电泵井智能化采油工艺技术研究

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　　摘要：为了探究电泵井智能化采油工艺技术的当前运用情况与下部发展契机。通过大量文献的阅读，对相关技术的国內外研究现状进行系统性综述，确立了电泵自身运行参数微调优化、生产工艺实时调节优化、大数据框架下的智能井技术三大热门研究议题。然后根据笔者多年工作经验全景展示油田电泵-智能气举管柱工艺和潜油电泵井下多参数监测工艺相关运用情况，为同行提供建设性意见。
　　关键词：油田;电潜泵;采油;监测
　　中图分类号TE93文献识别码A 文章编号：1001-5922（2019）07-0031-04
　　电潜泵采油工艺由来已久。在设备制造和现场运用上较为成熟，但在大数据和计算机技术高速发达的今天。以智能化为发展构想的数字化油田将是石油工业腾飞的契机，当前在采油工艺革新上往往的基于井下工具和配套管柱的结构性优化，不能规避“傻、大、粗”的传统石油工业壁垒。而运用高科技现代化的仪表自动化技术能全面引入大数据计算机处理的优势，全面实现智能化采油工艺技术良性发展。本文基于笔者多年工作经验，以电泵井智能化采油工艺技术为研究议题，展开相关探讨，为同行提供建设性意见。
　　1 国内外研究现状
　　电潜泵在石油开发领域运用较广，常部署于产液量较高的单井。该设备的工作原理为常规多级离心泵经过特殊处理后在耐腐蚀和耐高温方面得到显著提升。并允许有一定工作间隙以适应地层产气、出砂、结蜡以及高粘度流体多项流输送。动力配给方面运用防爆电缆在铠装保护下通过井筒连接至地面进行井下电机供电。并最终通过多级离心泵进行油气的定量举升。在塔里木油田等高产区该种采油工艺运用较为广泛，运行方式上，由于变频技术的广泛运用，节能效果显著。但是当前的控制还是以较为单一而稳定的开环为主。开环通俗来说即为输人参数与输出参数关联性弱或者毫无关联性，相应数据不联通、无反馈。所以相应的系统运行为设计设定的固定值，不能根据当前情况和动态工作参数进行实时的调整。在生产井需要调整后，只能通过上作业的方式进行人工起泵并更换油嘴或者运用频率调整的方式进行产液量的调节。在时间成本和人工成本上较高，综合可操作性繁琐。而地层出液量及其介质综合性质往往成动态变化趋势，需要实时监控并根据当前功率及其泵体出液量动态调节，以达到最大化优化生产工艺的前提下提供机泵使用寿命。而运用自动化仪表执行实时数据反馈式的闭环式调节，能在数据链共享的前提下运用相关数学模型进行系统优化和产量预测，有凭有据的通过输入得到输出，改善相应生产形势，提供系统运行效率。同时闭环控制还能进行不同智能化硬件设备和软件设备的添加，使得调整时效性得到提高，全面实现自动控制。平衡产液量与供液量等多项参数，在保证设备完好率的同时延长设备寿命。以下将通过电泵自身运行参数微调优化、生产工艺实时调节优化和大数据框架下的智能井技术三方面综合介绍电泵井智能化采油技术现状。为后续研究做理论支撑。
　　1.1电泵自身运行参数微调优化
　　上文已经提及，通过人工启下泵并更换不同规格的油嘴和通过调整电机频率能进行机泵运行参数的微调。但是在简单实用的前提下需要考虑作业成本和误工率的影响。同时人工更换的油嘴会因为原油结蜡导致流油孔面积减小而诱发流道柱塞，最终在历史时间推移下相应的电潜泵运行参数会发生变化而导致调整失效。所以该种工序的有效性较小。而通过调整工作频率的方式由于受到动力设备的影响往往调节域度较小，只能进行档位式切换调整，精确性有限。
　　相关理论研究发现，当前的变频调节没有一套数学理论进行有效支撑，只能近似的认为变频频率和排量成线性关系，但后续的变化会因为地层的出砂、岩石物性、地层能量和油嘴节流性质等多重因素制约影响。必须系统分析相关因素的互为关联性，将其视为一个灰色系统。全面进行数学建模式的预测分析。
　　1.2生产工艺实时调节优化
　　当前运用大数据结合数学算法的软/硬件结合式的油气田自动化调节技术已经研发、试运和量化投产。但是如何进行自控仪表的升级和稳定的数据传输并充分分析利用相关数据对于石油工程领域来说还尚属起步。根据相关文献调研，国外早在2001年Schlumberger公司就通过AAL项目进行了美国本土控制中心远程遥控印尼油气田工况，并基于当前不同参数进行算法分析与专家会诊。最终确定调控方案并通过控制中心指令式调节达到油气田生产形式优化。在国内当前各大油田和高校都开展有数字化油田项目，其中地质工程一体化已经做的相当成熟。而基于更先进的机电设备进行相应调控更是得到原创性飞跃。但是相关实践环节因为各种不同意外因素而导致进展缓慢。
　　1.3大数据框架下的智能井技术
　　智能井的构想由来已久，但是不同的技术阶段和现场需求框架下的定义有所不同。当前最新的智能井定义已经从单一的单井优化上升到井网和油组的网格化分析，在实时注采管理网络帮助下运用多功能井下传感器矩阵进行电缆传输式的动态多变量大数据获取、传输与分析。综合判定井下设备及其油层出力情况，为后续的计算机数学建模与信息共享奠定基础。充分利用信息反馈机制科学提高工区产量。
　　从智能井运用范畴来讲主要可以分为实时监测和动态控制两个模块化概念。顾名思义，运用实时监测平台能有效获取相关的有用可测物理量，并进行数据的存储与分析。而井下高温、高压的复杂环境会对信息的采集和传输带来较大干扰，所以基于可靠性仪表设備和数据传输方式的研究需要跟进。当前现场数据的主要传输媒介为电缆或光纤，而井下也运用多种传感器进行不同工况下的工作，通常为电子传感器能有效测量油层中流体的相关参数，光纤的传输精度能达到最高。动态控制模块主要核心为井下生产控制系统，现场的机械部件动作主要依靠电缆和水力传感两种操作方式进行井下封隔器、节流阀和控制分支井筒相应密封开关的灵活动作。做好相应调整后地面数据中心就会收到相应的反馈和成效分析，方便技术人员下步连续性调整。
　　根据当前已经运用的智能井系统可以看出井下作业成本有效降低。所以采取以修井干预保护原则的智能井控制运用是当前该领域运用的主要目的，能产生大约20%的成本节余。但是继续开发基于地质层面的多重智能井调控技术经济利益潜能巨大。 　　2 油田电泵-智能气举管柱工艺
　　油田由于采油气面积有限，所以大规模运用电潜泵进行开采，其中在智能化气举上运用了电泵-智能气举管柱工艺。该工艺主要涵盖电潜泵、液流换向阀、智能气举阀等相关硬件设备。其中在电潜泵端进行了液流换向阀的加装，并在管柱上部设置有智能气举阀和相应检测设备。运用该种管柱进行协调生产时可以综合运用地层气和注入气实现能量平衡式的举升开采。而智能化的气举阀能根据当前温度、压力和流量进行进气量的拟合式精确调节，并实现预测式标定，实时判断相应固定部件好坏情况。该种工艺不需要使用额外电能，工艺流程简单可靠，适应能力广。当前主要研究为耦合举升计算软件功能性和精确性的提升。确保井下泵体工况和相应延伸性参数准确无误。同时如何通过电潜泵控制系统实现频率调节和气嘴开度调控也是当前研究的主要议题。多重可测物理量的匹配性分析与调节是实现系统平稳化和能耗最小化的前提优势。通过计算机技术实现闭环控制能在举升效率的同时确保综合解决油气同采时的机泵负荷过大导致的设备寿命短等问题。
　　以下为该种工艺工作原理：通过图1气举耦合举升管柱图可以看出该管柱设计能充分利用气举优势实现电潜泵能耗动态调控，以完成井下液的采出。该工艺设计为油层与气层由生产滑套控制，如若地层压力充足则打开油层相应装置，关闭气层生产滑套，产出气通过油套环空顶开智能气举阀并以一定流量进入油管内部，运用动能将产出液驱替至地面。如若地层压力不足，相关传感器进行相关物理量收集核算后指挥电潜泵开始工作完成余能补充。最终达到井液举升开采的目的。
　　下面是主动地面注气进行气举开采的举升管柱图2所示。同样生产滑套起到了分层开采的目的，在此不同的是，通过地面管柱的加压触发封隔器开启注气阀。地面高动能气体通过电缆封隔器引入到相关位置并最终触发管柱内部压力体系变化完成液柱的举升工作。同样井下配备了一定规格的电潜泵，以起到综合保障的目的。
　　综上所述，该种基于电潜泵和简单井下管柱的智能化采油工艺能充分运用地下天然气能量，完成单井全生命周期的开采工作。通常新井能量充足，直接运用自喷方式生产能达到较好效果。但随着开发的深入，地层能量骤降，通过相关仪器仪表进行测定后远程控制打字井下智能设备-气举阀，通过相应的气举方式继续进行开采，同时在开采过程中还能基于开采程度和相关参数进行气举阀开度的调节以达到稳定产量的目的。进一步随着地层能量下降开始启动电潜泵采取气举+电泵耦合举升的复合式开发方式进行生产运行，直到地下能量的完全消耗殆尽。这时地面的相关注气设施开始启动进行能量补充，完成上一阶段的重复性开采。通过现场运用发现，该种工艺设计能全面延长电潜泵等动设备寿命，在开发效率最佳的前提下达到经济效率最优。在人力资源和时间成本上占有巨大优势。
　　3 潜油电泵井下多参数监测工艺
　　智能化采油的基础即为数据的实时采集与传输。在此潜油电泵井下多参数监测设备结合了机械端与传输端，在一体化构想制造下完成相应可测物理量的全时段不间断采集、传输与处理。该设备制造精度较高能适应复杂环境下的多重井下情况，能有效监控机泵的电机温度、人口/出口压力、机械振动、电机功率等直接参数。地面相关人员根据这些工作参数进行相应的分析并最终制定切实有效的电潜泵采油工作运行频次，综合帮助生产。潜油电泵井下监测仪结构简单主要由上下接头、测试内筒、外筒、滤波装置（变频消压器）、测试杯（放置功能电路）几大元件组成如图3所示。细节上上接头连接在井下电机底部，下接头用来连接扩展的其他附属装置如扶正器等。
　　相关一体化测试设备选择至电潜泵下端。供电直接联人电潜泵动力端共享，并配备由地面引入的三相星点等势备用电源，相关信号获取后通过电信号转换运用电流环闭合回路的原理依托三相铠装电缆的金属铠皮进行数据回传。实现相关部件最省前提下的多重功能充分运用。为保证数据精确性便于计算机分析，在此设置有滤波装置充分规避电潜泵供电端三相异步电机变频运行过程中产生的共模电压与高次谐波影响。
　　地面控制系统主要由人工星点（三相电抗器）、地面滤波器、数据采集处理单元等核心部件组成。其中人工星点具有较强的作用，该种装置主要为人为设定的一种三相电抗器装置。工作运行过程中相关元器件能与潜液泵电机端的三相绕组协同构成物理上的三相星点等势位，从而达到运行过程中的参数化均衡。而相关的地面滤波器能最大限度的预防电机星点端生产的共模电压式额外干扰，充分保障数据精确性。数据采集模块主要运用了MCU微控制器和相应软构件系统保障运行的容错性。充分拟合不同阶段井下传输而来的电流信号，并最终转换成数字量化数据。而最新配备的无线模块能充分保障电缆断裂后数据不丢失，確保大数据库的完善。
　　4 结论
　　综上所述，电泵井智能化采油工艺需要井下管柱的科学设计与多参数稳定采集监测系统的稳定运行。在“信息”与“指挥”上达到协调性统一。全面保证采油工艺系统的完善性与高效性。其中以智能气举管柱工艺为例的叙述中限于篇幅考虑没有展示相关运用成果性参数。但相关元器件原理高效可行，下步应基于材料力学和流体力学的发展进行进一步基础研究。全面优化相关井下工具可靠性。在多参数监测工艺介绍中系统展示了当前井下监测仪结构的结构、工作方式与悬挂位置。下步将在信号抗干扰和数据处理上进行深入研究。为地质工程一体化的油气田开采在立新功。
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