水平井故障诊断技术研究与应用

罗改芬，高荣华，马赞，黄贵花 ，马焕焕

（1.延长油田股份有限公司勘探开发技术研究中心，陕西 延安 716000； 2.延长油田股份有限公司七里村采油厂，陕西 延安 717100）

传统巡检需要对抽油设备进行人工定时、定点巡视，靠眼睛、耳朵的感官去发现运行设备的异常，但巡检的工作量、巡检线路的长度与地理环境和气候的变化都有很大的关系，不仅周期长、费时费力，设备故障的及时发现更是无从谈起，一个月测试一次示功图根本不能反映井下抽油泵运行状况。针对上述问题，油田信息化建设应运而生，它是伴随计算机在石油工业中应用而发展的，它是从刚开始的地震勘探，到后来的电子示功仪、计量站转油站建设，直到现在油田进入数字化阶段，该阶段实现了油井和站点的实时监测、自动控制、自动预警和自动诊断。数字化抽油机控制柜、抽油机节能控制器、无人值守站和DMS 系统等技术，是油田现代化发展所必需的，对于水平井井况监测与控制也是亟需的。本技术将物联网与油田生产工艺融合，以现场实时采集的油井示功图为主要依据，远程控制抽油机的工作制度，达到全面实现油田地面生产过程的自动化监测与远程优化的目的[1]。

1 技术研究思路

为实现快速油田机采参数优化、故障诊断以及智能检测等目标，首先需了解水平井当前生产工艺现状和现场基础通信条件，再结合设计目标，进行技术方案的设计，对比相关方案，通过试验发现潜在问题并加以完善，试验成功后再进行最终的推广应用。

利用当今物联网技术，将井场现场参数（如示功仪、电压、电流等）传到主控室[2]，在主控室中完成现场参数的接收、分析、计算，并将分析结果发送给现场执行机构，使抽油机按照最佳的经济参数运行。依据现场生产和采油大队管理模式，基于系统安全考虑，采用智能终端与智能分析系统相结合方法来实现水平井井况检测和最优控制，如图1所示。

图1 技术路线图

首先基于现场智能设备，完成功图和电参数据采集，采集完成后进行本地数据分析和异常数据处理，检测调节装置当前状态；同时将采集数据通过GPRS 上传至服务器端，在服务器端进行产液量、油井故障和泵效分析，同时结合历史参数，分析最优生产参数，并将指令下发给水平井控制器。最后依据下发的最佳指令，确定最终生产指令，并控制变频器实现参数调节，完成调节后，进行生产状态评价，为下一次调节做好准备。

2 井况监测技术研究

随着物联网技术的发展，油气生产物联网监控系统已经成为国内数字化油田向智能化井场发展的关键，其核心是通过示功图与电流图实现油井工况异常诊断、抽油机故障监控及油井的产液准确计量，在抽油机上、下冲程的同一个周期内同步采集示功图、电流与电功率数据。

1）通过功图传感器，可以连续测量抽油机一个周期内光杆拉力与位移数据，并最终形成一个封闭的图形，通过这个图形来反映油井的状况。其安装在光杆上，所测量功图数据通过4～20 mA 信号上传到井口RTU。

2）电参数测量模块由信号取样电路、逻辑电路及其他元器件测量单元结构共同组成。由芯片完成三相电参数的测量以及以数字方式校正系统误差（增益、相位和失调等）所必须的信号处理并对各项数据进一步加工处理。软件主要的功能是完成测量数据的处理；同时，利用外部通信接口传输采集的数据，响应外部设备的各种查询，校准数据设置操作。

3）在抽油机上、下冲程同一个周期内分别采集示功图、电流与电功率数据，由同步处理单元定时唤醒休眠状态的示功图采集单元，电参单元接收到同步处理单元下发的同步采集信号，开始采集电参数据，直到同步处理单元下发同步停止信号，示功图单元上传示功图数据完毕，下发电参单元上传信号，待电流图、功率图数据上传完毕，对示功图、电流图、功率图进行同步算法处理，最后将图形数据上传至油井智能 RTU。

3 最优控制技术研究

提高抽油系统效率主要集中在以下两个方面：一是提高设备的效率，即提高抽油机设备的利用率并保证在较低的能耗水平下，提高油井的产量；二是，优化抽油机的抽汲参数，使抽汲参数与油井的供液能力相匹配，实现最优化生产。当在采油设备生产性能和下泵深度已经确定情况下，抽汲参数中决定抽油系统效率的因素主要有冲程、冲次、泵径。

在油田的实际生产中冲次是调节产量和提高效率实现节能高产的最快捷途径，随着变频技术的应用，冲次调节可以实现无级自动调节。依据泵的充满度以及当前产量需求调节冲次是目前采用较为广泛的技术之一，从而实现对水平井井况实时检测。系统会对所采集的水平井数据实时分析，依据油井生产规律，提出参数调节指标，利用智能控制装置[3]，调节水平井的生产参数，从而提高水平井的生产效率，达到最优控制。同时通过自动调参设备的研发和应用，丰富了延长油田油井调参技术手段，降低了油井作业成本，在确保油井供排协调的前提，达到节能降耗、降本增效的效果。

4 应用情况

在延长油田志丹采油厂选取10 口井试验，抽油机井平均冲次由每分钟5.15 次降至4.2 次，下降了18.45%，在未使用该技术情况下，平均吨液耗电量13.292 kW·h，平均功率因数0.368；在使用该技术的情况下，平均吨液耗电量10.540 kW·h，平均功率因数0.851，吨液平均节电率为17.27%。依据油井目前实际产液能力，将现有过剩的抽油机的工作冲次与油井工况进行匹配下调，把以往多余消耗的电力输出节约下来，同时把以往高频次的机件载荷造成的系统磨损成倍降低，使油井在生产过程中的成本与损耗处于最低状态，节约电力消耗和不必要的机械磨损[4]，达到了节能降耗的目的。