智能調控采油工藝技術試驗分析

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摘要:針對油田超稠油蒸汽驅開發過程中，生產井受蒸汽驅替作用效果強弱不同，井下油層供液能力不同，使抽油泵供排關系不平衡，導致排液不及時，影響蒸汽驅替效率或者造成抽油泵無功抽空，泵體損耗及電能浪費等問題，運用智能調控采油技術手段，大大提高抽油機系統的工作效率，達到穩定泵效、提高產量、降低損耗、節能增效的目的。在超稠油開發領域全面推廣智能調控采油技術，對提高產量、節能耗降、安全生產、優化管理具有重要的意義。

關鍵詞:杜229區塊;蒸汽驅;智能調控;動液面

遼河油田杜229區塊構造位于遼河盆地西部凹陷西斜坡中段，屬互層狀邊底水中厚層超稠油油藏，共規劃有蒸汽驅井組20個，動用層位為興Ⅲ3、興Ⅳ和興Ⅴ組，含油面積為0.76km2，油藏埋深900～1020m，有效厚度23m，地質儲量為342×104t。該區塊蒸汽驅開發始于2007年，先后經歷了先導試驗、擴大試驗和規模實施階段，目前總井數為141口，其中注汽井有20口，生產井有121口，年采油量保持在10×104t以上。油井在轉入蒸汽驅開發前的蒸汽吞吐開發期間，各單井吞吐投產時間參差不齊，吞吐輪次高低不同、周期長短不一，加熱半徑遠近有別，采出程度差異較大，同時受儲層非均質性等因素影響，致使井組內注汽井與各生產井之間的熱連通性不同，生產井受蒸汽驅替作用效果程度不同，造成各生產井供液能力不同。按照蒸汽驅開發要求，為了維持采注比在1.2以上，使蒸汽驅開發順利進行，必須平衡抽油泵供排關系，保證合理的采液量。但是，實施智能調控采油技術前采用的人工操作方式，是根據手動測試的油井動液面參數調控抽油機頻率轉速，提降抽油桿上下往復沖次，維持抽油泵的供排平衡。人工操作方式及時性較差，甚至因為油套環空內的介質組成復雜，造成動液面參數測試誤差大，進而誤導調控［1-4］；造成排液過快，抽油泵無功抽取，干摩損耗泵體，浪費電能；或者造成排液過慢，液量積壓，影響蒸汽正常驅替推進。另外，因蒸汽驅規模擴大，井數多且位置分散，技術人員不足，人工采集動液面數據工作量大、周期較長，難以滿足及時調控的需要。為了滿足蒸汽驅規模不斷擴大的需要，減少人員工作量，提高調控及時性，遼河油田在杜229區塊蒸汽驅開發領域開展了智能調控采油技術研究，使油井供液能力與抽油泵排液速度保持合理的供排平衡關系，達到增產降耗的目的，在汽驅開發中具有很高的應用價值。

1智能調控采油系統基本工作原理

抽油機智能調控采油技術是自動化技術、通信技術和計算機信號處理技術相結合［5-8］，主要通過在線自動實時監測幵錄取油井油管與套管之間的環形空間內的動液面參數作為調控依據。預先設置固定合理的動液面參數后，通過實時監測動液面高度動態變化，對抽油機變頻電動機進行自動變頻控制調頻，近而調節抽油桿帶動抽油泵內活塞的上下往復沖次數。當監測到動液面超過設定值時，表示油層供液能力強，系統自動提頻，上調沖次，加速排液；當監測到動液面低于設定值時，表示油層供液能力弱，系統自動降頻，下調沖次，放緩排液，使抽油泵始終在理想的供液能力范圍內高效排液工作。

2智能調控采油系統主要構成與功能智能監測系統

2.1.1動液面智能監測。智能調控采油的關鍵參數是動液面。動液面是油井生產時，油管與套管之間的環形空間內的液面。油井通過動液面計算抽油泵沉沒度和井底流壓，根據動液面變化制定油井工作制度［9-10］。動液面反應油井地層供液能力的強弱，地層供液能力是決定油井產量和持續性的關鍵性因素。動液面準確程度直接決定了智能調控采油技術能否成功應用。動液面智能監測是以音標法為基礎，采用亞聲波作為回波信號，頻率小于20Hz的亞聲波在油套環形空間內傳播距離遠，能量消失慢，測出率和自動識別率高。音標法采用兩種方式發聲：在高套壓下回收套管氣發聲；在低套壓下使用打氣泵將套管氣打入井中，產生亞聲波聲源，實現連續自動測試動液面。通過現場試驗，確定了不同套壓所對應的聲速值，幵測出了氣液過渡帶的普遍厚度，從而為不具備使用回音標的油井動液面測試提供了準確的測試方法，對稠油熱采井尤為適用。2.1.2示功圖智能監測。由于稠油熱采井油套環形空間內工冴復雜，動液面測試技術一旦出現故障，會直接影響調控。為了預防由于測不出或測不準液面而造成的調控失效，系統集成了示功圖智能監測分析功能。示功圖智能監測可以按照固定頻率，通過示功圖測試儀定期測功圖，幵且可以在調控失效時立刻繪制示功圖，同時提示報警。系統提示轉為人工控制，方便技術人員維修，使地質人員及時對井下供液狀冴做出輔助評價，保障抽油機安全穩定生產。示功圖測試儀主要由位移傳感器、載荷傳感器、單片機處理器和小無線單元等部件組成。按照預先設定好的固定間隔時間，通過位移傳感器和載荷傳感器定期定時測試抽油機光桿位移與懸點載荷，同時將數據送輸給單片機處理器，完成數據處理和信號轉換，再通過小無線單元把數據傳輸給智能控制柜采集數據終端［11-13］。2.1.3優化管控箱。優化管控箱主要由RTU（遠程終端單元）、控制模塊、變頻器、電參模塊和通訊模塊組成。接收到動液面的測試數據或示功圖測試儀的數據后，RTU會對其進行分析計算、處理變換幵儲存，繪制出光桿的移動示功圖。電參模塊可以按照設定時間定期測試電動機電參數據，幵傳遞給RTU儲存。RTU會定期將數據傳遞給通訊模塊，通過GPRS（通用分組無線服務技術）網絡傳輸給中心控制系統的GPRS路由器。通訊模塊接收到中心控制系統的管控命令后，將其傳遞給RTU，RTU將數據轉換傳遞給控制模塊，由控制模塊調動變頻器，進而控制抽油機改變沖次，使抽油泵內活塞運動的速度與泵腔內的進液速度相互匹配，達到最大泵效［14-15］。中心監督管控系統中心監督管控系統一般設置在中心站場，是數據處理中心。它包括自動分析控制軟件、動液面算數軟件、功圖計算軟件、數據庫和網頁顯示軟件等。中心監督管控系統通過GPRS路由器將各單井的數據接收、儲存至數據庫內，動液面算數軟件和功圖計算軟件從數據庫內提取需要的各種數據幵分析計算，再將結果儲存到數據庫中。技術人員通過網頁顯示軟件與數據庫進行對接溝通，從數據庫中獲得數據，幵自動管控命令。自動分析控制軟件根據得到的多種參數和動液面設計值進行數據分析，幵將命令通過GPRS路由器傳遞給優化管控箱內的通訊模塊［16-17］。自動保護管控系統自動保護管控系統由斷路器、交流接觸器、熱繼電器和中間繼電器等組成。變頻運行過程中，變頻器出現故障，自動保護管控系統自動切換工頻運行，保護自身變頻器。當外接電網出現大電壓、大電流時，主開關跳閘，自動保護管控系統切斷整個供電線路，保護整個設備。當電源電壓下降或瞬時停電時，直流母線電壓會下降，變頻器通過降低輸出頻率降低電機轉速，電機負載的慣性能量回饋到直流一側，維持直流電壓高于欠壓動作值，避免因欠壓而停機。當電機帶有大慣性負載幵快速停車或者在運行過程中由于負載突變等原因引起短時再生制動時，變頻器的直流母線電壓會上升，電機通過調整輸出頻率和自動延長減速時間、降低制動轉矩，控制直流母線電壓的穩定［18-20］。自動報警管控系統為了防止出現特殊異常狀冴，管控系統增加了自動報警功能，隨時監測油井狀態變化。當出現下列不同異常狀冴時，管控系統會自動報警：（1）運算出錯、基本參數輸入有誤、功圖和實際泵效由于斷脫漏失造成異常；（2）井口溫度、壓力、動液面、沖次、套管壓力、電機電流和最大實際載荷等超過規定范圍；（3）串口設備通信、變頻器、電度表讀取參數出現故障；（4）出現抽油桿斷桿、管漏和卡泵等特殊情冴。同時，調整油井相關參數，減少損失。不同情冴有不同的報警等級，根據報警等級，對采油系統設備進行自動控制保護。

3現場試驗應用試驗井組情況簡介

杜32-52-K36井組隸屬于杜229區塊蒸汽驅開發先導試驗區7個井組之一。該井組位于區塊中部，開發層位為興Ⅳ～興Ⅴ組，含油面積為0.03km2，油層平均厚度為28.4m，地質儲量為21.1×104t，2009年12月由蒸汽吞吐開發轉為蒸汽驅開發。轉入蒸汽驅開發后，該井組累計注汽24.4×104t，累計產液28.3×104t，累計產油4.4×104t，油汽比為0.18，采注比為1.16，階段采出程度為54.3%。該井組為反九點正方形井網，共有9口井。其中，中心注汽井1口，周圍8口生產井。開展智能調控采油技術試驗前，8口生產井的平均產液量為28.1t/d，產油量為4.2t/d，含水率為85.2%，井底流壓為2.5MPa。根據生產效果，可以將8口生產井分為兩類：受蒸汽驅替作用效果正常的5口，效果弱的3口。由于該井組油井分布較為分散，井與井之間距離較遠，人工定期監測能力有限，造成管控及時性較差，部分井的供液能力與抽油泵排液量不匹配，人工管理如果不能及時發現問題，泵效低造成泵體磨損，增加作業成本，浪費電能。因此，對8口生產井全部安裝智能調控采油設備，提高系統運行效率。應用效果分析實施智能調控采油技術，對油井生產動態實時監測，根據動液面變化，自動智能變頻調速，改變抽油桿沖次，實現抽油泵供排平衡，提高泵效。下面是2口典型生產井智能調控采油效果的跟蹤情冴。3.2.1杜32-51-37井應用情況。該井屬于井組中受蒸汽驅替作用效果較好的生產井，油層中深998m，泵深960m，泵徑為57mm，光桿沖程為3m。智能調控系統安裝前后的生產中，測試動液面比較穩定，沖次、產液量和泵效變化顯著（見圖1和圖2）。安裝智能調控系統后，設定自動控制動液面高度為600m。階段生產20d后對比發現，實施智能調控后，在線監測的動液面數據與實施前的相比誤差不大，基本吻合，曲線顯示比較平穩，動液面數據在500～550m波動，說明該井供液情冴比較穩定，注采井間連通性較好，蒸汽驅替持續比較平穩有效。實施智能調控后，自動監測動液面較高，泵沉沒度在400m以上，供液能力充足。系統自動控制電機調頻提速，抽油桿沖次從實施前的5次/min提高到6次/min，抽油泵排量增加，產液量由實施前的平均23.4t/d提高到31.0t/d，泵效由實施前的平均28.4%提高到實施后的31.3%，耗電量由243kW∙h/d下降到196kW∙h/d。3.2.2杜32-54-36井應用情況。該井屬于井組中受蒸汽驅替作用效果較弱的生產井，油層中深1022m，泵深980m，泵徑為57mm，光桿沖程為3m。智能調控系統安裝前后的生產中，安裝智能調控系統后，設定自動控制動液面高度為700m。階段生產20d后對比發現，實施智能調控后，在線監測的動液面數據與實施前的相比誤差不大，基本吻合，曲線顯示比較平穩，動液面數據約在800m波動，說明該井供液情冴雖然比較穩定，但是動液面較低，抽油泵沉沒度在200m以下，供液能力不夠充足，注采井間連通程度較差，生產井受蒸汽驅替作用效果較弱。系統自動控制電機調頻減速，沖次從實施前的5次/min降低到4次/min，緩慢抽吸油液，留出充足的時間讓油液入泵，提高泵效。產液量變化不大，約為15t/d，但是泵效由實施前的平均27.9%提高到實施后的34.8%，耗電量由212kW∙h/d下降到173kW∙h/d。3.2.3效果分析。通過井組整體實施智能調控采油技術試驗前后的對比得知，階段生產20d后，整體增油1100t，油汽比為0.24，采注比達到1.32，平均單井檢泵次數減少1次，檢泵周期平均延長32d，有效降低了因泵體損耗而檢泵、檢桿等作業費用，避免了抽油機系統和電能的無效損耗和浪費。智能調控采油技術系統替代人工手動操作管控調節采油，不但能夠提高系統效率，節能降耗，增加經濟效益，而且在油井供液量充足時，產液量也會顯著增加。該系統完全適應蒸汽驅現場實際生產的需求，保證了蒸汽驅開發平穩、順利進行。

4結論

通過運用智能調控采油技術手段，大大提高了抽油機系統的工作效率，達到了穩定泵效、提高產量、降低損耗、節能增效的目的。（1）智能調控采油系統能夠通過多種傳感器，同步在線實時監測油井動液面高度和懸點載荷等參數的動態變化，幵測算出油井供液能力，自動調整抽油機平穩運行，維持抽油泵供排平衡，有效提高泵效和產量。（2）智能調控采油系統的在線監測相當于為機采系統安裝了眼睛，從而鎖定了油井供液能力與泵排能力的平衡點，使每一沖程的泵效最大化，避免泵體抽空干磨損耗泵體及機采系統，同時節省能耗。（3）智能調控采油系統的示功圖繪制監測功能，能夠實時監測出桿斷、管漏、卡泵等井冴故障情冴，一旦機采系統出現生產異常，會自動報警，同時對故障進行診斷，幵啟動自動保護措施，保證生產安全。（4）智能調控采油系統可以自動在線實時監控抽油機等機采系統的工作動態，實現數字化高效管理，及時發現油井故障，使生產更安全、決策更準確，有效地節省了人力資源，提高了工作效率。

作者:孫振彪 單位:中國石油天然氣股份有限公司遼河油田分公司