稠油井跟踪控制技术研究与应用

李兵元 吴斌 李恺 王军平 胡海平

[摘    要] 稠油井普遍采用热采开发方式，油井井况直接受温度影响，油井多出现汽窜、抽油机光杆不同步等故障。稠油井跟踪控制技术以油井最易获取的温度和电参数数据为控制依据，实现随油井温度和电参数变化改变油井生产制度，有效减少油井电机过载、油井高温汽窜故障，提高油井整体管理效率。

[关键词] 稠油井跟踪控制;上行程功率;多速电机;油井温度;抽汲速度

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 05. 030

[中图分类号] F273    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2019）05- 0075- 04

1      概    述

新疆油田稠油油藏具有埋藏浅、地层温度低、原油黏度大的特点，主要采用蒸汽吞吐方式开发，抽油机大部分采用三型和四型抽油机。在吞吐周期生产中油井温度会不断降低导致黏度上升，造成井内原油液流流速变慢、进泵阻力大、入泵困难、抽油泵充满系数降低，影响油井抽油时率和周期产油量。当前生产中油井主要问题有以下几方面：

（1）油井在吞吐生产周期内油井工况变化快且幅度大，当前油井数据获取和抽油机冲次调整主要依靠现场人工巡井操作方式完成，严重滞后油井工况变化，导致抽油机冲次不能及时调整，抽油机适应不了井况的变化，整体抽油机机采效率偏低，产量低且电能浪费大。

（2）稠油井单井产量较低，主要依靠加密打井和新区块开发方式维持和提高产能，油井数量越来越多，而现场管理人员数量不变，甚至呈现减少趋势。

实现稠油井的跟踪控制是符合当前稠油井生产的迫切需求。

2      当前技术现状

数字化抽油机技术[1]近十年以来发展迅速，传感器技术水平日趋成熟，且成本也降低很多，无线仪表数据网络传输多采用成熟的Zigbee通讯技术[2]，其具有低功耗、稳定性好等特点。油井控制技术普遍采用以载荷功图为依据控制方式，自动判断油井抽油机的最佳运行冲次，再通过变频驱动方式实现油井冲次自动调节[3]。而当前油井控制技术几乎都是针对稀油井的井况判断和调参，稠油井因其产量低、生产成本高的特点，稀油井的控制系统在稠油井上应用不具备经济性，且适应性差，因此当前稠油井油井生产控制基本全靠人工粗放式管理。

3      新的控制理念

稠油井的自身特点和开发方式决定它和稀油井的不同。蒸汽吞吐开发方式[4]的特点是前期注完蒸汽后开井时，油井温度高，产量高;随时间推移，油井温度逐渐降低，原油黏度随之增加变化，到中后期原油流动性变差，油管内杆柱运行阻力大，油井抽油机光杆很容易出现和抽油机驴头上下不同步的状况。

如图1新疆油田某稠油区块部分油井原油粘温变化曲线，针对稠油井油井温度对原油黏度起决定性影响，并结合当前稠油井普遍使用的多速电机，我们建立了以温度为主的稠油井跟踪控制方案，实现稠油井速度随温度变化进行调参控制，系统结构如图2所示。

稠油井跟踪控制系统以温度作为稠油井控制依据，对比当前温度值与温度设定值，控制方式如下，如图3为系统工艺流程图。

如果 T

同时持续时间超过t>60秒，系统控制抽油机到低速运行;

如果  T1< T< T2（T2为设定温度2），

同时持续时间超过 t>60秒，系统控制抽油机到中速运行;

如果 T2

同时持续时间超过 t>60秒，系统控制抽油机到高速运行;

如果  T>T停，

同时持续时间超过t>60秒，系统控制抽油机到停机;

该系统在现场通过运行后，取得了良好的运行效果，但发现有以下几个问题：

（1）稠油井在吞吐开采中后期温度降低以后，不一定会出现油稠难抽的井况，反而许多油井采出液高含水，需要抽油机快速抽汲。

（2）稠油井之间井距离小，注汽井经常会影响到周边生产井，出现油井高温汽窜问题，抽油机抽汲速度快，反而会加速汽窜。

4      方案优化

针对稠油井跟踪控制系统出现的问题，通过对稠油井抽油机电参数数据和油井载荷数据的分析，抽油机四连杆机构各部位消耗功率研究，实现通过电参数对油井载荷变化趋势判断，弥补单一靠温度判断的缺陷。

4.1   抽油机光杆悬点载荷分析

抽油机悬点载荷包括：静载荷——抽油杆柱和液柱载荷、泵的沉没压力、井口油压;动载荷——抽油杆柱和液柱的惯性载荷、振动和冲击载荷、摩擦载荷等。

（1）抽油杆柱载荷

（3）上行程最大载荷

油井上行程载荷直接关系到油井原油黏度变化，当上行程载荷超过正常生产载荷一定幅度时，说明原油黏度已经有了变化。忽略沉没压力、井口压力、摩擦载荷和冲击振动载荷。上冲程悬点所受的力主要有：

4.2   通过电机功率变化判断油井载荷变化趋势

抽油机是靠电机来驱动抽油机整个四连杆机构运行，电机输出功率P最终转化为曲柄扭矩M，电机功率与曲柄轴扭矩关系为：

抽油机悬点载荷和平衡机构造成的扭矩与电动机输入给曲柄轴的扭矩M相平衡，因此我们可以通过功率P来判断载荷变化的趋势。

对比油井載荷曲线与电机电功图曲线可以看到，在抽油机上冲程起始位置载荷突然升高至最大值，功率此时变化是逐步增加到最大点，如图4中1和2位置。

因此从单独一个点的位置上的功率去判断载荷的变化，可靠性低。

原油黏度增加会导致整个上冲程过程光杆载荷大，消耗的电功率也大，因此我们采用上冲程电功图曲线的功率平均值来判断载荷变化对应关系。

通过油井井口温度T和上冲程消耗功率平均值的变化幅度N来综合判断，当温度T达到设定值，同时功率累加值变化幅度N 满足条件时，切换抽油机至低一档速运行;同时针对油井温高情况，当油井温度超过设定值时，降低电机速度，减少抽油机抽汲速度，减缓或避免汽窜事故发生。

5      现场应用效果

2018年，在新疆油田重油公司采油作业二区进行了多口油井的应用，通过该技术的应用，与使用前对比：

（1）稠油井抽油机管理难度明显降低，现场人员不用耗费大量精力去盯着注汽井周边的生产井，稠油井跟踪控制系统跟踪油井温度变化控制抽油机运行速度，现场没有出现因为温高井导致油井盘根密封故障，井口漏油事故消失，生产井正常持续不断生产。案例1：980206井，当井口温度持续高于设定值时，系统自动切换到中速运行，油井温度缓慢降低，有效避免了高温汽窜事故发生，且油井持续正常生产，如图5所示。

（2）通过跟踪温度T变化和上冲程功率平均值的变化幅度N，油井在低温时根据N的变化幅度，自动切换到低一档速度，有效保证了抽油机平稳运行，减少电机过载故障发生。案例2：980210井，采用三型抽油机，电机额定功率5.5kw，当井口温度偏低（39℃ ，该区块原油温度低于46℃时，原油黏度会有较明显增加），N变化幅度达到设定值时，系统控制抽油机自动降低冲次运行，减少电机过载、抽油杆运行与抽油机驴头不同步的情况发生。

从图6中可以看到调参后，上行程功率明显降低，最大功率从6kw降到3.3kw;抽油机的平衡状态得到很好改善。图7为其数据查询结果图。

6      结    论

稠油井跟踪控制技术紧密结合当前稠油井现状，以解决生产实际需求为出发点，以最易获取的电机电参数和油井温度为调参依据，通过现场实施应用，能够根据现场温度变化自动控制稠油井抽油机速度，有效减少油井温高导致的故障停产，减少电机过载保护故障，延长油井生产时间，大幅度降低现场人员管理强度。且该技术实施成本低、调参及时可靠，符合当前稠油井生产开发需要。在该技术后期应用中，我们还将持续不断跟进应用中出现的问题，不断优化参数识别方案，使该技术具备更好的现场适应性。

主要参考文献

[1]金鐘辉，鼓勇，费凡，等.数字化抽油机技术现状和发展趋势[J].石油机械，2014（12）：65-68.

[2]郑辉.基于ZigBee技术的自动化仪表在油田中的应用[J].化工自动化及仪表，2018，45（5）：360-363.

[3]郑飞，张会森，闫苏斌，等.抽油机数字化控制技术[J].天然气与石油，2012，30（6）：67-69.

[4]牟连刚，秦贵宾，张志明，等.热采开发技术在稠油油藏中的应用[J].化学工程与装备，2018（6）：35-36.