机采井智能采油技术研究进展及趋势

汪丽丽，胡秀荣

（大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆 163453）

1 概述

近年来，智能采油技术在我国石油开采工业发挥着重要作用，能够有效地促进石油工业发展，产生巨大的经济效益和社会效益。长庆油田的数字抽采技术、吉林油田的电参数检测技术、中石化的多参数调控技术等数字化集成技术为机采井迈向智能化发展积累了宝贵的经验。

2 机采井智能采油技术

2.1 机采井智能采油技术的工作原理

机采井智能采油技术原理，是通过在线动态检测技术，提取油管与套管的环形装置的动液面作为调控参数，通过对比动液面参数的实际值与设定值的波动范围，改变油井电动机自动变频的调频，从而调节抽油杆联动的抽油泵做机械往复的频次，最终机采井实现智能采油的全过程。从技术分类范畴来看，智能采油技术是一种将自动化技术、信息转化技术和计算机智能运算技术综合性集成技术。机采井智能采油的工作流程，当动液面的实际值高于系统设定值时，井下的供液体的能力强，中心控制系统将加强抽油泵电动机的运行频率，及时调整抽排油层的速率；当动液面的实际值低于系统的设定值时，说明井下提供液体的能力较弱，中心控制系统将减少抽油泵电动机工作频次，减慢油泵排出液体的速率，从而建立油井提供液体的能力与油泵排出液体的能力成为动态的平衡，实现对油泵的高效、智能化控制。

2.2 智能采油的工作系统

2.2.1 智能监控系统

机采井智能调整系统的首要参数是动液面，即油管与套管之间环形装置的液面，该液面的作用是计算抽油泵沉没度和油井底部流体压力的重要依据。动液面直接反映出油井提供液体的多少，通过液体提供量可以得出油井的生产能力与开采持久性，最终影响智能采油技术在油井的应用。动液面检测的介质是次声波，一种频率小于20Hz的声波，比正常的声波在油管及套环之间传播的距离更远，信号检出率和响应度更高。动液面检测以音标法为基础，通过打气泵在套管间产生次声波，遇到气体-油层过渡带发生声波的反射，在不同套压下通过对比前后声速值，可以计算出油层动液面的位置。

为了弥补动液面数据检测不准确或供液排液调控失效的情况，智能采油技术集成了示功图检测系统，采用示功图检测仪在特定频率下检测不同做功情况，得到采油过程实时示功图，从而对油井供液体情况进行辅助评价。示功图检测仪的工作过程是，在一定时间间隔下，通过位移传感器和荷载传感器得到抽油机滑杆的位移以及受力点载荷，将机械数据转化成电信号传送给单片机处理器，完成数据分析和处理后，再通过无线单元接收信号并送智能控制数据终端装置保存。

通常优化控制系统包括远程终端单元（RTU）、自动控制模块、电动机变频器、电参数据测量模块和通讯装置等。智能终端单元是智能控制系统的核心，主要负责动液面数据或示功图数据的分析处理变换工作，并将数字信号转化成电子信号传递给远程中心控制系统处理器。最新的RTU装置通常与控制装置集成在一起，具有可视化、多功能性、可操作性强等优点，能够实现本地闭环控制和调节。电参数据测量模块是定期测定电动机参数，并转化成电子信号供远程终端分析。当通信模块接收到中心处理器的调控指令后，经由远程终端单元分析调配，再由控制单元执行变频的数值，表现为电动子抽油杆做往复运动的冲程次数的改变，实现抽油泵的运行速度与泵体进液速度的动态匹配，从而维持采油泵的高效运行。

2.2.2 中心分析及控制系统

机采井中心分析的核心组成是通用分组天线服务技术（GPRS）所拥有的路由器数据分析处理系统，包括数值交换机、自动分析软件、动液面分析软件、示功图运算软件以及其他页面辅助设备。采油井智能中心的分析过程，数值交换机获得通用分组天线服务器传递的GPRS数据信号，动液面分析软件和示功图运算软件对数据信号进行分析和模拟环境，经GPRS路由器提供数据运算支持，经人工核实后发布自动管控命令，将动液面、示功图等多种参数通过数值交换机转化成GPRS电子通信信号，经GPRS路由器分解后传递给智能控制系统的优化控制模块。机采井智能分析技术的方法是示功图法和电参数法，其中示功图法又可分为地面示功图和井下示功图。地面示功图分析是利用悬点的载荷和位移开展示功图分析，通过API类比实测的示功图与标准示功图的微小差别，分析诊断抽油机的工作状态。井下示功图则更多利用求解波的方程开展井下故障分析，该方法通常与人工神经、矩阵特征法等人工智能技术结合，主要应用在排除柱塞泵杆柱变形、机器非简谐振动和惯性行动等危害因素的预防和研究工作。电参数法是基于测定的电参数模型，间接计算出示功图。目前国内的科研院所已经能够利用所测得的电参数，开展相关科学研究，如建立油井工况动态分析模型，排查电机输出轴扭矩和悬点载荷，结合示功图开展油井故障分析等。

机采井智能控制系统是油井采集数据、参数调节和控制的核心组成。在多电压等级控制方面，系统根据不同的电压等级建立分布式排列的电源柜，并配置独立的总配电柜、独立的控制开关，其中电潜柱塞泵和电潜螺杆泵都采用变频调节功能，柱塞泵的变频器同时具备变频和改变充磁两项功能。在采油智能控制环节，供电变压器的容量能够智能调节，在满足油井动液面平衡的前提下，根据用电波峰和波谷的周期变化规律采取错峰供电，智能调节电动机运转频率，实现变压器在“低电价多采，高电价少采”的经济化运行模式。在电潜柱塞泵上引入柔性技术控制泵的震颤，通过改变柱塞泵的运行频率和波形空置比例调整减少泵体额外振动。在电动机的上下静止点容易与壳体发生碰撞，进而损坏机械设备，通过系统智能设定电机动子的运行幅度，有效避免上下行静止点接触泵体，从而有效减少机械损伤性碰撞。同时，机采井中心控制系统除了具备现场/远程控制自由切换和现场手动控制三重功能，还必须加装电子预警系统，并与紧急自我保护装置联动，共同组成机采井智能控制体系。

2.2.3 自我保护系统

自我保护系统是采油井智能开采过程中针对电压电流的临时突发情况而采取的一种自我调节保护机制，其目的是通过自动切换动作频率，保护电动机变频器及相关装置。机采井智能开采的自我保护系统包括断路器、继电器和接触器等控制元件。当电源电压剧烈下降或发生瞬时停电事故时，总线的电压降低，此时电动机变频器降低输出频率，适当引导惯性能量回流母线电流，保持直流电压值始终高于欠电动作电压值，避免因为电压负荷变化造成非必要停机；当电机由于负荷较大或负载突变等原因将要导致临时停车或短时再生性制动情况下，此时母线电压过大，需要启动自我保护机制降低输出频率，延长减速时间，降低制动轴的力矩，从而逐渐控制母线的电压值稳定。

2.2.4 自动报警系统

自动报警装置是为了应对采油过程突发情况建立的一种实时动态监控油井状态变化的监视报警系统。通常针对油井设备不同，发生事故的严重程度不同，建立不同等级、不同相应程度的预警报警制度，从而为采油设备进行自动化保护提供信息支持。采油井智能控制报警系统的突发情况包括，采油参数模拟运算错误、基础物理参数报错、时效泵参数不在设定区间、采油装置发生断裂漏失情况、电动机频率过载、通讯变频等电气设备故障等。

工况实时预警技术包括工况实时数据筛查、工况问题算法研究和工况问题评价方法。机采井电动机优选工况如下：电流0～150A，载荷0～140kN，冲程与冲程孔径误差不超过50%，冲程非技术性波动范围不超过30%。工况数据的筛查应该遵循的原则，实测电流和载荷值等单个参数应该在优化工艺范围内波动，示功图等多个数据值应该选择中位数的上载荷对应的示功图数据，并将相关数据及时导入单位数据库作为工况分析决策的参考。

3 国外智能采油发展趋势

3.1 国外智能采油技术

当前国外代表性的智能采油技术有三种，分别是WTF公司光纤传感液压采油技术、Baker公司的InCharge全电子化智能采油技术和InForceTM井下永久性参数测量液压采油技术。WTF公司将光纤技术引入地下检测系统用作井下传感器，将液压控制套件、液压调配装置、配套公共设备作为流体控制方案，整体上具备数据传输速度快、流量安全可靠、现场维护方便等优点。Baker公司的InCharge系统简化了动力系统的液压元件，将电力系统与控制阀及调节阀智能化关联，并且用单线串联封隔器与井口组件，能够实现单一控制线同时对一口井内的12个参数的检测和调控。Baker公司的InForceTM系统将隔离器、遥控液压管件与永久性检测仪表互联互通，其中多引线隔离器能对多个管件进行精准定位调节，SCADA控制器能够实现三层控制，即一根辅助控制线加两根液压平衡相关的控制管线，可以实现井下测量仪表与各种阀门及传动装置的自动或手动切换，保证井下测量温度、压力等数据的准确性和时效性。

3.2 国外采油智能控制系统

国外成熟的机采井智能控制系统，通常将物联网技术与现场智能传感装置、本地控制器以及远程控制终端衔接，同时具备智能诊断、方案优化、远程控制三大优点。最典型的应用是Schlumberger公司的Lift IQ人工举升检测系统和GE公司的FieldVantage远程检测系统。Schlumberger公司的Lift IQ人工举升检测系统采用DesignPro软件和Pipesim模拟器优化采油设备稳定程序ESP的用电量，降低了开采成本，提高了采油设备的举升效率。GE公司的FieldVantage远程检测系统集成了传感器、控制器、通讯模块、模拟软件、终端显示等元件，同时具备本地闭环控制和远程实时监控的功能，又可兼容抽油机、电动机、螺杆泵等大多数举升装置，具有平台化诊断、模拟优化计算、通用性广等优点。

3.3 其他人工智能技术的应用

云计算技术在智能采油领域的应用。云计算技术作为一种共享计算设备、通用应用程序、拓展储存容量等的计算模式，具有设备投资少、运算效率高、方便快捷、可操作性强等优点。德国西门子公司开发出A14ESP预测性维护方案，将人工智能技术与采油设备远程监控融合，提高了ESP设备的稳定性，同时AI技术与供液物联网结合在采油工况分析中具有异常检测、动作标记和预期维护等优势。

数字孪生技术在智能采油技术领域的应用。数字孪生技术是将大量的生产数据、传感器数据依靠数字化软件搭建虚拟的工业化运行模型，并对真实生产工况进行方案性指导。数字孪生技术具有可视化、虚拟化模拟、全流程全周期检测和应用等特点。目前，美国通用公司基于数字孪生技术的Preix工作平台在航空发动机领域开始应用，OspreyData Vision工作平台能够应用数字孪生技术进行机械学习并开展早期ESP和电潜泵优化分析实践，从而实现了实时检测泵的工况状态、实时诊断分析矫正泵在合理范围内运行。

4 智能采油技术的发展趋势

4.1 平台井智能群系统

随着经济社会的发展，我国的石油开采已经普遍推广并应用了机械化、自动化运行的生产模式，随之而来机采井的数量出现了大幅增长。随着石油开采井的增多，开采用管杆磨损严重，设备集成化程度不高，存在设备不兼容、重复投资等现象。因此，在有条件石油开采区引进消化吸收智能化、集约化、平台化的新型开采平台显得尤为必要。同时，企业内部要整合资源，大力发展采油平台集中监测、智能调峰、优化设计等调控技术，从而不断适应油田智能化和集成化的发展要求，不断提高生产运行效率和企业管理水平。

4.2 基于边缘计算机的智能化闭环调控系统

边缘计算是指在生产数据源头的网络边缘位置，打造数据检测、分析、运算及存储为一体的分布式管理平台，实现生产边缘数据的实时分析和智能化处理的智能运算技术。基于边缘计算的机采技术本质上是一种本地闭环数据检测分析处理技术，由于无需经过通讯系统和中心处理器远程调控，具有低投资、快应答的特点，特别适合现场人员对设备进行精细化调节的要求。未来机采井智能化闭环调控系统将会减少人工调控，更多依靠油井自我感知、自我监控、自我调控，实现无人值守、无人采样的智能化、数字化开采的发展模式。

4.3 物联网加大数据集成技术

目前国内的数字化石油开采工作还处于起步阶段，长庆油田、胜利油田等虽然建成了机采井融合物联网运行的试验采油平台，但是在实际运行中还是存在智能集成化程度不高、监测数据精度有待改善等问题。未来，有必要借助人工智能、物联网等新技术，建立针对石油机采井平台的物联网大数据整合平台。

5 结束语

为了应对石油开采中含水量逐渐增多的情况，国内许多油田逐步采用机采井采油，对其工况、设备、维修的工作势必提出更加严苛的要求，如何保障机采井平稳高效地采油愈发成为制约石油行业健康发展的突出问题。借助数字化、人工智能的发展，在石油开采行业大力推进智能化改造项目，实现机采井大平台、大数据运作，共同推动企业提质增效。

积极对接国外机采井智能开采平台，引进国外先进的OspreyData Vision、Lift IQ检测系统、A14ESP预测维护系统等石油开采技术，提升我国石油化学工业机械装备水平；鼓励相关院校、高新技术企业加大相关技术的研发，在国内机采井的基础上大力开展数据集成分布和智能化改造项目，从整体上逐步提高我国机采井的数据智能化水平，实现石油开采井的平稳高效运行。