智能技术在螺杆泵井的应用与评价

郭立娜

摘 要：随着油田开采技术的发展，螺杆泵采油技术在油井举升中得到了广泛应用，并取得巨大的经济效益。X厂从99年开始应用螺杆泵，目前已达到了运转166口井的规模。国内螺杆泵井机采自动化程度低，是致使一些螺杆泵井设计、工况不合理，导致故障率偏高的主要原因之一。因此，我们采用一系列智能技术提高螺杆泵井的技术管理水平，并取得了良好的经济效益。

关键词：螺杆泵；智能技术；完善提高

前言

螺杆泵采油系统作为一种重要的机械采油工艺，具有占地少、投资小、能耗低、噪音低、易管理、出液平稳等优点，在油田生产中应用越来越广泛。随着油田开采技术的发展，螺杆泵采油技术在油井举升中得到了广泛应用，并取得巨大的经济效益。锦州采油厂从99年开始应用螺杆泵，目前已达到了运转166口井的规模。应用方面仍存在一些亟待解决的问题，如螺杆泵的设计，现场测控技术等致使一些螺杆泵井工况不合理，导致系统效率偏低，管理不及时。因此，提高螺杆泵井的智能技术水平，实施油井智能控制是实现油井稳定高产的主要配套技术之一。研究螺杆泵智能管理技术，对于提高螺杆泵采油的技术管理水平具有重要意义。

1 螺杆泵的工作原理

锦州油厂主要应用的是地面驱动单螺杆泵采油系统（以下简称螺杆泵采油系统）。

电控部分：包括电控箱和电缆；地面驱动部分：包括减速箱和驱动电机、井口动密封、支撑架、方卡等；井下部分：驱动杆、螺杆泵定子、转子；配套工具部分：包括专用井口、光杆、杆扶正器、管扶正器、锚定器等。

它的工作原理是电动机通过三角带将动力传递给驱动装置，使驱动杆产生顺时针方向转动，驱动杆带动井下的螺杆泵中的转子在定子橡胶衬套中运动，转子运动时，吸入端形成密封腔，沿轴向向排出端移动，油液在吸入端压差的作用下进入密封腔随之上移，被从吸入端推挤到排出端，密封腔的不断形成、上移和消失，将油、砂、水等介质一同举升到地面。

2 螺杆泵智能技术简介

2.1螺杆泵智能设计系统

该软件模型考虑了杆柱空间三维的影响，利用杆柱动力学模型建立了三维的抽油杆柱扶正器设计，可根据管杆接触程度计算出扶正器下入深度和个数，突破一维计算的局限。主要功能包括：产能分析、静力学工况分析、动力学工况分析、优化设计、计算结果查看及数据管理。

表1是通过对抽油杆受力分析，应用有限元方法求解抽油杆动力学方程组，得出位移分布，从而得出的扶正器分布位置。

以上软件功能，为螺杆泵的优化设计提供了有力的技术支持。

2.2螺杆泵智能工况诊断技术

螺杆泵井智能監控设备，是光机电一体化和电子信息及通讯技术相结合的高性能螺杆泵采油控制设备，是集电气传动、变频调速、电子信息、自动控制、传感器测量、无线测量、远程通讯等技术于一身的高新技术产品，全面考虑井、杆、泵的综合因素，对螺杆泵井实现全天候的实时测量、实时跟踪、实时控制。该技术集数据采集、跟踪系统、无线测控和远程控制等功能为一体，综合了以下技术：变频调速；液面监测传感器及套压传感器；光杆扭矩与轴向力传感器；电流电压传感器；RTU控制单元；GSM/GPRS远程无线监控器。

螺杆泵工况诊断技术在我厂不断完善发展，目前已推广使用，并取得了很好的效果，以下是现场应用。

以锦X-21-44c井为例，为锦X-06-185正常生产时的工况测试诊断曲线之一。从该井测试曲线可以看出具有以下特征：一是从载荷看，开井前静载荷接近抽油杆浮重；二是起动后光杆扭矩曲线和载荷曲线都显示出周期性波动；三是扭矩、载荷均未出现峰值扭矩和峰值载荷；四是开井后螺杆泵运行时扭矩、载荷与开井前扭矩载荷相差不大[2]。综合上述分析认为该井为抽油杆深部断脱，实际检泵过程也证实了这一诊断。

为锦X-22-44侧井故障测试曲线，可以看出：该井启动后形成的扭矩峰值和载荷峰值均较大（说明杆完好，泵过盈量较大，泵没有问题）；开井运行稳定后扭矩、载荷值较开井前略微有所增加，增加幅度很小。综合分析认为该井为油管泄漏，上作业诊断后与判断相符。

智能监测及诊断技术，能为现场螺杆泵工况的判断提供更可靠和科学的依据[3]。

2.3螺杆泵井下智能自动测量系统

在地面驱动螺杆泵采油技术中，动液面高度的变化直接影响到抽油杆柱和螺杆泵的运动和受力状态，是控制螺杆泵稳定工作重要的参数。由于动液面低于泵挂对螺杆泵井可能带来烧泵的严重后果，因此对于供液不稳定或者高含气的螺杆泵井，必须随时监测动液面的变化。

目前普遍使用的是地面声波测试液面，螺杆泵液面专门测试仪器也有利用动液面和扭矩或功率等参数的函数关系而使用的监控装置，但都存在一定的误差。锦州油田采用的螺杆泵液面自动测试仪器，直接将温度压力传感装置连接电缆安装在螺杆泵下方下入井下，直接对泵口位置的油井井下压力、温度信号进行采集，根据采集出来的信号由微处理器得出井下的压力温度值，换算出井下液位，准确显示出液位恢复曲线，及采油的历史过程。该设备还提供了接口，可以与变频控制装备进行连接，组成闭环控制系统，从而可以根据实际情况设置运行时间，自动控制螺杆泵井启停。成功后能实现螺杆泵油井自动控制，降低工人劳动强度，进一步提高采油厂生产管理水平。

该设备主要技术有：采用独有的信号提取、剥离技术，压力温度信号同时测量，实时显示；系统信号以电流方式传输抗干扰能力强；系统可自动跟随校正，测量精度高；采用卡套结构设计，有效保护传输电缆；系统升级后可与变频器组成闭环控制，使泵运行在高效区内，与变频器联动可实现软启停。

该项技术在辽河油田J厂一共运用3井次，经对比发现该测试仪器误差控制在50m左右，能有效的跟踪动液面，从而保证螺杆泵井的平稳生产，取得了不错的效果。

参考文献：

[1] 罗英俊，万仁溥.采油工程手册.石油工业出版社，2005：467～491.

[2] 韩修廷，王秀玲，焦振强。螺杆泵采油原理及应用，哈尔滨工程大学出版社，1998：169-186.

[3] 张明毅等. 螺杆泵专用抽油杆试验研究.石油矿场机械，2006，35（1）：76～80.