不停井间抽技术在葡萄花油田的应用与认识

娄治生 李长生（大庆油田有限责任公司第七采油厂）

前言

葡萄花油田部分区块的注采出现失衡，呈现出“注少采多”的局面。采出端机采参数已降至最低，机采井的动液面仍不能有效恢复，部分机采井的沉没度一度达到了50 m水平，甚至更低，液面抽空导致烧泵危险急剧增加。因此，油田及时采取了间抽措施。全厂间抽总井数达到1050口，约占总开井数的25%。

技术人员结合地层性质、基础数据，综合分析动液面恢复资料，以“动液面合理，产量最优”为原则[1]，为不同单井制定了间抽制度，并下发基层队执行。基层队在执行过程中普遍反映，由于单井每日需启、停各1次，且不同井的启、停时间不一，工作量较大，工人劳动强度高，且执行过程中影响因素过多，总体效果不尽理想。为此，开展间抽井自动启停技术研究，最终优选了不停井间抽技术在葡萄花油田进行试验并进行规模推广。

1 技术方案设计与技术原理

1.1 方案设计

为防止不停井间抽技术出现功能缺陷，对用户以及矿场实际进行了充分的调研，同时充分考虑多种影响因素，以“满足功能、效果最优”作为基本原则，在电子设备选择、通讯兼容情况等方面严把质量关，并经多次室内实验，确保设计无缺陷。设计方案见图1。

图1 方案设计

1.2 设备组成

图2 工作原理

该技术以抽油机现有变频控制箱为基础，在其上加装通讯模块和间抽控制装置，并在抽油机减速箱外部安装感知曲柄位置的传感器。间抽控制装置与变频器之间通过通讯模块实现通讯，进而实现抽油机的连续运行与非连续运行之间的自由切换，在传感器的配合下完成间歇状态时的摇摆控制[2]。

1.3 基本原理

间抽控制装置通过微控制器将控制指令通过RS485通讯模块传送给变频器的DSP主控芯片，变频器按照控制指令进行整周期正常运行，同时将运行状态反馈给间抽控制器，当整周期运行时间达到设定的时间时，间抽控制器向变频器发送一个摆动运行指令，变频器接收到指令后，抽油机曲柄运行到位置传感器附近时，运行方式转换为摆动运行，并将当前摆动频率和摆动角度等信息回馈给间抽控制器，当正向摆动角度到达所设定的角度时，间抽控制器发出反转指令，变频器通过主控芯片处理控制逆变模块的工作状态，从而驱动电动机反转，当反转到达所设定的角度时，辅助控制器发出正转指令，变频器驱动电动机正转，直到摆动时间到达设定时间后重新切换到整周期正常运行，使抽油机井处在整周期正常运行和曲柄小幅度摆动运行的一个周期性的运行方式下，实现间抽井不停井连续运行（图2）。

2 现场应用

2.1 系统的准确性

对电动机是否按照系统设计的停、启时刻进行停止和启动即系统的准确性进行验证。现场采取技术人员小规模盯井与基层员工大规模跟踪两种方式进行验证。

1）技术人员以随机抽样的方式选取停井时间较短（一般为2～4 h）的不同单位的井共10口，累计派出5组技术人员进行现场盯井，填写盯井情况表，分析验证系统的准确性。数据跟踪结果见表1。

2）技术单位制定大规模跟踪方案，一线基层队落实执行。分别在3月、7月和12月，每个月由各基层队随机选取3天，对本基层队的不停井间抽技术的准确性进行跟踪，并按要求填写跟踪表。技术单位对全厂1050口井的跟踪数据进行汇总，选取10口具有代表性的井进行列举，进而分析验证系统的准确性。数据跟踪结果见表2。

两种方案的数据跟踪结果表明，不停井间抽技术能够按照设计的停止和启动时间进行电动机的停止和启动，且在生产井停止生产期间，未发现无故启动的井（部分停井时间较长井未全程盯井），系统的准确性较好[3]。

2.2 系统的稳定性

间抽控制装置是不停井间抽技术的核心部件，室内实验对其温度、湿度、电压等情况进行了测试，结果见表3。

表1 方案一现场跟踪情况

表2 方案二现场跟踪情况

表3 间抽控制装置适应参数

与有关部门结合，对葡萄花油田2017年度的温度、湿度及电网电压变化范围进行收集与整理，数据显示，该技术的核心部件完全可以适应葡萄花油田的矿场实际，稳定性较好。同时，对大庆地区50年来的空气温度及湿度情况进行了搜集，确定了其极值情况，数据显示其变化范围处于室内实验数据的区间内，预计在今后的使用过程中设备不会出现问题。

如何使用工具对非常规油气藏水平井减摩降扭……………………………………………………………………陈 帅（2.21）

2.3 安全作用

不停井间抽技术的间抽控制功能有摇摆模式和不摇摆模式。摇摆模式即机采井处于间歇状态时，电动机不停机，而是小角度的往复运动，体现为抽油机曲柄的扇形往复式摆动和抽油光杆的上下往复短位移运动；不摇摆模式即机采井处于间歇状态时，电动机停止运动，抽油机、光杆等完全处于静止状态。葡萄花油田在用的控制功能为摇摆模式。

不摇摆模式存在的安全隐患主要体现为：停井时，一线员工可能会误以为机采井故障停井，在无人为操作的情况下不能启动。如果此时进行抽油机的加盘根、擦拭光杆或者上机保养等操作而抽油机间歇时间已到突然启动将会发生较大的危险，非常容易造成人员伤害事故；摇摆模式将提示到矿场进行有关操作的工人，该井的电动机仍在工作，抽油机仍在运动，需要注意安全。从上述分析可以明确，在消除安全隐患上，摇摆模式的控制功能更适合矿场实际。

2.4 设备的能耗分析与测试

在间歇状态时，电动机的扇形摆角越小其耗电量越低。为达到该要求，需要抽油机曲柄摆角尽量小，进而要求光杆的位移尽量小。设计以“光杆位移小于机采井全井抽油杆伸长量”为原则，确定光杆位移量，从而满足间歇状态时电动机耗电量最低的要求。

2.4.1 抽油机井杆柱弹性形变量优化设计

合理优化曲柄摆动运行时的光杆位移量是有效控制摆动运行能耗的关键问题。通过图3分析可知，在抽油机井驴头下死点和上死点刚刚受力时，杆、管发生弹性变形，这时活塞并没有跟着光杆发生位移，这段变形量称为冲程损失λ[4]，其中包括杆损和管损。抽油机井曲柄摆动运行时，假如光杆运行的位移量在杆损的范围内，此时既保证了抽油机井杆柱有效位移量，又可实现抽油泵活塞不移动，电动机消耗功率最小，所以抽油机井曲柄摆动运行时的位移量应小于或等于杆损。

图3 抽油机井理论示功图

抽油杆弹性形变所引起的杆损可由下式表示：

式中：λ1——杆损，m；

ρm——采出液密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

Ap——泵柱塞横截面积，m2；

Lf——折算动液面深度，m；

Er——抽油杆弹性模量，N/m2；

Lri——各级抽油杆的长度，m；

Ari——各级抽油杆横截面积，m2；

nr——抽油杆级数。

以29#井为例，该井所属区块的原油密度[5]为849.7 kg/m3，该井抽油泵泵径为38 mm，动液面为999.4 m，碳钢弹性模量为2.0×105～2.1×105MPa，ϕ28光杆长9.2 m，ϕ22抽油杆总长231.3 m，ϕ19抽油杆总长906.7 m。

将抽油机井各项数据代入上式，得出抽油杆弹性形变所引起的杆损为0.172 m。抽油机井摆动运行时，将光杆直线位移距离设计为小于或等于0.172 m，这时抽油泵活塞并未移动，光杆及杆柱实现了有效的位移量，电动机所做的功也较小，同时节能效果也较好。

光杆伸长量的值确定后，即可确定抽油机曲柄的摆动角度，利用位置传感器即可实现其功能。

2.4.2 能耗测试

分别对机采井的间歇摇摆时与整周运行时的功率进行测试，评价能耗情况。

以33#井为例，该井的工作制度为：9：00—12：00为间歇时段，12：00—次日9：00为整周期运行时段。分别选取不同状态下的稳定状态时的时间段进行能耗测试，时间段分别选在10：30—10：40和16：20—16：30。测试结果见表4。

表4 33#井能耗数据对比

数据显示，该井主要生产参数基本不变的前提下，间歇摇摆状态下的能耗仅为整周期运行状态下的约1/5，其节电率达到了80%以上。对全厂1050口井的数据进行整理与统计。平均单井日间歇时间约为8 h，应用不停井间抽技术后，全厂日节电量达到2.49×104kWh，全年节电达897.3×104kWh。

3 结论

1）不停井间抽技术具备较好的准确性、稳定性，能够满足葡萄花油田的矿场实际。

2）不停井间抽技术采取摇摆模式运行，能够较好的消除安全隐患。

3）摇摆模式运行时较正周期生产时耗电低，对比节电率达到80%以上，具备良好的节电效果。

4）不停井间抽设备适用温度、湿度及电压波动范围较广，但高海拔（大于1000 m）地区未进行试验，其对海拔的适应性须进行验证。

参考文献：

[1]姜燕，张嘉友，王朝辉，等.油井间抽技术研究与应用[J].内蒙古石油化工，2005（5）：172-173.

[2]李明，樊军，何英，等.抽油机智能间抽设备的研制[J].机械研究与应用，2006，19（2）：100-101.

[3]严庆雨，缪建成.间抽井间抽周期制定方法研究[J].小型油气藏，2014，9（2）：45-46.

[4]李颖川.采油工程[M].第二版.北京：石油工业出版社，2008：82-84.

[5]刘洪军，张柏，梁乃成.大庆长垣外围薄差储层石油开采工艺技术[M].北京：石油工业出版社，2011：4-5.