数字化抽油机技术发展现状及趋势

1、数字化抽油机技术发展现状及趋势 【点击上面 蓝字 能源情报 关注我们。推荐和投稿：】能源情报通知：专业微信群：1.石化和煤化工新机会；2.石油和天然气产业链；3.电力及未来能源天地。【交易】是能源情报新推出的固定栏目，持续征集项目信息、投融资需求、人力资源服务和需求以及其他供需服务信息，请有意者联系我们。运营者个人微信：xudongEN。能源情报圈QQ群（377701955），有兴趣者欢迎加入。加入微信群和QQ群，请提交：名字+公司+职务+详细联系方式+愿意加入的群。文/金钟辉 彭 勇 费凡 王 刚，西安石油大学 长庆油田公司第二采油厂 山东德仕公司 数字化技术在过去的 40 年已经从采集数据发展到在线分析和自动优化及控制。世界上最大的数字化油田在科威特石油公司，该公司的数字化项目使公司缩短了 50% 以上的非生产时间，还将油田的 HSE 标准提高到一个更高的水平，而且在工程软件的协助下，工程师可以更有效地对生产经营流程做出决策。数字采油技术可以增加 3% 4%的预期效益，提高原油采收率 5% 10% 和生产效率 20% 30%，同时降低运营成本。传统的抽油机存在系统效率低和能耗高等问

2、题，抽油机的数字化智能化对油田生产具有重要意义。数字化抽油机主要指具备信息自动采集和自动控制功能的抽油机，它能够实现对抽油机工作状态的远程监测、优化和控制。国内目前主要有智能抽油机、数字化抽油机和自适应自学功能抽油机等。 1 国外现状 国外油田智能化生产技术分为智能抽油机、智能井技术和抽油机井系统优化设计 3 个部分。在智能井的基础上通过抽油井系统优化软件分析，进一步实现智能抽油机的控制，具有较高的系统效率。 智能井是一种多功能的系统完井方式，它允许操作者通过远程操作的完井系统来检测、控制和生产原油，其主要作用是优化油井生产，最大限度地降低能耗，提高油层采油率。目前，Welldynamics公司在智能井技术方面处于世界领先水平，该公司的 Smart Well 系统包括地面控制系统、控制系统和井下设备等部分。地面控制系统能手动或自动检测和控制多口井的计算机系统，如 SDACS 井控制器;控制系统包括 Direct Hydraulics、Digital Hydraulics和 SCAMS 系统，可控制和从井下设备获得信息;井下设备 ( 层断控制阀封隔器和传感器等) 占有世界智能井安装市场的

3、 60%。 抽油机井系统优化设计软件可通过分析采集参数，对油田的生产状态提出优化建议。斯伦贝谢公司研发的 Pipesim 软件是用于油藏、井筒和地面管网一体化模拟与优化的设计分析系统。该系统可通过对不同流体生产井油藏、井筒和地面条件的模拟、分析和优化来完成单井的设计分析计算; 还可对区块单井组成的管网进行模拟和分析计算，从宏观上研究单井对整个管网的影响，从而提出对单井的治理措施。该系统可进行单井/单管生产模拟、节点分析、水平井及分支井计算模拟。该软件在同类软件中市场占有率高达 75%，是油气领域内很先进的油气生产优化系统和稳态的多向流模拟工具。 拉夫金自动化公司联合 Delta X 和 Nabla 生产的智能抽油机系统，具有地面示功图、井下示功图、空抽和电机功率控制等功能。其专利算法可以对抽油机每个冲程的地下示功图进行计算，准确地控制和分析有杆泵系统，并进行管理。该公司的抽油机井管理系统 egen 采用变频器实现速度精确控制，并吸收泵循环中产生的负功，全面提高抽油泵的效率。其控制系统传感器包括载荷传感器、角位移传感器、钳形梁传感器和曲柄轴扭矩传感器。 2 国内现状 2. 1 换向智能抽

4、油机 该类抽油机主要采用智能模拟及数字混合控制，以功率因数约等于 1 的开关磁阻电机作为原动机，通过电机的正反转，带动执行机构完成抽油机的上行与下行，具有传动线路短、效率高、启动换向平稳、冲击小、冲程、冲次可分别进行无级调节，光杆上行、下行可实现独立控制等特点。与传统抽油机相比，电动机换向智能抽油机和无功换向智能抽油机的系统效率有较大的提高。 2. 2 间歇式智能抽油机 该类抽油机主要采用高分辨率传感器检测抽油机各项电参数、载荷及相位角，利用采集的数据对预置在芯片里的具有广域代表性的数学模型进行个性化修正，找出真实反映每台抽油机实际运行情况的电流、功率及载荷的变化规律，合理地优化抽油机启停和间抽的控制，保证合理的沉没度，达到高效节能生产的目的。目前国内有间歇式智能抽油机和智能提捞抽油机等产品。现场试验结果表明，间抽能够避免空抽的发生，在供液能力较差的井区，平均节约能量 55%; 智能间抽控制能够确保动液面达到较低的平均液面，正常情况下可增产 1% 4%。 2. 3 长冲程智能抽油机 该类抽油机可分为游梁式和无游梁式 2 种。长冲程无游梁式抽油机是我国长冲程抽油机的主要发展方向。如在长庆

5、油田应用的 WCYJK6 5 10Z型长冲程智能抽油机和在冀东油田应用的 JP-CYJD 型长冲程智能抽油机，都是无游梁式结构。该类抽油机采用智能模拟数字混合控制的调速换向电机，来解决由于电机频繁换向启动带来的寿命和可靠性问题，可以在不停机的工况下实现无级调整冲程和冲次。应用结果表明，该类型抽油机比传统游梁式抽油机平均节电 32. 7%，但其结构相对复杂，维护成本较高。 2. 4 自适应自学习抽油机 针对供液能力不足的油井，自学习智能抽油机的控制系统可对井下相对原始条件下以及正常工作条件下抽油机电机各项参数不断进行采集学习，在无液面测量仪情况下对动液面进行监测和控制。通过变频调速使冲次与油井供液能力相匹配，提高抽油机的系统效率。井况自适应抽油机可根据电机扭矩的大小判断当前井况，由井况控制系统对冲次进行调节，从而实现对油井的自适应。井况自适应抽油机比同型号的游梁式抽油机系统效率提高 26. 10%，平均日产液量提高 26. 14%。 2. 5 第 2 代数字化抽油机 该型数字化抽油机在传统游梁式抽油机的基础上，增添了平衡调节装置和控制箱，可以手动或自动调整抽油机平衡和冲次，具有数字化抽油

6、机远程监测和控制功能，促进了数字化油田的发展。与传统抽油机相比，虽然应用后产量变化不大，但含水质量分数下降 6%，系统效率提高 2. 3%，综合节电率达到 34. 7%。 3 存在的问题 3. 1 功能 我国数字化抽油机的发展还处于起步阶段，大部分数字化设备仅实现了部分功能的数字化，不能满足数字化油田大发展的需求。第 2 代数字化抽油机虽然基本实现了自动化，但是远远不能满足油田生产复杂工况需要。 3. 2 应用 相关技术在油田应用尚不成熟，技术研发未能与油田生产相结合，影响了数字化抽油机应用效果。由于油田生产任务需要以及管理和环境限制，部分数字化抽油机依然在工频状态下运转，冲次的自动调节技术未能很好地发挥作用; 部分数字化抽油机采用平衡电机驱动平衡配重，由于机构本身的限制和部分电机故障，导致大量平衡机构不能完成平衡调整; 部分油井供液能力已严重不足，但由于没有直观的报警和提示系统，所以出现了空抽现象。 3. 3 技术 目前数字化抽油机广泛使用电流法测平衡，但应用该方法不能分辨电流正负从而引起误判，并且电流等参数的测量和处理方法不够精细，更增大了误判概率，降低了测量的准确度。平衡机构在运

7、动过程中需要消耗能量且不能实现实时平衡，发电状态产生的能量被电阻以热的形式消耗，不能满足油田实时平衡和节能高效发展的需要; 变频器自身的效率问题以及工作中产生的电压谐波等问题严重影响着抽油机系统的效率和使用寿命。 4 发展趋势 针对我国油气田开发现状，为满足数字化油田建设的需要，数字化抽油机应向高效率、低能耗和智能化方向发展。研制具有长冲程、自动精确调参、远程控制、智能优化控制以及故障诊断等功能的高适应性抽油机是我国数字化抽油机发展的主要方向。对低渗透等供液严重不足的油井，应着重于抽油机的智能间抽功能，对于供液能力较强的油井，应着重发展长冲程低冲次抽油机。具体如下。 4. 1 自动化和智能化 自动化是指抽油机在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断和操纵控制，达到预期生产目标的过程。 智能化是指将现代通信与信息技术、计算机网络技术、智能控制技术与抽油机技术相结合进行应用。自动化与智能化技术的作用与功能: 抽油机井数据的采集传输，冲程、冲次、平衡和启停的自动化控制与调节; 在设定工作目标下，智能系统可确保抽油机在最优参数下运行，实现抽油机智能化控制和管

8、理; 在不确定性推理、神经网络和示功图分析技术的基础上，实现数字化抽油机的智能故障诊断，从而提高抽油机的维修效率，降低维修成本。 4. 2 远程控制与无线控制 远程控制是指管理人员在异地通过计算机网络实现对抽油机的控制，将抽油机控制器采集的数据显示到自己的计算机上，通过计算机对抽油机进行监测、控制、软件安装程序等工作。无线控制是用无线遥测遥控终端设备取代现场总线，采用无线技术完成抽油机设备的调试、程序下载、故障诊断等工作。采用远程控制和无线控制技术可以避免人机直接接触，提高抽油机管理和控制系统安装的效率。 4. 3 系统化与低能耗 系统化指以油田生产系统为对象，设定目标进行优化生产。抽油机生产管理应该系统化，实现油藏、井筒和地面 3 个阶段相互衔接，通过系统的优化实现抽油机设备的效率最大化。降低抽油机能耗的方法: 利用变频控制系统实时调整工作参数，提高电机功率因数，减小供电电流，实现电机的软启动，减小冲击; 利用公用直流母线变频技术、变频器加能量回馈单元及四象限变频器技术等降低无功功率，提高抽油机效率。数字化抽油机应将系统化与低能耗相结合，进一步实现系统效率的最大化。 4. 4 精细化

9、管理 精细化管理建立在常规管理的基础上，将常规管理引向深入的基本思想和管理模式，是一种最大限度地减少由于管理造成的资源浪费的管理方式。 数字化抽油机的精细化管理为: 对抽油机工作电参、油井供液能力、温度和压力等参数的实时准确测量; 平衡、冲次、间抽和系统故障的实时判断和合理控制; 根据电网负载的变化，实时管理抽油机的工作状态; 根据油井的供排关系实时对抽油机生产进行优化。通过精细化管理可使抽油机始终保持最佳工作状态，促使设备效率的最大化发挥，减少不必要的浪费。 4. 5 设备专用化与标准化 抽油机设备专用化指减速器、电机和变频器的专用化。实现专用化后，在不间歇工作、大负载且润滑难保证、电机出现发电状态、电网变化和变频控制情况下，可保证抽油机和电机的效率及使用寿命，实现母线的拓展性，对电压谐波的控制和电参采集的准确性并保证系统效率。标准化指对抽油机的零件、工作性能、井场设备和仪表通信方式、设备的驱动软件、上层应用程序以及站控程序采用统一的标准，这样可以降低安装、调试、培训以及管理人员的工作强度，提高油田生产效率。 4. 6 模块化与通用化 抽油机产品模块化设计按照自上向下分类，包括产品级模块、部件级模块和零件级模块; 再按照功能、加工和组合要求分类，包括基本模块、通用模块和专用模块。将产品级模块分为电机、减速器、抽油机和控制系统。部件级模块可分成盘根盒、刹车装置、传动机构、支架机构、变速控制器、有杆泵控制器和井口信息采集系统等，这样可进一步实现零件模块化。将变速控制器、井口信息采集系统、盘根盒和刹车装置等做成通用化模块。上述分类可简化模块之间的连接，方便安装，提高抽油机的维修效率，进一步实现通用化，即同种机型之间可互换，提高废弃和故障设备的回收利用价值。 4. 7 绿色制造与设计 绿色制造指在保证产品功能、质量和成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。它要求数字化抽油机从设计、制造、使用到报废的整个周期不污染环境或污染最小; 使资源利用率最高，能源消耗最低。对抽油机的易损坏部件、传动齿轮、连接轴以及井口盘根盒等废弃件进行探伤，修补后再加工处理，通过二次制造将上述产品的性能恢复到接近于新产品的状态。这样不仅可延长产品寿命，而且促进了部件和材料的循环再利用。 4.

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