基于功图电参的抽油机井关键指标在线计算分析及应用

张 汇，马 丹，王 君，荣垂刚，席 岳，王晓波，魏 琪，冯 钢

（1.中国石油新疆油田分公司数据公司，新疆克拉玛依 834000；2.西安中控天地科技开发有限公司，陕西西安 710016；3.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249）

新疆油田机械采油井物联网数据种类繁多、规模巨大，采油区块点多、线长、面广，交通不便，传统抽油机井系统效率测试、能耗测试、平衡度测试具有周期长、影响因素多、人工测试瞬时值代表性不强等缺点，不利于及时发现和解决抽油机井在运行过程中出现的问题[1]。随着物联网技术的发展，目前可以实时高效地采集抽油机井的冲程、冲次、电流、电压、启停状态、功图、功率图等主要参数，得益于新疆油田良好的数字化、信息化、智能化系统建设基础，各个系统间数据链路能够打通，结合稳定的基础数据和实时采集数据，为抽油机井关键工艺指标在线计算分析及应用提供了数据支撑[2]。为了提高抽油机井系统效率及损耗监测分析的实时性，通过充分利用现场已装数字化设备的采集数据，同时结合功图计产结果[3-4]，需要研究基于功图电参的常规游梁式抽油机井关键指标在线计算分析技术，解决人工测试耗时耗力且瞬时值代表性不强的问题[5]，实现油井关键工艺指标的日常在线实时分析等功能，为油井合理制定工作制度和工艺优化方案提供了实时的数据支撑和技术依据，有利于提升整个油田油井综合采油工艺管理[6]。

1 采集数据治理分析

1.1 采集数据现状分析

基于新疆油田物联网数据采集技术，目前可以实时高效地采集抽油机井冲程、冲次、电流、电压、启停状态、功图、最小有功功率、最大有功功率、三相电流、三相电压、功率图等主要参数。通过对新疆油田采油二厂5 478 032 条功图数据和3 640 689 条功率图数据进行分析，功图数据中有0.6%的冲程错误（超出抽油机额定冲程）和0.01%冲次错误数据（超出抽油机额定冲次），无法应用于下一步工况诊断和指标计算分析；功率图数据有1 220 192 条错误数据（最大有功功率超出电机额定功率），无法应用于下一步电参相关指标计算分析；这一部分数据，在系统应用分析前需进行预处理，建立错误数据判识流程和治理分析方法，对错误数据进行治理后，提交正确数据进行下一步分析和应用，见表1。

表1 采集功图、功率图数据分析

1.2 采集数据错误类型分析

通过解析采集200 点位的位移&载荷功图包，错误功图主要体现在功图形状并非一个闭合曲线，且有位移反转等，另外需要结合采集的最大载荷、最小载荷、冲程、冲次等数据来判识；通过解析采集200 点位的位移&功率图包，难以从图形特征分析功率图错误，需对最大有功功率进行判识，结合计算得出的平均有功功率进行二次错误判识；采集数据主要存在的错误类型见图1。

图1 地面功图和功率图采集错误案例

地面功图相关采集错误数据一般有采集功图数据的最大载荷超过抽油机悬点额定载荷、冲程小于抽油机额定最小冲程或超过抽油机额定最大冲程、冲次小于抽油机额定最小冲次或超过抽油机额定最大冲次、功图数据的最小位移不是从零开始等，见表2。

表2 地面功图相关采集错误数据

功率图相关采集错误数据一般有采集功率图数据的最大有功功率超过电机额定功率、采集电流和电压极小或为0，见表3。

表3 功率图相关采集错误数据

1.3 采集数据治理分析

对关键指标计算分析前，由于功率图数据包字符串数据较长，不能达到50 ms 分析上万条采集数据的应用需要，本文以“最大有功功率”进行预处理，建立如下的错误数据判识流程和治理分析方法，对错误数据快速过滤后，提交正确数据进行下一步分析计算和应用（图2）。

图2 采集功率图相关数据的处理流程

2 关键指标在线计算

近年来，随着数字油田快速发展，越来越多人将重心转移到大量油田数据中，希望通过对抽油机井生产数据发掘，快速有效地对机采井进行管理[6]。学者们研究揭示了抽油机井关键指标与油井生产参数之间的关系，油田管理者也需要对不同采油单位和区块应用成熟技术加强井筒综合治理，提升井筒管理和机械采油水平，实现对抽油机井关键指标不断优化运行[7]。

2.1 泵效计算

抽油机井举升核心部件是抽油泵，抽油泵是否正常工作以及泵效的高低直接关系到采油效率高低[8]。抽油泵在井下工作环境复杂，受各种因素影响较多，导致抽油泵出现泵效降低问题，从而直接影响油井产量，降低采油效率。泵效指抽油泵实际日产液量与理论日产液量之比，其计算公式见式（1）。

式中：ηd-单井泵效，%；Qs-日产液量（通过功图计产得到），m3；QL-抽油泵理论排量，m3/d。

式中：S-光杆冲程（采集数据），m；n-冲次（采集数据），min-1；D-泵径（通过A2 系统每日定时服务自动获取），mm；t-生产时间（通过功图采集数据得到油井每日生产时间），h。

2.2 系统效率

有杆泵抽油系统是将地面电能传给井下液体，把井下液体举升到井口，是能量不断地进行传递和转化的过程，能量每一次传递和转化都伴随一定损失，除去损失后的有效能量与系统输入能量的比值，称为抽油机井的系统效率[9]。抽油机井系统效率的高低反映出抽油机传动能量、电动机能量的消耗程度。

（1）机械采油系统效率：抽油机采油系统有效功率与有功功率的比值，有效功率是将井内液体举升到地面所需的功率，有功功率等于电动机的输入功率，根据采集数据计算得出。

式中：Q-产液量，m3/d；g-重力加速度；ρm-油井产出液体密度，kg/m3；H-单井实测动液面深度，m；Pc-井口油管压力，MPa；Pt-井口套管压力，MPa。

（2）抽油机井的系统效率分为地面效率和井下效率两部分，光杆悬绳器以上为地面效率，光杆悬绳器以下为井下效率，抽油机井的系统效率为：

抽油机井地面效率是指光杆功率与电动机输入功率的比值，主要损失为电动机功率损失和机械摩擦损失，反映有杆泵抽油系统地面设备运行状况，利用光杆功率和电动机输入功率计算地面效率：

抽油机井井下效率是指有杆泵抽油系统有效功率与光杆功率的比值，主要是机械损失、弹性变形损失和水力损失等，其大小反映有杆泵抽油系统井下设备运行状况：

光杆功率：通过四连杆机构传递作用于光杆的功率，用于提升液体和克服井下阻力，利用示功图面积进行折算：

式中：A-示功图面积，mm2；Sd-示功图减程比，m/mm；fd-示功图力比，N/mm；n-冲次，min-1。

2.3 能耗计算

在对抽油机井能耗进行评价后，为降低抽油机井的能耗，基于传统游梁式抽油机的不足，大力发展节能技术，一方面改进抽油机的结构，如安装双驴头抽油机、偏轮游梁抽油机、弯游梁抽油机等实现节能；另一方面则借助无功补偿电容技术和变频技术，提高节能水平。除了安装节能装置外，降低能耗的主要方法便是加强油井管理，通过日常指标在线监控及时发现问题，进行优化调整[10-11]。基于油井生产过程原理，建立油井日耗电量、吨液百米耗电量等能耗指标。

（1）日耗电量（kW·h）：

（2）吨液百米耗电量（kW·h）

2.4 平衡度计算

抽油机平衡度的好坏直接影响抽油机寿命和电动机耗电量，准确地测量出抽油机平衡度，及时调节抽油机的平衡对抽油机安全生产、节能降耗有重要意义。在尚未配备数字化时期，常用的抽油机测平衡方法是电流法，对于平衡度欠佳、倒发电严重的抽油机井，反向电流可能比正向电流还大，就会出现误判断[12]。

本文提出基于电参等采集数据的抽油机平衡度实时分析方法，通过对采集数据一次治理后，计算每一条采集功率图的上、下行程平均有功功率，对全天采集数据进行加权平均后分析功率平衡度，克服了电流法瞬时数据测量平衡度误差大的缺点，同时避免了工况变化时功率图不具有代表性的问题，能够实时准确监测抽油机的平衡状态，及时针对平衡欠佳井优化调整，实现油井节能降耗的目标。

平均功率平衡度：下行程平均有功功率与上行程平均有功功率的比值：

3 现场应用对比分析

通过对新疆油田采油二厂近1 200 余口游梁式抽油机井应用分析，依据抽油机井功图、电参等采集参数治理分析后，实现油井泵效、系统效率、能耗、平衡度等关键工艺指标的日常在线实时分析等功能，其部分抽油机井关键指标分析数据见表4。

表4 抽油机井关键指标分析数据

3.1 系统效率对比分析

通过与现场系统效率测试仪器结果对比，部分井因供液能力问题，采集地面示功图出现供液变化时，功率图和平均有功功率也随之变化，产生了较大差异，其余井系统效率差异在±3%以内。系统效率差异较大井均是因供液能力波动问题引起的，对于这类井通过大量采集数据进行在线分析后，得出全天加权平均系统效率值，避免了用供液能力较好或较差时的瞬时数据代表全天数据。

3.2 能耗对比分析

在现场安装了电参模块，可通过电表数据读取的抽油机井能耗数据进行对比分析，数据正确采集时，日耗电差值均小于1.00 kW·h。

3.3 平衡度对比分析

在新疆油田采油二厂多口油井进行试验，对同一区块15 口井采集得到平衡度计算分析数据，12 口井平衡状态为“平衡”，2 口油井“欠平衡”，1 口油井“过平衡”。三类平衡状态分别选取典型井示功图和功率曲线，见图3。其中：L31-19 井示功图工况为正常，平衡度为0.90；L27-28 井供液略显不足，示功图呈现一定“刀把状”，平衡度为0.64，属于欠平衡状态；L80-17 井示功图工况为正常，平衡度为1.36，属于过平衡状态。

图3 油井平衡状态案例

典型井L11-55 井平均平衡度为1.56，示功图呈现一定“刀把状”，且偶尔出现泵筒不进液，功图显示固定凡尔失灵功图（图4）。通过表5 实时数据来看，该井瞬时平衡度随着采集工况的变化而变化。

图4 典型井L11-55 井叠加功率图和叠加功图

表5 L11-55 井平衡度分析数据

该类井通过大量采集数据进行在线分析后，得出全天加权平均平衡度值，避免了用供液能力较好或较差时的瞬时数据代表全天数据。

4 结论

（1）基于功图电参的常规游梁式抽油机井关键指标在线计算分析，解决了人工测试耗时耗力且瞬时数据代表性不强的问题，实现油井工艺关键指标的日常在线实时分析等功能，减少了技术人员大量的分析计算时间。

（2）运用基于功图电参的常规游梁式抽油机井关键指标在线计算分析技术，通过在线监测结果，为油井合理制定工作制度和工艺优化方案提供了实时的数据支撑和技术依据，提高了油井管理效率。

（3）依据关键指标分析应用结果，各采油单位统一数据源，统一关键指标分析应用平台，对考核管理新疆油田机采指标做到了统一，适合在全油田进行推广应用。