移动式液压抽油机自适应测控系统的研制

张少雷，刘凯辉，刘伟超，刘奇峰，尚少轮，杜宏伟，郭子斌

(1. 河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552；2. 华北油田二连分公司 工程所，内蒙古 锡林浩特 026000;3. 河北华北石油工程建设有限公司 第一管道分公司，河北 任丘 062552)

随着油田的长期开发,已有相当数量的油井进入了中后期开采阶段，其中部分老井出现了供液不足[1]或其他故障，形成报废井、长停井、边远井等。如果这几种类型的井用常规抽油机采油作业，由于产量低，耗电量大，修井作业次数较多，则会造成采油成本增高,综合经济效益降低的问题。同时，新井的开发过程中，需要试采，如果安装常规抽油机，工作量和成本很大。所以，目前各油田急需一种可快捷移动且能够自适应井况的采油装置。移动式液压抽油机自适应测控系统满足了现场所需的运移机动性、安全性、智能控制、数据记录、状态监测[2]等功能，作为对常规抽油机的一种补充，大幅节约了采油设备投资成本，减少了管理难度和管理费用，特别适用于油井的间歇排采作业。

1 系统组成及方案设计1.1 系统组成

移动式液压抽油机自适应测控系统采用储能设计，包括液压动力单元、举升油缸、液压蓄能装置等。液压动力系统包括变量泵及主阀组，变量泵由电机驱动。能量的储存与释放由蓄能器单元和蓄能器阀组控制装置实现，在抽油机上行和下行过程中举升系统的能量平衡保持不变，即使在环境温度和抽油杆载荷发生变化时，也无需调节，系统原理如图1所示。

图1 液压系统原理示意

下行时，井口负载及主液缸杆自重向下压动主液缸，液压油从比例换向阀和蓄能器阀组流向蓄能器组，给蓄能器充液蓄能。上行时，变量泵组同蓄能器合流给主液缸供液将主液缸和井口载荷举升，释放能量。在整个上下往复运动过程中，该系统不断地进行充液、放液动作，减少了驱动抽油杆和井内液柱质量所需的能量需求，实现了真正意义上的平衡，达到节能效果。

该系统在上行过程中，充分利用蓄能器与变量泵的流量合流[3]进行驱动。但是两套装置在合流过程中，瞬时流量不均匀，且随时间而变化。由于该系统液缸在最低点由下向上换向时出现液压油路改变、流量合流双重变化，导致系统出现剧烈震动。该系统采用了液缸位置闭环反馈控制，为了达到良好的换向控制效果，研制了位置识别[4]缓冲算法，基本算法原理如图2所示。

经过位置识别缓冲算法有效执行后，液缸在最低点由下向上换向有了很好的平稳性。

1.2 电控系统设计

电控系统主要包括： 数据监控系统、功图采集系统、自适应控制系统。电控系统实时采集上下冲程过程中力、速度、井内压力、动液面位置、出油量等参数，核算并输出实时控制信号，自动调节冲程、冲次、速度等参数。

1.2.1 数据监控系统

数据监控系统与液压控制系统实行报警联动机制，实时监控液压系统关键动力参数。系统提供常规油机井排采监控数据，例如冲程、冲次、示功图、油压、油温、最大载荷、最小载荷等。数据监控系统可提供多种数据传输接口和传输协议，系统支持McWill，4G，3G，GPRS，Mesh，专线等数据传输方式，并支持Modbus-RTU，DDE，A11，自定义等通信协议，方便用户快速集成配套。数据传输网络构架如图3所示。

图2 位置识别缓冲算法基本原理示意

图3 数据传输网络构架示意

为方便用户，提供了定制化数据监控APP，方便用户随时随地查看和监控设备运行数据和生产状况。数据监控APP具备数据查询功能，用户可快速地定位设备，并可查看实时和历史数据，了解设备运行信息，接收设备报警等。

1.2.2功图采集系统的研制

移动式液压抽油机与常规抽油机的位移运动曲线完全不同，常规抽油机的位移曲线是半正弦曲线，功图采集算法是按照正弦曲线[5]定制开发的，如果直接应用于移动式液压抽油机会出现功图形状严重变形的问题，常规抽油机与移动式液压抽油机悬点运行曲线对比如图4所示。

图4 移动式液压抽油机与常规抽油机悬点运动曲线对比示意

经过不断研究移动式液压抽油机位移实际运行曲线，研发人员自主开发了专门适用于不规则位移的功图采集算法，算法以实时载荷点和位移点一一对应的特性，采集真实对应数据，功图精度可以达到400点，该算法适用于任何不规则运动采油设备的功图保真采集，有效解决了移动式液压抽油机常规功图方法的失真问题。

1.3 自适应控制算法研制

由于移动式液压抽油机的应用对象主要为油田的长停井和试采井，能否在最短的时间将井下油液抽吸上来成为判断该设备经济效益关键问题。由于该设备的液压控制与驱动原理的特性，抽油杆可实现在任何位置悬停[6]，在任何冲程下任意进行速度匹配，这就赋予了该设备可采用特殊排采工艺的能力。为了尽量减少人工判断井况和调整工作参数，定制开发了自适应井况的控制算法，系统可根据实际井况功图趋势[7]，自动调整运行参数，以最大限度地提高采收效率。自适应控制算法运行机制如下：

1)PLC通过液缸位置反馈和载荷传感器在采样间隔时间内分别采集200个上冲程的载荷和位移数据点及200个下冲程的载荷和位移数据点，建立数据分析库。

2)提取数据库中采集数据，计算出上冲程最大载荷、下冲程最小载荷、上冲程加载线斜率和下冲程卸载线斜率，推导理想示功图[8]。

3)计算泵充满度。泵的充满度η为实测示功图面积与理想示功图面积的比值，因为角位移上下一致，则计算公式为

式中：S实测——实测功图面积；S理想——理想功图面积；P——实测示功图的载荷；P′——理想示功图的载荷。

4)自适应调整运行冲次。当η>90%时，说明地层供液充足，不用调整；当60%≤η≤90%时，说明地层供液略显不充足，需要稍微调整，可缓慢降低抽油机冲次，降幅不必过大；当η<60%时，说明地层供液不充足，需要调整，可降低抽油机冲次，并执行液缸最低点悬停充液动作。

2 应用状况

移动式液压抽油机首次应用在华北油田二连分公司。由于该公司存在大量的长停井，并且有很大一部分还具备再次开发的潜能，如果安装常规抽油机将耗费大量的人力物力。

移动式液压抽油机采用灵活的拖车移动式结构，可以快速的在工作井之间移动，并且具备快速、方便的安装及运行结构，完全能够满足该公司对潜力井二次开发的功能和技术要求。

移动式液压抽油机自适应测控系统是移动式液压抽油机的主要控制组成部分，自适应测控系统中集成的远程数据传输与控制功能，可方便地进行远程监控及接受异常情况报警，针对突发情况实现远程调整参数，可实现无人值守，大幅节约了人力资源。该设备分别在该公司的锡林作业区、哈南作业区进行了现场应用验证。试验情况见表1所列。

经三口井的运行验证，该设备满足了该公司对潜力井的二次开发要求，并且具备高可靠性、自适应性，提高了潜力井二次开发效率，并且具备一定的节电能力，最大限度节约了二次开发费用。

3 结束语

1)移动式液压抽油机自适应测控系统解决了液压式抽油机长期存在的人工设定参数问题，为移动式液压抽油机快速移运、安装使用提供了保障，实现了长停井、试采井快速高效开发。

表1 移动式液压抽油机试验数据

2)移动式液压抽油机任一点悬停的特性可为低产油井的特殊排采工艺提供可靠支持，工艺人员可根据悬停特点为低产井定制开发专用排采工艺，提升低产井的开采效率。

3)该系统很好地适应了现场应用工况，满足了低成本二次开发潜力井的要求，具备广阔的应用前景。