一种油井间抽控制系统及方法与流程

本发明属于机采系统数字化设备领域，具体涉及一种游梁式抽油机间歇抽油控制系统及方法。

背景技术：

对于供液不足和低产低效井，以及开采中后期的低渗透井，随着地层压力的不断降低，油井供液能力不足的现象十分普遍，由于供排不平衡，抽油机长期处于低效工作状态，能量浪费严重，设备无效磨损加剧，导致经济效益很低，出现了许多效率低下，甚至“负效益”的机械采油井，如何让抽油机高效、节能的工作，成了亟待解决的问题。

从提高泵效和节能的角度来看，间歇抽油工作方式是一种极其有效的方式，克服了供液不足不能满足抽油设备连续工作的问题，从而提高了泵效，但间歇抽油需要一段时间的液面恢复，在此过程中井筒压力升高，随之而来的是井筒与地层间压差的减少以及地层渗流量的减少。因此，如何使抽油机井既能在高效状态下运行，同时又尽可能地发挥地层潜力。

通过油井调参，如加大泵挂深度，以提供较大的生产压差；加长冲程、慢充数、小泵径，可以提高油井的提液量，但是一旦油井出现调参困难，即调参余地不太大时，长时间抽油所带来的负面影响将会加剧。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种游梁式抽油机间歇抽油控制系统及方法，根据实际出液情况给出最合理的控制方法，实现机采系统效率的提升、及能耗降低的目标。

本发明采用以下技术方案：

一种油井间抽控制系统，包括抽油机、控制器和电动机，所述电动机与所述抽油机连接，用于驱动所述抽油机，所述电动机上设置有转速传感器和电参采集模块，分别用于采集所述电动机的输出轴转速以及电流电压值并发送给所述控制器，所述抽油机上设置有载荷传感器和位移传感器，所述载荷传感器和位移传感器分别与所述控制器连接，用于将所述抽油机井抽油杆载荷和位移的测量值发送给所述控制器，所述控制器经过变频装置与所述电动机连接，用于控制所述电动机的启停。

进一步的，所述控制器包括井口采集器，所述井口采集器与RTU控制单元连接，用于将所述载荷传感器和位移传感器的采集信息发送给所述RTU控制单元，所述电参采集模块与所述RTU控制单元连接，用于将所述电流电压值发送给所述RTU控制单元，所述转速传感器与所述RTU控制单元无线连接，所述RTU控制单元与所述变频装置连接，用于将采集的信息发送给所述变频装置。

进一步的，所述控制器上还设置有显示单元和操作单元，所述显示单元和操作单元分别与所述RTU控制单元连接，用于显示和操作控制。

进一步的，所述载荷传感器设置在井口悬绳器上，所述位移传感器设置在游梁下方。

本发明还公开了一种油井间抽控制方法，包括以下步骤：

S1、在井口悬绳器上安装载荷传感器，在游梁下方安装位移传感器，实时采集抽油机井抽油杆载荷和位移信息；

S2、在电动机上安装转速传感器和电参采集模块，同步采集电动机输出轴的转速、电动机三相电流和电压信息；

S3、建立油井产量计算模型，根据抽油和停抽时间确定间歇抽油制度，将步骤S1和S2采集的信息发送给控制器，控制器计算电动机的参数信息并发送给变频装置，由变频装置通过控制电流频率和工作时间控制电动机运行，进行油井间抽控制。

进一步的，步骤S1和S2中，一个冲程周期内等时间间隔测取所述信息组点数不少于200个。

进一步的，步骤S3中，所述电动机的参数信息包括电动机运行及停止时间、电机转速、转速ω分布和电流频率f分布信息。

进一步的，步骤S3中，根据油井流入特性曲线，建立所述油井产量计算模型如下：

其中，h—地层有效厚度，m；r_e—油井供油边缘半径，m；r_w—井眼半径，m；k—地层渗透率，μm²；h—油层厚度，m；p_wf—流压，MPa；p_r—油层静压，MPa；p—压力，MPa；K_o—油相相对渗透率；B_o—原油体积系数，m³/m³；μ_o—地层油粘度，mPa.s。

进一步的，步骤S3中，停抽过程中，所述间歇抽油制度具体为：在停抽周期T_S内，建立停抽过程中液面恢复高度的仿真模型，得到停抽周期内地层流入井筒的液量相对于连续抽油流入液量所下降的百分数，以及停抽周期末液面恢复后的高度，任意时刻液面高度如下：

其中：H_d0—连续抽油时的动液面，m；A_c—油套环空过流面积，m²；T—计算时刻，d；H_d—时刻t的动液面，m；p_wf—时刻t的流压，Pa；Q(p_wf)—时刻t与流压p_wf对应的地层流入井筒的瞬时流量，m³/d。

进一步的，步骤S3中，抽油过程中，所述间歇抽油制度具体为：在抽油周期T_P内，建立抽油周期与抽油周期内油井产量的仿真模型，得到抽油周期T_P，再根据停抽周期T_S和抽油周期T_P确定油井平均日产液量，任意时刻液面高度如下：

其中：p_s—时刻t抽油泵的沉没压力，Pa；H_dmin—起抽瞬时的最小液面深度，m；Q_p(p_s)—时刻t与沉没压力p_s对应的抽油泵排量，即油井瞬时产量，m³/d。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种油井间抽控制系统，通过转速传感器和电参采集模块分别采集电动机的输出轴转速以及电流电压值，抽油机上的载荷传感器和位移传感器，分别采集抽油机井抽油杆载荷和位移的测量值，控制器根据采集到的所有信息通过变频装置控制电动机的启停，根据实际出液情况合理控制，满足油井的供产协调，利用冲次智能调整和智能动态间抽控制，从而实现油井的节能降耗以及减少运行设备的损耗，随动控制满足了一个冲程周期内油井的精细化控制，进一步提高油井系统运行效率，降低能耗。

进一步的，控制器采用RTU控制单元分别获取电动机和抽油机的工作信息，具有通讯距离较长，能够用于各种环境恶劣的工业现场，模块结构化设计，便于扩展，使用广泛的特点。

进一步的，控制器上设置的显示单元和操作单元便于日常操作。

进一步的，通过安装在井口悬绳器上的载荷传感器和游梁下方的位移传感器，对抽油机井抽油杆载荷和位移进行测量，能够采集载荷与时间、位移与时间曲线，计算获得井口示功图。

本发明还公开了一种油井间抽控制方法，在游梁式抽油机上安装传感器、变频装置和控制器，在电动机上安装转速传感器和电参采集模块，在抽油机上安装载荷和位移传感器，将各种传感器采集的数据发送至控制器，由控制器运算并给出最优控制策略，再将运行参数发送至变频装置，变频装置对电机进行控制，最终实现抽油机节能运行控制，有效提高油井系统运行效率，降低能耗。

进一步的，确定每一口油井巡测一组示功图数据的频率，对低产井采用10分钟的频率，且一天采集的有效功图数不少于110张，一个冲程周期内等时间间隔测取数据组点数不少于200个，根据不同的油井，通过合理的数据采集，提高抽油机的工作效率，延长使用寿命，降低成本。

进一步的，传统油井流入特性曲线特征为油井产量随流压的下降而增加；随流压的增加而减少，若油井遵循传统流入特性曲线，当采用间歇抽油制度时，由于液面恢复会导致流压增加，则间歇抽油制度会降低油井产量，因此对于平面径向流动，建立单相渗流的油井产量计算模型，根据实际出液情况给出最合理的控制方法，满足油井的供产协调。

进一步的，在停抽周期内，井口不产液，由于油井动液面处于恢复状态，因此流压一直处于增加状态并高于连续抽油的流压，导致地层流入油套环空的液量有所降低；在抽油周期内，抽油泵将油套环空内流体抽汲到油管内并举升到地面，井口产液。在抽油泵抽汲举升原油的同时，地层内流体连续流入到油套环空内。虽然抽油泵抽汲液体导致液面逐渐降低，但由于在抽油过程中，液面仍然高于连续抽油的液面，即流压高于连续抽油的流压，因此在抽油过程中，地层流入井筒的液量也有所降低，根据停抽时间和抽油时间对间歇抽油制度进行优选，通过仿真分析，结合给定的允许产量下降界限，就可以确定最长停抽周期以及所对应的抽油周期。根据示功图判断得到的油井供液情况，自动学习、逐步逼近油井的最佳间抽时间。

综上所述，本系统采用控制抽油机间歇抽油，通过间歇泵抽工作模式协调井底供排平衡，动态地选取抽油机间抽标准和停机时间，运用对比优化的方法，合理控制抽油机启停，发挥油井最大潜能，使有杆泵抽油井实现产量的最大化，能量消耗的最小化和检泵周期的最长化。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为本发明控制系统示意图；

图2为本发明控制系统产液量为1t/d油井对应的间开时间曲线图；

图3为本发明间开控制流程图。

【具体实施方式】

游梁式抽油机节能控制系统由游梁式抽油机上安装的各种传感器、变频装置和控制器组成。在电机位置安装转速传感器和电参采集模块，在抽油机上安装载荷、位移传感器，将各种传感器采集的数据发送至控制器，由控制器运算并给出最优控制策略，再将运行参数发送至变频装置，变频装置对电机进行控制，最终实现抽油机节能运行控制。

请参阅图1所示，本发明公开了一种油井间抽控制系统，其特征在于：包括抽油机、控制器和电动机，所述电动机与所述抽油机连接，用于驱动所述抽油机，所述电动机上设置有转速传感器和电参采集模块，分别用于采集所述电动机的输出轴转速以及电流电压值并发送给所述控制器，所述抽油机上设置有载荷传感器和位移传感器，所述载荷传感器和位移传感器分别与所述控制器连接，用于将所述抽油机井抽油杆载荷和位移的测量值发送给所述控制器，所述控制器经过变频装置与所述电动机连接，用于控制所述电动机的启停。

其中，游梁式抽油机油井间抽控制系统由游梁式抽油机上的载荷位移传感器、抽油机自动启停刹车装置和间抽控制器组成，所述控制器包括井口采集器、电参采集模块、RTU控制单元、显示单元、操作单元，井口采集器与RTU控制单元连接，用于将所述载荷传感器和位移传感器的采集信息发送给所述RTU控制单元，所述电参采集模块与所述RTU控制单元连接，用于将所述电流电压值发送给所述RTU控制单元，所述转速传感器与所述RTU控制单元无线连接，所述RTU控制单元与所述变频装置连接，用于将采集的信息发送给所述变频装置。

一种油井间抽控制方法，包括以下步骤：

S1、在井口悬绳器上安装载荷传感器，在游梁下方安装位移传感器，采集抽油机井抽油杆载荷和位移信息；

通过安装在井口悬绳器上的载荷传感器和游梁下方的位移传感器，对抽油机井抽油杆载荷和位移进行测量，采集载荷与时间、位移与时间曲线。通过计算获得井口示功图，采集频率根据油田产量和出液规律，确定每一口油井巡测一组示功图数据的频率，对低产井宜采用10分钟的频率，且一天采集的有效功图数不少于110张，一个冲程周期内等时间间隔测取数据组点数不少于200个。

S2、在电动机上安装转速传感器和电参采集模块，同步采集电动机输出轴的转速、电动机三相电流和电压信息；

在电动机上安装电参采集模块，通过电压和电流采集电路对电动机的三相电流、电压进行同步采集，一个冲程周期内等时间间隔测取数据组点数不少于200个。通过三相电能质量分析芯片计算电机功率。在电动机轴输出端安装转速传感器，同步采集电机输出轴转速，一个冲程周期内等时间间隔测取数据组点数不少于200个。

S3、将步骤S1和S2采集的信息发送给控制器，控制器计算电动机的参数信息后发送给变频装置，建立油井产量计算模型，根据抽油和停抽时间确定间歇抽油制度，由变频装置通过控制电流频率和工作时间控制电动机运行，进行油井间抽控制。

载荷和位移电信号通过电缆线传至井口采集器，上传至RTU控制单元进行运算求解功图数据，电参采集模块将计算的电动机功率上传至RTU控制单元，电动机轴转速通过无线传输模块将数据发送至RTU控制单元。RTU控制单元通过运算，计算电动机运行及停止时间、电动机转速、转速ω分布和电流频率f分布。并将参数发送给变频装置，变频装置通过控制电流频率、工作时间等控制电机运行，进行油井间抽控制。

油井间抽控制方法具体如下：

请参阅图3所示，利用功图法间开控制技术，实时测量载荷、位移数据，如果抽油机停机，确定抽油机当前停机时长，如果当前时长大于停机时长，启动抽油机，否则返回对载荷、位移进行实测；如果抽油机未停机，确定设定的载荷点不被包含在功图中并且该状态持续的时间是否大于设定时间，如果不大于，返回继续对载荷、位移进行实测，如果大于，则确定抽油机启动后运行的时间与最短运行时间的关系，如果启动后运行时间小于最短运行时间，返回继续对载荷、位移进行实测，如果启动后运行时间大于最短运行时间，确定抽油机启动后运行的时间与设置时间的关系，如果启动后运行时间大于设置时间，确定停机时长等于上次停机时长+步长，抽油机停机，返回实时测量载荷、位移数据，如果启动后运行时间小于设置时间，确定停机时长等于上次停机时长-步长，抽油机停机，返回实时测量载荷、位移数据。

建立油井流入特性曲线模型

根据达西定律，对于平面径向流动，单相渗流的油井产量计算模型为：

式中：h——地层有效厚度，m；r_e——油井供油边缘半径，m；r_w——井眼半径，m；k——地层渗透率，μm²；h——油层厚度，m；p_wf——流压，MPa；p_r——油层静压，MPa；p——压力，MPa；K_o——油相相对渗透率；B_o——原油体积系数，m³/m³；μ_o——地层油粘度，mPa.s。

p_wf＞p_b的情况如下：

当地层中只存在单相流动时，油井产量公式为

Q_o＝J(p_r-p_wf) (2)

式中：Q_o——油井产量，m³/d；J——采油指数，m³/(s·Pa)。

pb＞pr＞pwf的情况如下：

当饱和压力高于静压时，油井产量为

式中：Q_m为流动压力为零时的产量，m³/d。

pr＞pb＞pwf的情况如下：

当饱和压力低于静压时，油井产量为

式中：Q_b——流压等于饱和压力时的产量，m³/d；p_b——饱和压力，Pa。

对于公式(2)～(4)所示的传统油井流入特性曲线，其特征为油井产量随流压的下降而增加；随流压的增加而减少。显然，若油井遵循传统流入特性曲线，当采用间歇抽油制度时，由于液面恢复会导致流压增加，则间歇抽油制度会降低油井产量。

间歇抽油制度优选具体如下：

间歇抽油制度包括两个参数：一是停抽时间T_S；二是抽油时间T_P。

在停抽周期T_S内，井口不产液。由于油井动液面处于恢复状态，因此流压一直处于增加状态并高于连续抽油的流压，导致地层流入油套环空的液量有所降低；在抽油周期T_P内，抽油泵将油套环空内流体抽汲到油管内并举升到地面，井口产液。在抽油泵抽汲举升原油的同时，地层内流体连续流入到油套环空内。虽然抽油泵抽汲液体导致液面逐渐降低，但由于在抽油过程中，液面仍然高于连续抽油的液面，即流压高于连续抽油的流压，因此在抽油过程中，地层流入井筒的液量也有所所降低。

停抽过程中液面恢复高度的仿真模型具体如下：

在停抽周期T_S内，任意时刻液面高度满足如下方程：

式中：H_d0—连续抽油时的动液面，m；A_c—油套环空过流面积，m²；T—计算时刻，d；H_d—时刻t的动液面，m；p_wf—时刻t的流压，Pa；Q(p_wf)—时刻t与流压p_wf对应的地层流入井筒的瞬时流量，m³/d。

油井流压不仅与动液面H_d有关，而且与油藏参数、地层流入井筒的瞬时流量、井身结构有关。本项目采用多相流模型计算流压，具体计算方法见附录Ⅰ。

由上述模型可以计算出液面恢复高度H_d、流压p_wf、地层流入井筒的瞬时流量Q随时间t的变化规律，进而可以计算出如下参数：

a)停抽周期内地层流入井筒的液量相对于连续抽油流入液量所下降的百分数；

b)停抽周期末液面恢复后的高度H_dmin。

抽油周期与抽油周期内油井产量的仿真模型具体如下：

在抽油周期T_P内，任意时刻液面高度：

式中：p_s—时刻t抽油泵的沉没压力，Pa；H_dmin起抽瞬时的最小液面深度，m；Q_p(p_s)—时刻t与沉没压力p_s对应的抽油泵排量，即油井瞬时产量，m³/d。

瞬时产量Q_p(p_s)由下式计算：

式中：D—抽油泵柱塞直径，m；S—悬点冲程长度，m；n—冲次，min^-1；α—抽油泵排量系数。

抽油泵排量系数由下式计算：

α＝α_Sα_Fα_Lα_V (8)

式中：α_S—柱塞有效冲程系数；α_F—充满系数；α_L—泵的漏失系数；α_V—沉没压力条件下溶气原油的体积系数。

其中：

式中：S_pump—柱塞冲程长度，m；K—余隙系数，K＝S₀/S；S₀—余隙长度，m；R—泵吸入口气液比，m³/m³；p_s—抽油泵吸入口沉没压力，MPa；p_d—抽油泵排出口排出压力，MPa；n—天然气多变过程指数；n_w—含水率；A_P—柱塞横截面积，m²；ΔQ—在柱塞的一个冲程过程中，液体经柱塞与泵筒之间的间隙漏失量，m³；B_ops—泵吸入口条件下，泵筒内原油的体积系数；B_wps—泵吸入口条件下，水的体积系数。

柱塞与泵筒之间的间隙漏失量由下式计算：

式中：D——柱塞直径，m；Δp——上冲程柱塞上下压差，Pa；δ——柱塞与泵筒之间的平均半径内隙，m；L_C——柱塞长度，m；e——柱塞中心线相对于泵筒中心线的偏心距，m；ε——相对偏心率，ε＝e/δ；T_u——柱塞一个上冲程所对应的时间，s；μ——油井液体的动力粘度，Pa·s。

根据上述模型，可以确定如下参数：

a)抽油周期T_P：液面由H_dmin下降到连续抽油液面所经历的时间；

b)油井产量：首先计算出抽油周期T_P内的产液量，并根据停抽周期T_S和抽油周期T_P确定油井平均日产液量。

实施例

请参阅图2所示，根据间抽控制仿真模型，可算出日产液为Q＝1t/d的油井，要保证产液量损失率小于5％时，见停抽周期内流入流体平均流量及其下降率小于14个小时，正常抽汲大于8小时。

通过仿真分析，结合给定的允许产量下降界限，就可以确定最长停抽周期以及所对应的抽油周期。

以产量下降率不大于5％为标准，对不同产液量油井的间抽制度进行优选。不同产量区间的制度为：

当油井产量≤1t/d时，累计停抽时长为12小时；

当油井产量1t/d～1.5t/d时，累计停抽时长8小时；

当油井产量1.5t/d～2t/d时，累计停抽时长6小时。

在设定的初始间抽时间的基础上，根据示功图判断得到的油井供液情况，自动学习、逐步逼近油井的最佳间抽时间。油井供液能力发生变化，系统也将及时自动调整间抽时间。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。