CN107358012B - 一种抽油机系统的效率评价及优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种抽油机系统的效率评价及优化控制方法。所述方法包括：实时采集抽油机系统的监测数据；根据实时采集的监测数据，计算三个层次的9个效率值；根据所述效率值的大小，对抽油机系统进行效率评价及分层次优化控制。本发明实现了对抽油机系统效率的实时评价及优化控制，解决了现有技术中存在的由于采用单独系统效率分析仪，或采用系统效率评价软件平台进行效率评价，评价方法单一，而且不能实时评价抽油机系统效率并根据效率大小对抽油机系统进行优化控制的问题。

Description

一种抽油机系统的效率评价及优化控制方法

技术领域

本发明属于自动化采油的技术领域，具体涉及一种抽油机系统的效率评价及优化控制方法。

背景技术

抽油机俗称磕头机，是石油开采中的必备设备。一般每个原油生产井都至少使用一台抽油机，将深藏在地下或海水中的石油通过抽油管抽出。工作时，电机将高速旋转运动通过传动皮带和减速箱传给曲柄轴，带动曲柄做低速旋转。曲柄通过连杆经横梁带动游梁进行上下摆动。挂在驴头上的悬绳器带动油泵内的抽油杆(也叫光杆)进行往复运动，从而将地下的油抽上来并由油管导出。

自动化抽油机系统还包括一个实现自动控制功能的控制器。所述控制器主要由中央处理器单元、传感器模块、数据采集模块、无线通信模块及显示模块等组成。所述控制器在中央处理器单元的控制下，实时采集传感器模块输出的现场数据，并对现场采集的数据进行处理，输出控制信号控制抽油机系统的工作。还能通过无线通信模块将采集的现场数据传递到远离现场的控制中心。

抽油机系统效率评价对于抽油系统节能高效的生产具有重要的指导意义。目前对于抽油机系统效率评价尚处于非自动化阶段，采用单独系统效率分析仪或采用系统效率评价软件平台进行效率评价，评价方法较为单一，而且不能实时评价抽油机系统效率，更不能根据效率评价结果对抽油机系统进行优化控制。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种抽油机系统的效率评价及优化控制方法，根据实时计算得到的不同层次的效率，对抽油机系统的效率进行评价和优化控制。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种抽油机系统的效率评价及优化控制方法，包括：

实时采集抽油机系统的监测数据；

根据实时采集的监测数据，计算三个层次的9个效率值：系统效率；地面效率，井下效率；电机效率、电机传动机构效率、四连杆效率，光杆效率、抽油泵效率、油管效率；

根据所述效率值的大小，对抽油机系统进行效率评价及分层次优化控制：根据地面和井下具体装置效率的大小，通过控制器直接调整控制参数或提示技术人员进行检修；根据地面效率和井下效率的大小，提示检查并修改油井地面装置和井下装置的方案设计；根据系统总效率的大小，评价油井效率等级，并针对不同等级提出建议。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过根据实时采集的监测数据计算抽油机系统三个层次的9个效率值，根据所述效率值的大小对抽油机系统进行效率评价及分层次优化控制，实现了对抽油机系统效率的实时评价及优化控制。本发明解决了现有技术中存在的采用单独系统效率分析仪，或采用系统效率评价软件平台进行效率评价，评价方法单一，而且不能实时评价抽油机系统效率并根据效率大小对抽油机系统进行优化控制的问题。

附图说明

图1为本发明实施例所涉及的抽油机系统三个层次9个效率的分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例一种抽油机系统的效率评价及优化控制方法，所述方法包括在抽油机控制器中央处理器单元中运行的以下步骤：

步骤101，实时采集抽油机系统的监测数据；

在本步骤中，利用抽油机控制器的数据采集模块实时采集传感器模块输出的实时数据。比如：从光杆载荷传感器和光杆位移传感器采集的光杆载荷和位移，从电机三相输入绕组上采集的感想电压电流瞬时值，从扭矩传感器采集的电机输出轴的扭矩等。

步骤102，根据实时采集的监测数据，计算三个层次的9个效率值：系统效率；地面效率，井下效率；电机效率、电机传动机构效率、四连杆效率，光杆效率、抽油泵效率、油管效率；

在本步骤中，根据步骤101实时采集的数据以及抽油机的参数，计算抽油机系统三个层次的9个效率值。三个层次9个效率的分布图如图1所示，第一层即最高层为系统效率；第二层即中间层为地面效率和井下效率；第三层即最低层为属于地面装置的电机效率、电机传动机构效率、四连杆效率，以及属于井下装置的光杆效率、抽油泵效率、油管效率。

步骤103，根据所述效率值的大小，对抽油机系统进行效率评价及优化控制。

在本步骤中，根据步骤102计算得到的三个层次的9个效率值对抽油机系统进行效率评价及优化控制。根据最高层的系统效率的大小，评价油井效率等级，并针对不同等级提出相应的建议；根据地面具体装置效率的大小和井下具体装置效率的大小，通过控制器直接调整控制参数或提示技术人员进行检修；根据地面效率的大小和井下效率的大小，提示检查并修改地面装置和井下装置方案设计。

作为一种可选实施例，计算所述9个效率的值的方法包括：

步骤1，计算电机效率η₁。

电机输入功率P₁为：

P_1i＝U_AiI_Aicosφ+U_BiI_Bicosφ+U_CiI_Cicosφ

式中，U_Ai、U_Bi、U_Ci、I_Ai、I_Bi、I_Ci为从电机三相输入绕组上采集的第i个三相输入电压电流的瞬时值；N₁为数据点数；cosφ为功率因数，通过计算某相电压电流峰值点的时差求所述电压电流的相位差得到。

电机输出功率P₂为：

式中，M_电为由扭矩传感器测得的电机输出轴的扭矩；n_电为由转速传感器测得的电机轴的转速。实际计算时可通过类似P₁的求解方法即求瞬时采集值的平均值得到M_电和n_电。

电机效率η₁为：

步骤2，计算电机传动机构效率η₂。

电机传动机构的输入功率等于电机输出功率P₂；

电机传动机构的输出功率即曲柄转轴的输出功率P₃：

式中，T为抽油机每个冲程所用时间；M_i为从曲柄扭矩传感器采集的第i个扭矩值；N₂为每个冲程内采集的数据点数；

电机传动机构的效率η₂为：

步骤3，计算四连杆效率η₃。

四连杆的输入功率即曲柄的输入功率，等于电机传动机构的输出功率P₃；

四连杆输出功率即驴头的输出功率，等于光杆的输入功率P₄：

式中，n为实测光杆冲次，单位为1/分；F_i和S_i分别为从光杆载荷传感器和光杆位移传感器采集的第i个数据；N₃为数据点数；A为根据F_i和S_i得到的示功图的面积；

四连杆效率η₃为：

步骤4，计算地面效率η_地面。

地面效率等于光杆输出功率P₄与电机输入功率P₁的比：

步骤5，计算光杆效率η₄。

光杆输入功率为P₄；

光杆输出功率P₅的求解方法如下：

根据Gibbs提出的带粘滞阻尼的波动方程，列出光杆载荷和位移满足的偏微分方程，解所述偏微分方程，将由光杆载荷传感器和光杆位移传感器实际测得的示功图转化为油泵示功图；根据所述油泵示功图按照光杆输入功率P₄的求解方法得到P₅。具体求解方法可参考彭勇、闫文辉和王仕伍于2017年09月发表在《钻采工艺》上的“有杆抽油系统泵功图计算的一种快速递推法”。

光杆效率η₄为：

步骤6，计算抽油泵效率η₅；

根据油泵示功图进一步得到油井日产液量Q、抽油泵的漏失Q_漏失(抽油泵在运动过程中，由于设计间隙等原因导致的液量损失与理论产液量之比)、光杆的有效冲程和冲程损失S_损失(由光杆和油管的弹性变形引起的冲程损失与抽油机的冲程之比)。具体求解方法可参考2015年西安石油大学王小强的硕士学位论文“低产井功图量油技术研究”的第3章。

抽油泵效率η₅等于光杆的有效冲程与抽油机的冲程之比。

步骤7，计算油管效率η₆。

油管输入功率等于光杆输出功率P₅；

油管输出功率P₆为：

式中，Q为油井日产液量，单位为立方米；H为有效扬程，即抽油泵对井下液体提升的有效高度；P_t为采集安装在井口出油管道上的压力表数据得到的井口油管压力；P_c为采集安装在井口套管处的压力表数据得到的井口套管压力；P_t和P_c的单位为MPa；L_bs为泵挂深度；ρ_jy为油井液体密度，ρ_o为原油密度；L_f为动液面深度；f_zs为柱塞横截面积；g为重力加速度；F_szo为在下行程死机位置采集光杆载荷传感器得到的下停机载荷；F_xzo为在上行程死机位置采集光杆载荷传感器得到的上停机载荷；

油管效率η₆为：

步骤8，计算井下效率η_井下。

井下效率等于油管输出功率与光杆输入功率的比：

步骤9，计算系统效率η。

系统效率等于油管输出功率与电机输入功率的比：

上述没有标注单位的物理量均采用国际标准单位。

作为一种可选实施例，根据所述效率值的大小对抽油机系统进行效率评价的方法包括：

当系统效率η＜0.1时，评为特低效油井，提示停井检修或更换设备；当0.1≤η＜0.16时，评为低效油井，提示重新进行系统设计；当0.16≤η＜0.22时，评为合格油井，提示持续生产；当η≥0.22时，评为高效油井，提示重点保障并考虑进一步增产。

作为一种可选实施例，根据所述效率值的大小对抽油机系统进行优化控制的方法包括：

根据地面装置效率(电机效率、电机传动机构效率和四连杆效率)和井下装置效率(光杆效率、抽油泵效率和油管效率)进行优化控制：

当电机效率η₁＜0.7，且抽油泵效率η₅≥0.4时，通过提高电机转速提高光杆冲次；当η₁＜0.7，且η₅＜0.4时，提高光杆冲次并开启间抽模式(间抽是指针对产液量不足的油井，通过对油井产液量的综合分析，制定科学的间抽周期，并合理的启停抽油设备，达到节能降耗的目的)；

当η₅＜0.4，且电机负载率η_电＜0.4时，开启间抽模式；当η₅＜0.4，且η_电＞0.5时，通过降低电机转速降低光杆冲次以降低电机负载率；电机负载率η_电等于电机输入功率与电机额定功率的比；

当电机传动机构效率η₂发生突变即变化幅度超过设定的阈值时，提示立即停机检修；当η₂逐渐下降至小于0.85时，提示更换皮带、增添减速箱润滑油；

当四连杆效率η₃＜0.7时，提示检查抽油机平衡状态以及抽油机游梁安装状态；

当光杆效率η₄＜0.9时，提示采取降低油井磨阻措施；当光杆输出功率P₅逐渐增大时，提示油井含水率上升；当P₅逐渐减小时，提示油井含水率下降；当P₅的变化幅度超过5％时，提示油井异常并立即进行检修；

当油管效率η₆＜0.85，且油泵漏失Q_漏失≤0.15、光杆弹性损失S_损失≤0.35时，提示检修油管漏失故障；当η₆＜0.85，且Q_漏失＞0.15时，提示检修油泵漏失故障；当η₆＜0.85，且S_损失＞0.35时，提示检查油井含气量和光杆；

根据地面效率和井下效率进行优化控制：

当地面效率η_地面＜0.45，提示检查并修改油井地面装置方案设计；当井下效率η_井下＜0.4时，提示检查并修改油井地下装置设计方案。

上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种抽油机系统的效率评价及优化控制方法，其特征在于，包括：

实时采集抽油机系统的监测数据；

根据实时采集的监测数据，计算三个层次的9个效率值：系统效率；地面效率，井下效率；电机效率、电机传动机构效率、四连杆效率，光杆效率、抽油泵效率、油管效率；

根据所述效率值的大小，对抽油机系统进行效率评价及分层次优化控制；

根据所述效率值的大小对抽油机系统进行分层次优化控制的方法包括：

根据地面装置效率和井下装置效率进行优化控制：

当电机效率η₁＜0.7，且抽油泵效率η₅≥0.4时，通过提高电机转速提高光杆冲次；当η₁＜0.7，且η₅＜0.4时，提高光杆冲次并开启间抽模式；

当η₅＜0.4，且电机负载率η_电＜0.4时，开启间抽模式；当η₅＜0.4，且η_电＞0.5时，通过降低电机转速降低光杆冲次以降低电机负载率；电机负载率η_电等于电机输入功率P₁与电机额定功率的比；

当电机传动机构效率η₂发生突变即变化幅度超过设定的阈值时，提示立即停机检修；当η₂逐渐下降至小于0.85时，提示更换皮带、增添减速箱润滑油；

当四连杆效率η₃＜0.7时，提示检查抽油机平衡状态以及抽油机游梁安装状态；

当光杆效率η₄＜0.9时，提示采取降低油井磨阻措施；当光杆输出功率P₅逐渐增大时，提示油井含水率上升；当P₅逐渐减小时，提示油井含水率下降；当P₅的变化幅度超过5％时，提示油井异常并立即进行检修；

当油管效率η₆＜0.85，且油泵漏失Q_漏失≤0.15、光杆弹性损失S_损失≤0.35时，提示检修油管漏失故障；当η₆＜0.85，且Q_漏失＞0.15时，提示检修油泵漏失故障；当η₆＜0.85，且S_损失＞0.35时，提示检查油井含气量和光杆；

根据地面效率和井下效率进行优化控制：

当地面效率η_地面＜0.45，提示检查并修改油井地面装置方案设计；当井下效率η_井下＜0.4时，提示检查并修改油井地下装置设计方案。

2.根据权利要求1所述的抽油机系统的效率评价及优化控制方法，其特征在于，计算三个层次的9个效率值的方法包括：

步骤1，计算电机效率η₁；

电机输入功率P₁为：

P_1i＝U_AiI_Aicosφ+U_BiI_Bicosφ+U_CiI_Cicosφ

式中，U_Ai、U_Bi、U_Ci、I_Ai、I_Bi、I_Ci为从电机三相输入绕组上采集的第i个三相输入电压电流的瞬时值；N₁为数据点数；cosφ为功率因数，通过求某相电压电流的相位差获得；

电机输出功率P₂为：

式中，M_电为由扭矩传感器测得的电机输出轴的扭矩；n_电为由转速传感器测得的电机轴的转速；

电机效率η₁为：

步骤2，计算电机传动机构效率η₂；

电机传动机构的输入功率等于电机输出功率P₂；

电机传动机构的输出功率即曲柄转轴的输出功率P₃：

式中，T为抽油机每个冲程所用时间；M_i为从曲柄扭矩传感器采集的第i个扭矩值；N₂为每个冲程内采集的数据点数；

电机传动机构的效率η₂为：

步骤3，计算四连杆效率η₃；

四连杆的输入功率即曲柄的输入功率，等于电机传动机构的输出功率P₃；

四连杆输出功率即驴头的输出功率，等于光杆的输入功率P₄：

式中，n为实测光杆冲次，单位为1/分；F_i和S_i分别为从光杆载荷传感器和光杆位移传感器采集的第i个数据；N₃为数据点数；A为根据F_i和S_i得到的示功图的面积；

四连杆效率η₃为：

步骤4，计算地面效率η_地面；

地面效率等于光杆输出功率P₄与电机输入功率P₁的比：

步骤5，计算光杆效率η₄；

光杆输入功率为P₄；

光杆输出功率P₅的求解方法如下：

根据Gibbs提出的带粘滞阻尼的波动方程，列出光杆载荷和光杆位移满足的偏微分方程，解所述偏微分方程，将由光杆载荷传感器和光杆位移传感器实际测得的示功图转化为油泵示功图；根据所述油泵示功图按照光杆输入功率P₄的求解方法得到P₅；

光杆效率η₄为：

步骤6，计算抽油泵效率η₅；

根据油泵示功图进一步得到油井日产液量Q、抽油泵的漏失Q_漏失、抽油泵的有效冲程和冲程损失S_损失；

抽油泵效率η₅等于抽油泵的有效冲程与冲程之比；

步骤7，计算油管效率η₆；

油管输入功率等于光杆输出功率P₅；

油管输出功率P₆为：

式中，Q为油井日产液量，单位为立方米；H为有效扬程，即抽油泵对井下液体提升的有效高度；P_t为采集安装在井口出油管道上的压力表数据得到的井口油管压力；P_c为采集安装在井口套管处的压力表数据得到的井口套管压力；P_t和P_c的单位均为MPa；L_bs为泵挂深度；ρ_jy为油井液体密度，ρ_o为原油密度；L_f为动液面深度；f_zs为柱塞横截面积；g为重力加速度；F_szo为在下行程死机位置采集光杆载荷传感器得到的下停机载荷；F_xzo为在上行程死机位置采集光杆载荷传感器得到的上停机载荷；

油管效率η₆为：

步骤8，计算井下效率η_井下；

井下效率等于油管输出功率与光杆输入功率的比：

步骤9，计算系统效率η；

系统效率等于油管输出功率与电机输入功率的比：

上述没有标注单位的物理量均采用国际标准单位。

3.根据权利要求2所述的抽油机系统的效率评价及优化控制方法，其特征在于，根据所述效率值的大小对抽油机系统进行效率评价的方法包括：

当系统效率η＜0.1时，评为特低效油井，提示停井检修或更换设备；当0.1≤η＜0.16时，评为低效油井，提示重新进行系统设计；当0.16≤η＜0.22时，评为合格油井，提示持续生产；当η≥0.22时，评为高效油井，提示重点保障并考虑进一步增产。

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