抽油机井变速运行智能控制技术应用及推广

抽油机井变速运行智能控制技术应用及推广

宋明垚

中国石油华北油田公司二连分公司工程技术研究所内蒙古锡林浩特市026000

摘要：抽油机井闭环控制技术是为了实现抽油机井的供排协调智能排采，为了解决低产低效井存在产液波动，人工调整工作制度无法适应油井供液能力变化的问题，研发了变速运行智能控制技术，该技术在原有供排协调技术的基础上，进一步降低油井运行能耗，持续提高系统效率、是实现抽油机井智能排采的又一重要技术。

关键词：抽油机井；变速运行；控制技术

一、技术分析

1、主要技术原理

⑴大闭环调冲次控制技术原理及应用

大闭环调冲次供采协调技术是通过安装抽油机井变频控制柜、示功图、电参数传感器，RTU及远程通讯模块，实现现场采集抽油机井示功图及电功率曲线，通过远程通讯模块上传至局域网内的集中分析控制平台，由服务器进行分析计算后将调参信息反馈给单井控制单元，控制单元调整变频器输出频率，从而实现油井远程调参、供采协调的目的。控制参数为动液面，数据来源为示功图计算结果，采集频率一般为1小时一组数据，需要网络支持。

⑵小闭环控制技术原理及应用

为了解决无网络覆盖的边零井的智能排采问题，研发了小闭环控制技术，该项技术是将大闭环控制技术中安装在服务器上的平台软件分析计算功能移植到了单井PLC上，无需网络传输，可以实现单井井场的实时采集和就地分析计算反馈，控制变频实现调参。控制参数为动液面，数据来源也是示功图计算结果，采集频率可调，需要PLC具备闭环计算分析功能。

⑶变速运行智能控制技术原理及应用

抽油机井变速运行控制技术是根据悬点的载荷变化，结合光杆运行速度与加速度的控制，消除杆柱惯性载荷的影响，通过降速增加电机输出扭矩实现功率输出曲线“削峰填谷”的形态，通过载荷随动控制实现抽油机电机的变速运行输出，从而改善杆柱受力状况，提高井下泵的充满系数、实现低能耗长效运行。闭环控制参数为井口产液量，采集频率为每一冲次，需增加变速运行控制模块，可嵌入大、小闭环控制装置，实现变速运行智能控制。

2、适用条件

抽油机井变速运行智能控制技术适用于游梁式抽油机电机的变速驱动，适应电机类型为：永磁同步电动机、普通三相异步电动机、超高转差电动机。永磁同步电机节能效果最好、普通异步电机相对次之、超高转差电机效果最差。不适用于塔架式、皮带式、直线电机驱动抽油机系统。

3、选井原则

为了保证该技术的应用效果，建议选井条件为：

⑴所选抽油机井为游梁式抽油机井，电机配备功率在22kW～37kW之间优先考虑；

⑵抽油机井冲次达到3次以上，工频运行时示功图呈现明显供液不足现象，泵效低于35%，且井下泵不存在明显漏失；

⑶油井正常生产条件下沉没度小于150米，且具备一定的供液能力。

4、技术经济指标

⑴闭环控制技术一般可实现单井节电5-15%，系统效率提高1-3个百分点。

⑵变速运行智能控制技术可实现单井节电15%以上，提高系统效率3%个百分点。

二、前期应用成效

1、经济效益

2018年二连公司共安装柔性运行优化控制系统98口井。对比实施前后不同运行模式的测试数据，在措施井做产液量不下降的前提下，实施井平均单井日节电率18.8%，平均系统效率提高了5.6个百分点。

平均单井节电按30kW•h，根据二连电价0.87元/kW•h计算，单井年累计节约电费为30kW•h/天×365天×0.87元/kW•h（平均电价）＝0.953万元。

在保持产液量不变的前提下，措施井平均冲次降低0.4次，即平均降低原冲次的10%，光杆平均载荷下降10%，按照检泵周期预测模型，检泵周期与冲次负相关，与抽油杆所受交变载荷大小负相关，而该技术降低了油井运行冲次，降低了最大载荷，因此延长了检泵周期，计算出延长检泵周期20%以上，假定每口井年检泵作业0.5次，则单井每年减少检泵作业次数0.1井次，按6.5万元/井次计算节约生产维护成本为0.1井次×6.5万元/井次=0.65万元。

单井年经济效益=单井节约电费+单井节约维护费=0.953+0.65=1.603万元。

投资回收期=单井投资/单井年经济效益=5/1.603=3.11年

2、社会效益

抽油机井的应用使产液波动抽油机井的自动控制成为可能，为二连分公司智慧油田建设奠定了技术基础，为低油价新常态下油田实现节能降耗，提质增效提供了技术保障。

该项技术应用于新建产能井，可有效降低单井耗电设备容量，群控模式的应用可以新井带动周边老井形成井组的低能耗运行，减少控制设备投资。应用于老油田节能技术改造，可实现区块低能耗长效运行。

应用机器学习算法优化控制策略及控制程序，可以为石油生产与人工智能技术的进一步结合开启一个有益的技术突破口，为人工智能技术与油田其他生产系统的结合起到技术引领的作用。

三、生产现状及推广理由

目前全油田共有抽油机井生产井1565口，普遍配套了节能型抽油机和超高转差电机。主要存在以下问题：

⑴能耗水平偏高，泵效偏低。泵效低于20%以下的油井有462口，平均系统效率仅为15%；泵效低于分公司平均水平42%的油井有840口，平均系统效率23.8%，远低于32%的平均水平。

⑵维护作业成本高。受设备参数的影响，冲次无法继续下调，导致杆管液击严重，造成杆管偏磨及断脱检泵，占全油田检泵井次18%左右。

⑶现场控制柜多，埋地电缆多，不符合标准化管理要求，且存在安全隐患。随着智慧油田的建设，每台抽油机井场至少有两台配电柜，分别为

电机控制柜和数字化控制柜。还有190多口井空心杆电加热井装有三台控制柜。

四、技术推广方案

1、总体规划

在2018年应用抽油机井变速运行智能控制技术98口井，实现了多柜合一及智能运行，平均降低能耗15%。计划利用三年时间，在全油田完成该项技术的推广应用，将剩余1366口井控制柜更换为变速运行智能控制柜，实现多柜合一，生产运行及数字化采集传输合一，参数控制及智能调节合一，实现抽油机智能变速运行，生产参数远程传输，降低能耗水平，消除安全隐患，提高现场标准化水平。

3、分类实施模式

根据现场地面设备配备情况和工区的要求，结合智慧油田建设规范制订了分类施工方案。

⑴新井或新装抽井建议配备小一级普通异步电动机+变速运行智能控制装置。全功能变速运行智能控制柜——包含变速运行智能控制模块、专用变频器、采集通讯模块、工频控制模块四部分，配套普通三相异步电机，电机容量相对下调一档。

⑵已安装智慧油田组件的油井，将智慧油田组件与变速运行智能控制装置组合为一体，实现采集通讯、控制一体化。

4、组织机构

抽油机井变速运行智能控制技术由二连分公司工程技术研究所组织协调实施。工程技术研究院负责技术支持（进行设备安装、策略调试、实施效果测试分析、后期维护等），二连分公司各作业区协助现场安装、调试、测试分析等工作。

抽油机井变速运行智能控制装置设计单位为工程技术研究院，合作生产单位为华北油田科达开发有限公司，生产、安装单位为石家庄爱科特科技开发有限公司。

五、经济效益预测

1、合计年节约电费

单井年累计节约电费×井数=1366×0.953=1301.798万元

2、合计年节约维护费用

单井年累计节约维护费用×井数=1366×0.65=887.9万元

3、合计年节约油量损失

单井年减少检泵井次×占井周期×实施井数×平均单井日产油×（原油价格-吨油成本）=0.1×3×1366×1×（3093-2280）=33.3167万元

年经济效益合计=节约电费+节约维护费用+节约油量损失1301.798+887.9+33.32=2223.02万元