机采井系统效率实时监测技术研究与应用

熊小伟，崔雪琳，刁海胜，周冰欣，韩利宝，崔文喆

（1.中国石油长庆油田分公司第三采油厂，宁夏银川 750006；2.中国石油长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古鄂尔多斯 017300；3.中国石油长庆油田分公司第八采油厂，陕西延安 717600）

有杆抽油是人工举升方式中应用最为广泛的采油方式之一，其采油设备简单、操作方便、综合成本较低，在低渗透油田开采中被广泛使用。目前，有杆泵采油占到了长庆机械采油井的95 %以上。统计表明，有70 %以上的机采井能耗做了无用功，不仅造成了大量能源浪费，还加剧了机械损耗。

长庆油田机采井平均系统效率为21.6 %，与系统效率的最大理论目标值相比，还有很大的提升空间。为了全面掌握机采系统的能耗动态变化情况，生产管理部门需要定期对每口抽油机井的系统效率进行人工测试，进而确定相应的提升与优化措施[1-3]。

目前系统效率测试需要2 名工程技术人员和1 辆车辆进行配合，每天仅能测25 口井左右，工作效率低。且工程技术人员在现场的测试过程中，需在抽油机配电柜内进行线路连接，存在极大安全隐患。同时因年度系统效率测试工作量大、每口单井测试时间短及操作人员数据录取不规范都将导致分析结果可信程度低，会为下步调整与提升工作带来一定影响。

随着长庆油田数字化建设规模逐步扩大，前端物联网数据采集技术不断进步及数字化生产管理平台的逐步完善，平台所采集的源头数据与自动化监控数据准确性得到提高，现已形成了可用于油井生产决策管理的大型数据库，这都为机采系统效率实时监测系统的开发与应用奠定了基础[4-6]。

1 系统效率的计算

有杆泵抽油系统目的是将地面的电能转化为井下液体的能量，使井下液体流到地面。其整个系统工作时，就是一个能量不断传递和转化的过程，而在每个过程中都存在着能量的损失，抽油机井从地面设备供入系统的能量扣除系统的各种损失以后，就是系统所给液体的有效能量。

1.1 基本定义

将液体举升到地面的有效做功能量与系统输入能量之比值，称为抽油机井的系统效率，即：

其中：

式中：P有-有效功率，kW；Q-油井产液量，m3/d；ρm-油井液体密度，t/m3；g-重力加速度，9.8 m/s2；Hd-油井动液面，m；Po-井口油管压力，MPa；Pc-井口套管压力，MPa；U-电机线电压有效值，V；I-电机线电流有效值，A；φ-有功与视在功率的比值，无量纲。

1.2 系统效率分解

根据抽油机系统工作的特点，可将抽油机系统效率分为两个部分，即地面效率和井下效率。一般情况下，以光杆悬绳器为界，悬绳器以上的机械传动效率和电机效率的乘积为地面效率，而悬绳器以下到抽油泵的杆柱效率和抽油泵到井口的流体效率的乘积为井下效率。

式中：A-示功图的面积，mm2；Sd-示功图减程比，m/mm；fd-示功图力比，N/mm；ns-光杆实测平均冲次，min-1；η地面-地面系统效率，无量纲；η井下-井下系统效率，无量纲。

2 关键数据采集

平台开发充分利用数据库中已有的油井产液量、动液面深度、生产参数、井口油压与套压等数据，同时前端配套三相电参采集设备来实现系统效率的实时计算与监测等多项功能[7-12]。

2.1 生产数据采集

2.1.1 井口油压与套压 随着长庆油田数字化系统建设的不断完善，可以通过井口压力变送器来实现数据实时高效地采集。

2.1.2 动液面深度 目前还没有成熟的实时监测手段，仍需人工利用回声仪来测试。在油井正常生产时，定期将测试数据结果录入生产管理平台。

2.1.3 光杆示功图 示功图数据主要由载荷、位移组成，载荷数据由悬点上安装的载荷传感器来获得，位移数据由角位移传感器来采集，每10 min 同步采集一组示功图数据，每组数据包含200 点以上。

2.1.4 油井产液量 长庆油田已通过采集油井光杆示功图、建立杆、管、液柱的力学与数学模型，在对不同井口示功图激励下的泵功图进行分析及有效冲程进行识别后，可折算出泵的有效排量，最终实现油井日产液量自动计量。对于计算结果与实际产液量偏差较大的油井，常采用定期修正单井系数的方法来提高功图计产精度。

2.2 电力参数采集

三相电压、三相电流、功率因数等电力参数主要通过地面电控柜上电流互感器、电参数据采集模块及井口RTU 来采集，输入功率、有功功率、无功功率、功率因数及耗电量可实时读取，原理（见图1）。

图1 电力参数采集原理

2.3 通讯数据传输

数据通信采取有线传输的方式，采集的示功图、电参数据经井口RTU 传输至井场RTU，再由网桥将信号传输至站控主机，最后存储至油井生产管理系统数据库。数据通信与传输（见图2）。

3 软件系统平台开发

3.1 智能计算

图2 数据通信与传输过程

在线监测平台每10 min 录取一组电参数据与示功图测试数据，同步提取油井产液量等生产数据来计算该时刻下的系统效率，最终将全天各个时刻所计算的系统效率均值作为该油井全天的真实系统效率。计算原理（见图3）。

图3 系统效率实时计算原理

3.2 平台开发

平台采用B/S 架构搭建，选用my Eclipse 开发环境，运用VB，Java 等多种语言进行编译。在服务器安装Oracle 等数据库后，用户只需安装一个浏览器（Browser），如Netscape Navigator 或Internet Explorer，服务器安装Oracle、Sybase、Informix 或SQL Server 等数据库进行数据交互，平台搭建完成后，用户可在客户端实现对接入油井的系统效率进行实时监测、分析与管理。

3.3 平台主要功能

平台主要包括系统效率数据查询、曲线绘制与分析统计功能。

3.3.1 数据查询 在选择作业区及日期范围后，可查询区域内所有接入成功油井的平均能耗与系统效率。同时，在输入油井井号并选定时刻后还可查看该井的实时示功图、系统效率、地面效率、井下效率、输入功率等数据。

3.3.2 曲线绘制 在选定油井井号与日期范围后，可根据实际需要，生成每天平均的系统效率、输入功率及单井日耗电量等曲线。

3.3.3 分析统计 可显示各采油作业区实时的系统效率接入井数，分析成功井数、平均系统效率，平均地面效率，平均井下效率，平均输入功率与日耗电量等数据。

3.3.4 预警管理 在油井其他生产参数一定的条件下，油井实际产液量可看作为流压值的函数，反之井底流压值就可在一定程度上反映油井产能。而系统效率又与油井产液量紧密相关，因此在一定的流压下，系统效率的理论值可通过计算得出。

若以系统效率作为纵坐标、流压值作为横坐标，可绘制出在不同流压下的最高系统效率边界曲线。同时用最高系统效率边界值乘以不同百分数则可以划分出不同系统效率区域，最终得到系统效率宏观控制图，即能耗宏观控制图模板。

再将全区所有油井所计算的系统效率值在能耗宏观控制图模板显示，就可准确找出油井系统效率所处的区域及该区域油井的数量。

如对系统效率高于100 %带有自喷能力的油井，通过采取改机采为自喷，以节省能耗；对系统效率低于10 %的低效井，可参照地面效率、井下效率等值对油井开展系统性的调整与优化；对于优化调整后的油井可加大跟踪力度，确保油井在生产条件变化的情况下始终在高效区域内运行。

4 应用效果分析

目前系统效率在线监测台接入油井已达2 000 余口，分析成功井1 000 余口。为验证平台计算结果的准确性，现场利用PMTS 型系统效率测试仪对平均输入功率测试、实时输入功率测试及实时系统效率进行现场测试（测试周期分别为24 h、60 s 与600 s），并将实测结果与软件计算结果进行对比验证。结果表明，两者数据误差在4 %以内，系统效率平台的计算精度可满足工程需求。

5 结论

（1）油田数字化建设的不断完善为机采井系统效率在线监测系统的应用提供了实时的数据支撑，同时，系统的推广为电参数据及生产数据的深度应用提供了广阔的平台。

（2）与传统人工测试相比，系统效率的在线测试技术取代了人工现场接线、设备操作等工作，降低了测试过程中的触电等风险，能为每口油井节约测试成本约0.1 万元/年。

（3）该系统平台能够提供更及时、准确、可靠的系统效率数据，能为抽油机井节能降耗高效实施提供依据，降低管理难度与油田的开发成本。

（4）通过应用能耗宏观控制图模板，可实时掌握油井系统效率实时状况，同时可找出油井实施提高系统效率措施的潜力，为是否采取进一步措施提供依据。