油井直流母线群控节电技术研究

秦延才 刘鹏 赵闯 赵永杰 张翼（胜利油田河口采油厂）

前言

随着油田开采难度的增大及信息技术的发展，实时采集油井参数显得越来越重要。油井电参数具有测取方便，维护成本低，分辨率高，信息反应全面，能够长期连续测量等优点。随着“四化”建设的进行，电参数的实时采集已在油田普遍推广。基于直流母线的油井集控技术将同一采油区块的多口油井视为一个整体，共用1台变压器和1台整流滤波器，集中整流后以1条共用直流母线的形式输送到单井，每口单井配备专用的“直-交”逆变器，并联挂接在母线上完成电动机拖动。该技术改变了传统配电采用“一井一变”模式，具有减容、降耗，便于调频，提升综合治理水平等优点。

以直流母线群控技术与电参数精确分析技术为支撑，建立井群优化管控平台，实现对电参数的解释和深度挖掘，生成压力、液量、动液面等生产参数，完成油井的工况管理及系统优化。通过对能量、液量等的分析，形成井群决策信息。井群优化管控平台利用直流母线群控技术，实时控制油井参数，达到提高井群开发效益的目的。

1 油井直流母线群控节电技术原理

1.1 电参数

电动机通过机械传动装置将能量传递给井下泵，因此电参数包含了抽油机、抽油杆、抽油泵等地面和井下的信息。通过解释及深度发掘，可以计算出油井的关键参数[1]。通过电参数解释可以得到电功图，电功图是电动机的电功率在抽油机一个冲速周期内随光杆位移的变化趋势，进一步深度挖掘可以取得油井的示功图、动液面、产液量、平衡度、平衡调整等参数[2]。

1）电功图与示功图互相转换。抽油机悬点载荷同曲柄旋转轴扭矩之间存在着对应的关系，就比如游梁式抽油机，悬点载荷同曲柄旋转轴扭矩之间、电动机功率和曲柄轴转矩之间均存在对应关系，因此抽油机功率与载荷之间存在一一对应的关系，根据这个理论，通过建立计算模型，实现了电功图与示功图互相转换[3]。

2）基于电功图的动液面计算。通过分析抽油机工作过程中，阀开、闭前后泵腔内的压力及泵载的变化规律，并应用井筒及环空压力分布计算模型，建立利用泵功图计算动液面的数学模型和方法。将电功图转化为示功图，进行归一化处理，沿柱塞冲程展开，可求得两者之间的载荷差。在泵功图高、低载荷段各求出2个曲率变化最大点来确定阀开闭点，从而确定上下冲程载荷差。根据泵功图上下冲程载荷差计算得到沉没压力。根据沉没压力，结合井筒及环空流体压力分布计算相关式，计算泵的沉没度及动液面深度。

3）基于电功图的产液量计算。示功图是一条反映抽油机在上下冲程中悬点载荷与位移关系的封闭曲线，它真实反映了泵的工作状态，只要能解析好功图，就能准确地求出油井的产液量。油井群控技术综合考虑井身结构和流体黏度、泵阀漏失、泵充满程度、油井含气、冲程损失等因素的影响，真实地描述出泵的工作状态，从而准确地计算出油井的产液量。

将电功图转化为示功图，进行归一化处理，沿柱塞冲程展开，根据“取小”原则确定柱塞有效冲程。由油井的实际产液量计算公式，求取油井产液量。

4）做功法平衡诊断及调整。现场测得的电参数是P-S关系（功率-位移），通过建立将P-S关系转化为P-t关系需要建立S-t（位移-时间）关系模型，对各种抽油机型的运动进行分析，实现了由电功图计算抽油机平衡度的方法[4]。并进行相应的平衡优化，平衡优化后运行电流、功率均降低，平衡的改善明显（表1）。

表1 做功法调整平衡度实例效果分析

1.2 单井工况诊断及系统效率优化技术

以“动液面”、“示功图”、平衡供排关系为目标，以调整抽油井生产参数（冲程、冲速、换泵等）为手段，进行单井工况诊断及系统效率优化，根据智能化闭环管理，对电参数进行解释及深度挖掘，获取最优生产参数通过在线变频调冲速等生产参数，实现产液量最大化。

1）单井工况诊断—单一功图法。单一功图法就是依据某一时刻测得的电信号，自动生成的示功图、动液面、产液量等参数进行综合诊断，系统自动诊断问题范围，自动推荐对策系列[5]。以供液不足的功图为例，其问题范围主要有地层能量不足、生产参数过大、地层污染、出砂等，通过单一功图法分析，给出相应的增加注水、调参、解堵、防砂等调整对策。

2）单井工况诊断—三维功图法。三维功图法就是根据一段时间连续测取的电信号，自动生成不同时间的示功图、动液面、产液量等参数，根据示功图最大载荷、最小载荷、上冲程线、下冲程线、功图面积等5个要素及其他的生产参数随时间的变化情况，进行综合诊断，从而判断地面、油井、油藏等存在的问题（表2）。

3）系统效率最优化。对于给定的1口油井，在不同的情况下，系统效率最大值是多少，怎样进行优化挖潜，一直困扰着技术人员。智能化闭环管理运用采油工程原理，编制了系统效率优化软件，通过不同的约束条件，及流入动态计算模型、井筒多相流动规律、温度场计算模型、流体物性参数计算模型、抽油杆柱设计强度理论等模型，获得相对应的最优系统效率，为优化调整、优化设计提供参考[6]。

1.3 井群优化调控技术

整体吨液电耗最低、最大化生产时率，以整体经济效益最佳为目标的井群控制策略。在某一个时间步长内，假设生产主要参数没有发生变化，由此生成了静态预测线；由电参数获得的动液面、产液量以及数据库的含水可以获得相对应的动态评估线，生成井群优化调控图版，并以此为手段，不断进行对井群进行优化调控（表3）。整个控制过程按照静态预测—动态评估—小步预警—保持高效的闭环管理方法进行。

表2 三维功图法工作示例

表3 动态预测方法

1.3.1 能量分析—注采调控

图1为动态预测—能量分析图版，从图版中可以看出地层能量下降、液量减少、油量减少。可以判断该区块地层能量得不到有效的补充，地层能量下降，液量、油量减少。需要及时补充地层能量，提高区块注水量。

图1 动态预测—能量分析图版

1.3.2 液量分析—生产参数调控

图2为动态预测—液量分析图版，从图版中可以看出该区块地层能量上升、液量上升、油量上升。可以判断在配注增加后，动液面上升，井群液量、油量上升，需要及时对潜力油井上调参数，提高产量。

图2 动态预测—液量分析图版

1.3.3 油量分析—流线调控

图3为动态预测—油量分析图版，从图版中可以看出该区块地层能量上升/稳定、液量上升/稳定、油量减少。可以判断参数上调后，出现液量上升、油量下降微水窜现象，继而对井组进行流线调整，调节对应水井的注水量、下调含水上升井生产参数、上调含水下降井生产参数，对生产参数进一步优化。

需要注意的是动态调整是一个连续的、逐渐完善、逐步优化的过程，不能孤立的看一个阶段就得出结论，需要结合前期的生产变化，及地面、井筒、底下的情况进行综合调整。

图3 动态预测—油量分析图版

2 油井群控节电技术应用效果评价

2.1 井群优化调控效果

以渤南油田十区罗36块为例，该区块为稠油中低渗油藏，共有油井7口、水井4口。通过应用直流母线油井群控节电技术，对该区块油井进行单井工况分析，调整生产参数、调整平衡度，对区块进行能量调整、参数优化、流线调整后，区块生产趋于稳定，液量、油量有了明显的提升。

为验证该技术应用效果，对罗36块改造前后进行了多次测试，测试油井工频、变频侧电参数、油井液量、动液面、回套压，以及试验井区内指定注水井的注水能量等参数，在此基础上分析智能化闭环管理应用前后的节能及增产效果。

通过测试应用该技术后，机采系统的输入功率降低，区块总输入功率随之降低；优化了抽汲参数，整个区块的总液量增加，单耗降低15%（表4）。

表4 能效测试结果

2.2 经济效益

建立了管控平台，容纳控制单元数大于或等于100个，控制单井数大于或等于500口；单井智能化控制合理沉没度±100 m；井群综合节电率大于或等于12%；目前该技术已在胜利油田推广应用控制单元数28个，控制单井数126口。

实现变压器减容62.3%，综合节电率15%，年节电282×104kWh，节能效果显著；变压器数量减少应用77台，年检泵及作业次数减少21井次，降低投资成本；累计增产原油4600 t，取得了显著的经济效益和社会效益。

井群在供排协调状态下，实现效益最大化，减轻工人劳动强度，降低了能耗，提高生产效率和管理水平。尤其适合“深层低渗，变参数生产”的单井和井群。

3 结论

油井直流母线群控节电技术已在胜利油田多个采油厂推广应用，效果显著，具有较高的经济和社会效益。通过对电参数的解释和深度挖掘，生成压力、液量、动液面等生产参数，利用采油工程原理进行分析，完成油井的工况管理及系统优化。通过对能量、液量等的分析，形成井群决策信息。开发软件平台，利用直流母线群控技术，实时控制油井参数，达到提高井群开发效益的目的。随着油田数字化建设的深入开展，该技术可以实现当前平台的方便嵌入，具有全局性的推广意义，应用前景广泛。

参考文献：

[1]陈德春，吕飞，姚亚，等.基于电功图的皮带式抽油机井工况诊断新模型[J].大庆石油地质与开发，2017（5）：119-123.

[2]吴飞鹏，陈德春，蒲春生，等.抽油机井示功图量化分析与应用[J].广西大学学报：自然科学版，2008，33（2）：173-175.

[3]贾德利，刘合，裴晓含，等.游梁式抽油机井井下泵功图测试方法[J].石油勘探与开发，2015（1）：111-116.

[4]孙东.抽油机电参数远程智能故障诊断技术研究[J].自动化仪表，2012（5）：22-24.

[5]陈德春，肖良飞，张瑞超，等.基于电功图的抽油机井工况诊断模型[J].中国石油大学学报（自然科学版），2017（2）：108-115.

[6]冯国强，谢雄，韩岐清，等.抽油机井系统动态实时分析模型[J].中国石油大学学报（自然科学版），2010，33（2）：84-88.