先進(jìn)的功能和高數(shù)據(jù)采集率，通過(guò)全視圖井的智能化、實(shí)時(shí)診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及全方位自動(dòng)化控制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)效率提升和優(yōu)化效果的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，所有這些都集成在一個(gè)即插即用的平臺(tái)中，可根據(jù)效益狀況，提高邊緣柱塞舉升井的效率。
運(yùn)營(yíng)商越來(lái)越多地將數(shù)字技術(shù)對(duì)其生產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)貨幣化。由于強(qiáng)大的初始生產(chǎn)能力以及保持高產(chǎn)井以峰值產(chǎn)量生產(chǎn)的至關(guān)重要性，數(shù)字自動(dòng)化和優(yōu)化工具主要集中在遞減曲線最早階段的新鉆的油井。這完全說(shuō)得通。為什么運(yùn)營(yíng)商不盡可能地利用數(shù)字技術(shù)的影響，讓數(shù)百萬(wàn)美元的鉆完井投資獲得最大回報(bào)呢？
數(shù)字很清楚：邊緣井有重大影響。盡管這些井的個(gè)體貢獻(xiàn)可能很小，但它們共同代表了一個(gè)基準(zhǔn)生產(chǎn)的重要份額，貢獻(xiàn)了穩(wěn)定的銷(xiāo)量和可銀行化的收入流。然而，油井的日產(chǎn)量越低，財(cái)政壓力就越大，在虧損和收益之間走鋼絲的回旋余地也就越小。
其中大多數(shù)邊緣井的桶油產(chǎn)量都是通過(guò)柱塞舉升生產(chǎn)的。從本質(zhì)上講，適合柱塞的井含氣量較高，而且它們通常是生產(chǎn)周期后期傳統(tǒng)的生產(chǎn)井。有一些井，柱塞舉升可能是唯一經(jīng)濟(jì)的人工舉升方法，包括一些成熟的氣井，這些井生產(chǎn)的液體必須被去除才能使地層流動(dòng)起來(lái)，以及一些氣油比不斷增加的低體量油井。
挽救油井壽命的解決方案
運(yùn)營(yíng)成本是邊緣柱塞舉升井的核心問(wèn)題，而效率則是至高無(wú)上的要素。乍一看似乎有悖常理，但利潤(rùn)越低，為提高生產(chǎn)力和底線績(jī)效所采用的技術(shù)影響就越大、越直接。這就是為什么數(shù)字自動(dòng)化和優(yōu)化的戰(zhàn)略應(yīng)用可成為挽救柱塞舉升井遞減曲線后端、遠(yuǎn)端的救命方法。
然而，這種方法也得從兩個(gè)方面來(lái)看。從歷史上看，與應(yīng)用先進(jìn)數(shù)字解決方案相關(guān)的極高的采用成本曲線使得該技術(shù)無(wú)法獲得其最能受益的資產(chǎn)：如果任何事情破壞了成本/收益的平衡，那么邊緣井將面臨變得更不經(jīng)濟(jì)的最高風(fēng)險(xiǎn)。即便如此，好消息是數(shù)字控制架構(gòu)的一個(gè)新的分支、為低產(chǎn)出的柱塞舉升井配備先進(jìn)數(shù)字智能技術(shù)的“金錢(qián)和意義”的基本原理正在重新制定。
SMARTEN™Unify控制系統(tǒng)為現(xiàn)有控制器設(shè)計(jì)提供了全新的替代方案，現(xiàn)有控制器的設(shè)計(jì)往往是具有專(zhuān)有通信功能的高成本、全功能的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)，或者是低成本、功能有限的獨(dú)立系統(tǒng)，這種系統(tǒng)缺乏遠(yuǎn)程可見(jiàn)性和基于邏輯的優(yōu)化處理。重要的是，這種新的控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，旨在圍繞最先進(jìn)的工作流程和操作知識(shí)來(lái)調(diào)整技術(shù)和業(yè)務(wù)要求，以增加邊緣柱塞舉升井的利潤(rùn)，一方面使運(yùn)營(yíng)商能夠平衡優(yōu)化生產(chǎn)，同時(shí)還能保持資本支出和運(yùn)營(yíng)效率的平衡，如圖1（SMARTEN™Unify控制系統(tǒng)是一種新的柱塞舉升井?dāng)?shù)字化控制和優(yōu)化架構(gòu)。它的設(shè)計(jì)明確是為了圍繞最先進(jìn)的工作流程和運(yùn)營(yíng)知識(shí)來(lái)調(diào)整技術(shù)和業(yè)務(wù)要求，以提高邊緣柱塞舉升井的利潤(rùn)）所示。
圖1
有了這個(gè)新平臺(tái)，柱塞舉升井就被歸入投資組合中最邊緣的類(lèi)別——那些往往是最后一筆數(shù)字投資的井——可能會(huì)成為這筆投資中最智慧、回報(bào)最穩(wěn)定的一類(lèi)井。
采用柱塞舉升并往復(fù)優(yōu)化
由于柱塞舉升是一種極具成本效益的人工舉升方法，因此成為許多低產(chǎn)油井、凝析油井和氣井作業(yè)者的首選方法。它利用天然儲(chǔ)層壓力（地層氣）將地層流體舉升至地面，無(wú)需泵、馬達(dá)、外部電源或注入劑施加外力獲取，從而最大限度地減少了前期投資和經(jīng)常性的運(yùn)營(yíng)支出。柱塞最初是為了使氣井液化而開(kāi)發(fā)的，柱塞氣舉利用自由移動(dòng)的柱塞在油管內(nèi)上下移動(dòng)或往復(fù)，將油從井內(nèi)舉升至地面。氣舉的能量來(lái)自油管與套管環(huán)空間的氣體。作為一個(gè)額外的獎(jiǎng)勵(lì)，柱塞在油管內(nèi)上下移動(dòng)時(shí)還可清理管柱內(nèi)的石蠟、水垢、瀝青等污質(zhì)物。柱塞舉升還可與氣舉同時(shí)使用，使油井產(chǎn)出較高的油產(chǎn)量以及枯竭的靠天然油藏驅(qū)動(dòng)的老化的氣井（兩者都是氣體輔助柱塞舉升）。
優(yōu)化柱塞往復(fù)周期。一個(gè)周期是一次完整的往復(fù)。首先，柱塞位于底部，地面閥門(mén)處于關(guān)閉位置，以此開(kāi)始，使壓力在油管和套管之間的環(huán)空積聚或增壓。當(dāng)環(huán)空壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制器打開(kāi)地面閥門(mén)，氣體進(jìn)入柱塞下方的油管，提供升力將柱塞和液柱推至地面。
當(dāng)柱塞到達(dá)井口時(shí)，流體通過(guò)井口的出口被推入銷(xiāo)售管線，柱塞被鎖在潤(rùn)滑器中的一個(gè)彈簧加載接收器中。然后，柱塞下方被截留的氣體排入一根出流管。
從機(jī)械角度看，柱塞舉升聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單：儲(chǔ)層壓力積累到可以將柱塞帶到地面的程度，在這個(gè)過(guò)程中帶走流體。然而，從操作上講，事情很快就會(huì)變得復(fù)雜，有幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的因素會(huì)影響柱塞的工作效果。訣竅是要讓柱塞往復(fù)完全正確，以確保柱塞有效工作，而不會(huì)在油管內(nèi)積聚太多或太少的液體。
保持流體從底部被舉起，盡量減少射孔層段的背壓，從而允許更多的儲(chǔ)層流體流入油管。往復(fù)不足或欠往復(fù)可能會(huì)導(dǎo)致柱塞頂部有過(guò)多的流體，從而使柱塞難以將流體舉升到地面，這會(huì)限制流體的內(nèi)流。在這種情況下，可以避免設(shè)備的過(guò)度磨損，但這將是以犧牲日產(chǎn)量為代價(jià)的結(jié)果。
另一方面，柱塞過(guò)度往復(fù)會(huì)帶來(lái)一些操作上的難題，還會(huì)嚴(yán)重降低設(shè)備性能和耐用性。也會(huì)導(dǎo)致柱塞往復(fù)之間積液不足，從而導(dǎo)致柱塞行程速度過(guò)高，這會(huì)降低系統(tǒng)性能并引起機(jī)械部件過(guò)早磨損和損壞。經(jīng)驗(yàn)表明，柱塞磨損是柱塞舉升井出現(xiàn)故障的首要原因。
其基本的目標(biāo)是保持對(duì)變量的控制，以最短的往復(fù)周期維持最高的產(chǎn)量目標(biāo)。這樣就可以保持理想的壓力分布，促使氣體和液體流入油管，而不會(huì)使舉升井的柱塞受到過(guò)度往復(fù)或欠往復(fù)的影響。這就是控制器的作用所在。
無(wú)論應(yīng)用類(lèi)型或柱塞樣式如何，控制器都是操作的大腦?？刂破骼糜凸芎吞坠軌毫?lái)調(diào)節(jié)柱塞的往復(fù)和控制電動(dòng)閥。最簡(jiǎn)單的控制器是基本的開(kāi)/關(guān)裝置，類(lèi)似于桿式抽油泵的控制器。這些裝置將油井關(guān)閉一個(gè)預(yù)定的時(shí)間，讓柱塞落至底部，允許流體在油井重新打開(kāi)之前在油管中積聚。
然而，優(yōu)化柱塞操作絕非是“一勞永逸”的主張。每次往復(fù)都略有不同。持續(xù)保持理想的柱塞舉升性能就意味著要根據(jù)油井在任何給定時(shí)刻出現(xiàn)的任何狀況進(jìn)行調(diào)整。這需要足夠高的頻率生成數(shù)據(jù)，以便能夠捕獲發(fā)生狀況時(shí)的條件動(dòng)態(tài)，需要能夠弄清楚這一切的邏輯關(guān)系，以及能夠及時(shí)采取行動(dòng)的自動(dòng)化控制方法，使其發(fā)揮重要作用。同樣，柱塞可能會(huì)以每分鐘305米的速度呼嘯而行，因此，必須在實(shí)時(shí)操作參數(shù)內(nèi)持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。
走向光明
在柱塞舉升井中實(shí)施嚴(yán)格的數(shù)字技術(shù)的現(xiàn)實(shí)檢查很簡(jiǎn)單：它是否與生產(chǎn)小批量設(shè)備的運(yùn)營(yíng)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)現(xiàn)實(shí)同步？這個(gè)Unify控制系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)時(shí)就考慮到了這些問(wèn)題。該系統(tǒng)在適合邊緣柱塞舉升井入門(mén)成本的前提下提供下一代數(shù)字功能。是以邏輯診斷學(xué)和全力優(yōu)化的方式將精力集中在邊緣柱塞舉升井的井場(chǎng)上，并將其與數(shù)字化支持的場(chǎng)外數(shù)據(jù)管理和分析流程無(wú)縫地連接在一起。
該平臺(tái)利用最新的人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)邊緣設(shè)備的自動(dòng)控制和全天候事態(tài)感知的可視化。具體功能包括：Wi-Fi連接，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入；全面的遠(yuǎn)程可視化和操作控制；前所未有的數(shù)據(jù)粒度，為柱塞往復(fù)操作提供重要的感知和見(jiàn)解；專(zhuān)家式的邏輯分析，持續(xù)優(yōu)化油井作業(yè)；可操作的邊緣分析，360°的事態(tài)感知可視化；用于數(shù)據(jù)托管的標(biāo)準(zhǔn)API模型。
這些功能中的任何一項(xiàng)本身都可以成為強(qiáng)大的推動(dòng)者。他們共同創(chuàng)造了一把新的數(shù)字鑰匙，通過(guò)全視圖井智能、實(shí)時(shí)診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控和全方位自動(dòng)化控制，解鎖效率和優(yōu)化效果呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)——所有這些都集成在一個(gè)可擴(kuò)展的、符合典型柱塞舉升井經(jīng)濟(jì)概況的即插即用的平臺(tái)中，還可輕松集成到現(xiàn)有的SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition：監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）網(wǎng)絡(luò)中。
高頻數(shù)據(jù)以一秒的間隔生成，提供近距離的數(shù)據(jù)粒度，以每周7天、每天24小時(shí)為基準(zhǔn)優(yōu)化單個(gè)柱塞往復(fù)周期，以及提供豐富的數(shù)據(jù)來(lái)勾畫(huà)趨勢(shì)并識(shí)別大量油井的上行機(jī)會(huì)。借助Unify控制系統(tǒng)，運(yùn)營(yíng)商將柱塞舉升自動(dòng)化功能的“愿望清單”與運(yùn)營(yíng)邊緣資產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)財(cái)務(wù)約束以及用于信息技術(shù)簡(jiǎn)單化的實(shí)際需求聯(lián)系起來(lái)。
柱塞舉升資產(chǎn)寶貴的產(chǎn)生現(xiàn)金流不再被留在外面檢視正在展開(kāi)的數(shù)字革命。它們最終可以完全進(jìn)入數(shù)字視野，實(shí)現(xiàn)后期的生產(chǎn)價(jià)值，提高底線盈利能力，恢復(fù)全部?jī)?chǔ)量潛力，獲取上行價(jià)值，延長(zhǎng)生產(chǎn)周期。
生產(chǎn)案例
該技術(shù)在一些柱塞舉升應(yīng)用環(huán)境中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。其中一次試驗(yàn)是在位于美國(guó)科羅拉多州西部皮斯恩斯盆地的一口天然氣井進(jìn)行的，該井是一口直井，采用的是傳統(tǒng)的柱塞。在這個(gè)案例中，Unify控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)捕獲對(duì)于診斷操作問(wèn)題以及確定其原因非常重要。
液體產(chǎn)出量突然下降，與此同時(shí)油管壓力急劇增加。雖然這些不那么微妙的變化很容易被觀察到，但如果缺乏高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和故障排除邏輯，柱塞舉升井的運(yùn)營(yíng)者在這種情況下面臨的最大挑戰(zhàn)通常不是弄清楚發(fā)生了什么，而是要弄清楚為什么會(huì)發(fā)生這種情況，也就是原因所在。
由于對(duì)井的狀態(tài)有多種可能的解釋?zhuān)枋龃_切的原因可能會(huì)涉及調(diào)查和消除多種可能性，包括從油管上的一個(gè)孔眼到壓裂撞擊或設(shè)備故障等等情況。
幸運(yùn)的是，Unify系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)采集率立刻就檢測(cè)到了油管壓力的異常情況，并提供了診斷見(jiàn)解，判斷出壓力增大的根本原因。見(jiàn)圖2（固定閥出現(xiàn)故障后油管壓力的峰值變化），藍(lán)色表示壓力增大的趨勢(shì)線，紅色表示套管壓力。每個(gè)連續(xù)的峰值和谷值代表一個(gè)完整的往復(fù)周期。每個(gè)周期峰值時(shí)油管壓力和套管壓力之間的差異與柱塞關(guān)閉期間油管中積聚的液體量相關(guān)。
圖2
正如預(yù)期的那樣，前幾個(gè)柱塞往復(fù)周期，油管壓力的表現(xiàn)符合預(yù)期（見(jiàn)圖3左側(cè)部分），但在右數(shù)第四個(gè)往復(fù)周期，油管壓力突然躍升，并在接下來(lái)的幾個(gè)往復(fù)周期保持與套管壓力幾乎相同的水平。在此案例中，數(shù)據(jù)顯示是因位于減震彈簧正下方一個(gè)固定閥（油管止動(dòng)件）的精確力矩失效所導(dǎo)致。
當(dāng)閥門(mén)失效時(shí)，柱塞位于底部，等待足夠的抵達(dá)地面的油管壓力建立。由于沒(méi)有任何東西或阻力阻止液體從油管末端排出，柱塞的下降將液體從生產(chǎn)管柱的底部推出到周?chē)奶坠苤?，在隨后的兩次往復(fù)期間使柱塞幾乎沒(méi)有可用的負(fù)載，從而產(chǎn)生了油管壓力異常。運(yùn)營(yíng)商能夠迅速判斷出現(xiàn)故障的固定閥并將其更換，從而可在最短的停工時(shí)間內(nèi)恢復(fù)生產(chǎn)。
柱塞舉升系統(tǒng)的機(jī)械操作在正常往復(fù)過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷各種情況，這些情況可能會(huì)使問(wèn)題難以辨別，甚至更難準(zhǔn)確診斷。正如本例所示，高數(shù)據(jù)采集率對(duì)于了解任何時(shí)間點(diǎn)發(fā)生的情況以及維持最佳柱塞往復(fù)所需采取的措施至關(guān)重要，以保持生產(chǎn)出的石油流向銷(xiāo)售管線。
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