动态参数的仿真模型、系统效率仿真模型[1]。

通过对光杆平均功率、曲柄轴净扭矩与输出功率、电动机输出轴扭矩与输出功率、输入功率的计算，建立地面节点动态参数的仿真模型；通过对排量系数、有效功率、抽油泵输入功率、盘根输出功率的计算，建立井下节点动态参数的仿真模型。系统效率分为地面效率与井下效率。地面效率为光杆平均功率与系统输入功率的比值，可分解为电动机平均运行效率、皮带减速箱平均运行效率与换向机构平均运行效率；井下效率为系统有效功率与光杆平均功率的比值，可进一步分解为盘根效率、抽油杆柱效率与抽油泵效率。

1.3 水驱直井杆管偏磨仿真评价模型

在垂直井中，抽油杆柱产生偏磨的条件是抽油杆柱在油管内屈曲而产生弯曲变形。抽油杆柱受沿轴向的均匀分布力和悬点下冲程时集中于杆柱下端的集中轴向压力的作用[2]。通过力学计算，建立水

驱直井杆管偏磨分析的力学模型、抽油杆柱轴向分布力的仿真模型、抽油杆柱底部偏磨有效轴向压力的仿真模型、杆管偏磨临界轴向压力的仿真模型，引入偏磨指数评价杆管的偏磨状态与偏磨严重程度。

1.4 抽油机井参数综合优化设计仿真模型

1）抽汲参数的优化设计。以系统效率最高为目标函数的参数优化结果，既可以保证系统效率实现最大值，又可以保证偏磨指数实现最小值，能够实现提高系统效率与防偏磨（或减轻偏磨）的协调统一。

2）抽油杆柱组合的优化设计。当以系统效率最高为目标函数优化抽油杆柱时，杆柱优化结果为阶梯杆柱，即在满足强度条件下，应采用最轻的抽油杆柱组合；当以降低偏磨指数为目标函数，即以预防杆管偏磨为目标优化抽油杆柱时，杆柱优化结果一般为哑铃型杆柱或具有加重杆的组合杆柱，此时抽油杆柱的重量增加，系统效率降低。抽油杆柱的优化设计无法实现提高系统效率与防偏磨（或减轻偏磨）的协调统一，两者之间存在着矛盾性。

3）扶正器配置间距优化设计。对于通过参数优化设计尚不能完全防止杆管产生偏磨的抽油机井，目前广泛应用扶正器预防杆管偏磨。扶正器的配置原则应保证抽油杆柱不和油管产生接触摩擦。配置扶正器预防杆管产生偏磨的实质是以牺牲扶正器的磨损来防止抽油杆柱产生磨损，同时由于扶正器材质相对于抽油杆材质较软，也降低了油管的磨损速度。

1.5 抽油机井综合诊断模型

1）泵况诊断。根据测得的光杆载荷及位移，计算出每级抽油杆柱顶部及抽油泵柱塞上的载荷和位移，并绘制出相应的井下示功图，根据地面及井下示功图分析抽油系统的工况。

2）油管漏失诊断。根据井下泵示功图对井下产量进行诊断，与井口实测产量进行对比，可以判断油管是否漏失。

3）杆管偏磨诊断。由抽油杆柱各截面示功图的仿真结果计算抽油杆柱的轴向分布力、杆管偏磨的临界力。根据柱塞实际下行阻力、杆管偏磨的临界力便可以判断杆管是否偏磨。

4）电动机功率利用率诊断。以实测悬点示功图为基础，对曲柄轴净扭矩曲线、电动机实耗功率曲线、电动机平均实耗功率进行仿真，并计算电动机功率利用率，由此判断电动机功率利用率的合理程度。

5）系统参数匹配的完善程度诊断评价。对目前参数条件下的系统效率进行仿真，并优化出系统最佳参数与最高系统效率，根据最高系统效率的实现率评价系统参数。

1.6 抽油设备优选的数学模型

抽油设备选择的具体内容包括：抽油机型号、抽油泵直径、抽油杆柱的组合与规格、电动机装机功率。考虑系统最大产液量供产协调指标、设备能力利用率指标与经济效益指标。在选择抽油设备时，必须综合考虑诸多因素，如系统实际产液量与预测产液量的差别、设备能力利用率、设备初期投资和生产经济效益等，但由于这些性能指标优劣的描述较为模糊，如悬点载荷利用率通常用高、较高、一般、较低、低等模糊语言来描述，采用普通数学方法很难对其进行定量描述，为此采用综合评判方法优选抽油设备。计算所选择的各个方案的目标函数值，目标函数值最大的方案即为最优方案。

1.7 软件功能

根据以上建立的数学模型，开发了抽油机井智能管理软件，其操作运行环境为中文Windows XP,采用可视化程度较高的Visual Basic 6.0语言进行编程。该软件共包括12个功能模块：井眼轨道模拟、油井流入流出特性曲线、系统效率仿真评价、设备节能仿真评价、杆管偏磨仿真、系统优化设计、区块整体优化、机型优选、经济仿真评价、举升方式优选、综合诊断优化、参数管理。

2 应用效果

2.1 抽油机井综合诊断功能应用效果

通过悬点示功图、泵示功图仿真为基础的抽油机井系统效率、杆管偏磨指数、系统效率极值、系统最优参数匹配的仿真优化方法，实现了泵况、偏磨、节能潜力的智能一体定量诊断评价。共诊断100口井，每口井进行3项诊断，综合诊断符合率达90.3%，如表1所示。

表1 抽油机井诊断情况统计

2.2 抽油机井参数综合优化设计效果

在抽油机井系统效率、杆管偏磨指数与系统可靠度计算机仿真模型的基础上，将抽油机井抽汲参数作为设计变量，以系统效率最高为优化目标，并综合考虑偏磨指数、机杆泵系统可靠度、设备承载能力、油井参量、杆柱强度等约束条件，建立了抽油机井参数优化设计模型，实现了抽油机井节能、防偏磨与提高可靠性的一体优化。共应用优化了145口井，其中，调大参数20井次，调小参数110井次，换大泵10井次，杆管组合优化15井次。

统计优化前后无措施的52口井，通过现场测试有功功率、产液量及动液面等生产参数进行对比分析，优化前平均系统效率21.64%，优化后平均系统效率28.56%，提高了6.92%。其中50口井采取地面参数调整措施，优化前平均系统效率21.52%，优化后平均系统效率28.53%，提高了7.01%（表2）。2口井随作业同时调整泵径、杆柱组合以及优化扶正，优化前平均系统效率24.6%，优化后平均系统效率29.3%，提高了4.7%（表3）。