螺杆泵闭环智能采油系统在油田生产中的应用

2017-12-06徐春亮李丹肖传玉

石油石化节能 2017年10期

关键词：油杆螺杆泵闭环

徐春亮李丹肖传玉

（1.大庆油田有限责任公司第六采油厂；2.大庆油田有限责任公司第一采油厂；3.大庆润滑油分公司）

螺杆泵闭环智能采油系统在油田生产中的应用

徐春亮1李丹2肖传玉3

（1.大庆油田有限责任公司第六采油厂；2.大庆油田有限责任公司第一采油厂；3.大庆润滑油分公司）

针对传统螺杆泵存在的地面驱动螺杆泵时，转速瞬间提高，抽油杆产生很大的惯性扭矩，导致抽油杆承受的扭矩大于额定扭矩，抽油杆易拧断；螺杆泵停机时，抽油杆的载荷扭矩瞬间释放，抽油杆快速倒转，容易造成抽油杆脱扣等问题，提出了应用螺杆泵闭环智能采油系统解决上述问题的方案，介绍了螺杆泵闭环智能采油系统的适用条件、工作原理、系统组成、特点，以及现场应用情况，并对实施效果进行了分析评价。实践证明，螺杆泵闭环智能采油系统是一种先进的低成本油井开发生产工艺技术，具有很好的油田生产现场适应能力和较高的性价比。对5口采用游梁式抽油机举升方式且油井地层供液相对不足的油井，实施螺杆泵闭环智能采油系统节能技术改造，改造后其综合节电率达到48.9%，年节电量达209 875 kWh，单井平均日节电达到115 kWh。此系统的应用对推进智能化油田建设具有促进作用。

螺杆泵；闭环；智能采油系统；应用；节能；增产

引言

螺杆泵采油工艺以其工艺简单、管理方便，适用于高黏度、高含砂、大气油比、低产油田的开采等优点，越来越多地用以开发稠油油藏[1]。螺杆泵是一种容积式泵，它的运动部件少，没有阀件和复杂的流道，油流扰动小，排量均匀，具有适应性强，投资费用低，管理简便，排量调节方便，效率高，节能效果好等优点[2]。但传统螺杆泵存在着以下不足：地面驱动螺杆泵时，转速瞬间提高，抽油杆产生很大的惯性扭矩，导致抽油杆承受的扭矩大于额定扭矩，抽油杆易拧断；螺杆泵停机时，抽油杆的载荷扭矩瞬间释放，抽油杆快速倒转，容易造成抽油杆脱扣[3]。随着智能化油田建设步伐的推进以及数字技术的迅速发展，数字信息化和智能化技术在油田生产中的不断应用，不仅可以提高油气开发生产效率，而且又能有效解决传统油气生产中的一些技术难题[4]。为此，在调查研究的基础上，提出了《螺杆泵闭环智能采油系统在油田生产中的应用》这一研究课题，并取得了良好的现场应用效果。

1 螺杆泵闭环智能采油系统的适用条件、工作原理及组成

1.1 适用条件

智能地面驱螺杆泵采油方式对于低产井、稠油井、出砂井均有较好的适应性，且生产系统成本上升低，对直井具有较好的适应性；对于定向井，要求其抽油杆受力深小于1200 m，油井采出液含砂量小于2.5%，油井硫化氢的质量分数小于5×10-6，井温小于100℃，泵下入深度套管完好，无变形，有良好的锚定条件[5]。智能地面驱螺杆泵系统主要由螺杆泵闭环智能采油系统组成。

1.2 工作原理

该系统的设计思路是根据光杆的扭矩、受力、螺杆泵井下液位、电动机电流、电压等参数，以螺杆泵采油系统效率最高或能耗最小为设计原则，充分考虑智能采油系统的高效节能因素，构成智能监控闭环控制回路系统；通过设计高效节能的新型智能控制器，来实时调节电动机的运转速度，从而有效控制螺杆泵的运行速度，使螺杆泵采油系统工作在最优状态，提高油井采油效率[6]。

该智能采油系统的工作原理是：传感器的信息输入模糊-神经网络智能控制器，智能控制器根据该信息所反映的井下实时工况，由可编程控制器（PLC）发送一个信号给变频器，变频器根据该信号改变电动机输入电压频率，并对三相异步电动机进行无级调速，从而使抽油杆及螺杆泵转子的转动速度发生改变，进而达到实时智能控制油井的开采。当螺杆泵开机时，由PLC发出软启动指令，对螺杆泵进行软启动；当螺杆泵停机时，由PLC发出软停机指令，对螺杆泵实施软停机，可以有效避免抽油杆扭断或脱扣现象的发生。

1.3 组成

螺杆泵闭环智能采油系统是一个智能闭环智能采油系统，主要由井下检测传感器、数据采集电路、PLC、变频器、配套电动机、螺杆泵、减速器和抽油杆柱等部分组成。该系统可以根据井下生产实时参数自动控制调节螺杆泵的实时转速，使螺杆泵处于最佳工作状态，避免抽油杆频繁断、脱问题，达到增产、节能降耗和提高油井机采系统运行效率的目的。

2 螺杆泵闭环智能采油系统特点

1）智能化程度高。采用模糊-神经网络智能控制器，高性能的智能控制器完全能满足油田生产现场的使用要求。采用的PLC为西门子公司生产的S7-300系列，其控制准确性高。

2）节能效果好。比传统游梁式抽油机直接节电40%左右，综合节电45%以上，同时还可降低油井变压器的容量。

3）安全可靠性好。采用软刹车电气控制系统，具有柔性自动控制功能，能有效防止抽油杆断杆、脱扣等机械事故。同时，还采用油井防抽空保护装置，能有效解决油井因地层供液不足造成抽油机空抽的问题，确保油井连续生产平稳运行。

4）泵效高。其螺杆泵泵效比传统游游梁式抽油机泵效高出25%。

5）自动调速。能根据油井供液情况，自动调节变频器运行频率，调节电动机转速；能根据地层供液情况变化，自动调整油井生产工艺参数，具有柔性调节等优点。

6）噪声低。采用变频调速控制系统，具有系统软启动、软停车以及减少机械传动机构等特点；与传统游梁式抽油机机械驱动系统相比，不仅电动机功率大大降低，而且降低了因机械传动机构动作而产生的噪声，有效改善职工的工作环境，减少职业危害[7]。

3 现场应用情况及实施效果

2016年5月，大庆油田某采油厂在调查研究的基础上，引进应用螺杆泵闭环智能采油系统，对5口采用游梁式抽油机举升方式且油井地层供液相对不足，产液量低的油井实施整体节能技术改造，取得了良好的效果。项目实施前后5口油井生产数据对比见表1。

由表1可知，应用螺杆泵闭环智能采油系统后，油井产油量和产液量均得到提升，电动机功率因数平均提高0.496，平均单井日节电量达115 kWh，平均单井有功功率下降4.80 kW，平均单井无功功率下降14.52 kvar，百米吨液耗电下降4.12 kWh，综合节电率达到48.9%，油井平均系统效率提升12.61%。通过应用螺杆泵闭环智能采油系统，优化了油井生产工艺状态，降低了油井生产负荷，减少了油井变压器容量，使油井更趋于高效、节能、低耗的生产运行状态，达到了机采系统整体节能降耗和提高油井系统运行效率和高效开采的目的。

4 综合效益评价分析

通过螺杆泵闭环智能采油系统在油田生产中的应用，有效地解决了油田稠油开发区块油井举升工艺不合理、油井系统效率低、能耗高以及吨油开采成本高等问题，取得了良好的经济效益和社会效益。

1）变压器减容。通过实施螺杆泵闭环智能采油系统在油田生产中的应用，降低了油井变压器容量，优化了油井供配电系统运行配置。按照现行电费标准计算，可降低年容量费用12 480元。

2）节能。项目实施后，其综合节电率达到48.9%，单井平均日节电达到115 kWh，5口油井年节电量可达209 875 kWh。按每千瓦时0.631元计算，预计可节省电费132 431元。

表1 项目实施前后5口油井生产数据对比

综上分析可知，通过螺杆泵闭环智能采油系统在油田生产中的应用，则产生年直接经济效益为14.4911万元。

3）减排。按照节约1 kWh电能减排0.997 kg二氧化碳，即减少0.272 kg碳排放计算，应用该系统每年可减少碳排放57 086 kg。

4）提高油井系统运行效率。油井平均系统效率由节能技改前的16.18%提升到节能技改后的28.79%，达到了油井“能效倍增”的技术改造目标，完全符合油田生产绿色、节能、低碳、高效、共享的发展理念。

5）提升油井生产时率。该工艺技术具有油井免维修、延长密封组件使用寿命、降低停机维修率、节省大量维护费用的特点，增加油井采油工作效率和效益。

6）安全可靠性好，操作简单方便。能根据油井供液情况，自动调节变频器运行频率和电动机转速；能根据地层供液情况变化，自动调整油井生产工艺参数，满足油井连续生产不间断输送以及长距离连续输送防止管道堵塞的工艺要求。

5 结论

实践证明，螺杆泵闭环智能采油系统是一种先进的低成本油井开发生产工艺技术，它具有系统整体运行效率高、节能效果好、安全可靠性好、自动调速、噪音低、智能控制器性价比高、能有效提高油井生产时率等优点，可解决部分油井供液不足、油井液面低、产液量少、油井开采成本高等问题。该系统采用模糊-神经网络智能控制器，具有很好的油田生产现场适应能力和较高的性价比，高性能的智能控制器完全能满足油田生产现场的使用要求，它的应用对推进智能化油田建设具有促进作用。

[1]吕彦平，吴晓东，李远超，等.螺杆泵井系统效率分析模型及应用[J].石油钻采工艺，2006，28（1）：64-68.

[2]朱益飞，石晓明，马冬梅.提高孤东油田机采系统效率的探讨[J].电力需求侧管理，2009，11（4）：44-48.

[3]王用桥，伍名山，罗海峰.浅谈配电系统节电技术应用及效果分析[J].油田节能，2007（1）：44-46.

[4]朱益飞.运用先进监控技术确保油气管道安全[J].可编程控制器与工厂自动化，2010，10（6）：99-101.

[5]国家能源局.油田生产系统能耗测试和计算方法：SY/T 5264—2012[S].北京：石油工业出版社，2012：1-12.

[6]朱益飞.新型直驱式螺杆泵地面驱动装置在油田生产中的应用[J].石油石化节能，2016，6（11）：51-53.

[7]史红芳.提高稠油注汽开发质量效果的探讨[J].石油工业技术监督，2012，28（4）：32-34.