抽油機(jī)在野外連續(xù)工作，抽油泵處的原油被抽取后，油層周圍的原油流向抽油泵處，抽油機(jī)運(yùn)行越快，排液量采量越高。但是，油層開采中后期，抽油泵周圍的原油來(lái)不及補(bǔ)充，導(dǎo)致供液不足繼而空抽。這種情況一方面會(huì)導(dǎo)致抽油機(jī)失衡，電機(jī)對(duì)平衡塊過(guò)多做功而浪費(fèi)電能。另一方面會(huì)因?yàn)楸孟侣鋾r(shí)撞擊液面產(chǎn)生機(jī)、桿、泵震動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致抽油桿偏磨、機(jī)械系統(tǒng)損傷、變形甚至斷裂。
為解決這個(gè)問(wèn)題，最好讓抽油機(jī)的運(yùn)行速度自動(dòng)可調(diào)。當(dāng)供液充足時(shí)抽油機(jī)正常運(yùn)行；當(dāng)供液不足時(shí)抽油機(jī)速度減慢，讓周圍的原油有足夠時(shí)間流向抽油泵處，以保證每一次沖程都有充足的原油抽取。
對(duì)于液面的了解，過(guò)去往往是現(xiàn)場(chǎng)打槍，通過(guò)回聲測(cè)量得到證實(shí)。這樣如果人工測(cè)量，不能及時(shí)了解液面的動(dòng)態(tài)，測(cè)量繁瑣且危險(xiǎn)。對(duì)于氣泡較多的油井，因聲波被氣泡吸收而測(cè)不準(zhǔn)，而自動(dòng)液面測(cè)量?jī)x費(fèi)用很高，難以在線應(yīng)用。對(duì)于液面的了解，還可以通過(guò)分析功圖來(lái)獲取。理論上抽油機(jī)上行過(guò)程中，油管與套管之間等效為U形連通管，示功儀所測(cè)得的載荷由抽油桿的重量、液體重量、泵的重量、浮力因素組成，下沖程時(shí)示功儀所測(cè)得的載荷由抽油桿重量、泵的重量和浮力組成。而上、下行載荷之差則是U形管中的被提升有效液體的重量，可根據(jù)此計(jì)算出動(dòng)液面位置，當(dāng)然有很多摩擦因素影響著計(jì)算結(jié)果，需要一定的方法。
動(dòng)液面計(jì)算方法
抽油機(jī)井示功圖計(jì)算液面依據(jù)當(dāng)抽油機(jī)上行時(shí)泵的固定凡爾打開，此時(shí)油套管之間相當(dāng)于U形管連通器，提升液體只是動(dòng)液面以上部分的重量，其動(dòng)液面以下部分則被連通器平衡。依據(jù)上述原理通過(guò)時(shí)實(shí)檢測(cè)示功圖進(jìn)行計(jì)算液面。
式中 f：抽油桿截面積,m
2；W
ju：上行程懸點(diǎn)靜載荷,N；r
L：油管內(nèi)流體密度,Kg/m
3；q
rl：每米抽油桿在液體中重力,Kg/m；L：泵掛深度,m；L
f：動(dòng)液面,m；A
p：柱塞面積，m
3pt：油管壓力，MPa；A
t：抽油桿面積，m
3pc：套管壓力，MPa；W
jd：下行程懸點(diǎn)靜載荷,N；r
s：抽油桿在空氣中密度,7850Kg/m
3；
：含水；r
o：原油密度；r
W：水密度混合液密度近似計(jì)算
式中上行程由三項(xiàng)組成，第一項(xiàng)：抽油桿在空氣中的重力；第二項(xiàng)：動(dòng)液面以上液柱的重力；第三項(xiàng)：油壓和套壓之差對(duì)柱塞面積形成的力。
由兩式相減得：
而W
ju-W
jd為示功圖的靜載（表示為DW），則整理后得：
動(dòng)液面：
式中分子第一項(xiàng)為：上、下靜載荷之差；第二項(xiàng)為：油壓、套壓作用在活塞上的載荷。油壓、套壓、柱塞面積及流體密度均可以通過(guò)測(cè)量得到，因此可以根據(jù)時(shí)實(shí)測(cè)量到的示功圖來(lái)計(jì)算出動(dòng)液面。
以上是理想條件下的公式。實(shí)際示功圖真正意義上的動(dòng)載還包括慣性載荷、振動(dòng)載荷及摩擦載荷。其中摩擦載荷就有以下部分組成：1.抽油桿與油管；2.柱塞與泵筒；3.液柱與抽油桿；4.液柱與油管；5.井口盤根盒。
慣性載荷、振動(dòng)載荷及摩擦載荷均會(huì)對(duì)示功圖的上、下行程的靜載荷造成影響，測(cè)得的示功圖中會(huì)附加著阻尼振蕩及摩擦載荷，使得液面計(jì)算出現(xiàn)很大的誤差，因此如何得到準(zhǔn)確的靜載荷是計(jì)算動(dòng)液面準(zhǔn)確與否的要點(diǎn)。方法不外乎通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)診斷法消除慣性載荷、振動(dòng)載荷的影響，得到光桿懸點(diǎn)的理想示功圖，然后進(jìn)行動(dòng)液面計(jì)算，由于篇幅過(guò)長(zhǎng)，在此不再詳述；通過(guò)測(cè)量的方法消除慣性、振動(dòng)及摩擦的影響，得到理想的靜載荷，然后進(jìn)行動(dòng)液面計(jì)算。
具體實(shí)現(xiàn)的方法：1.懸繩器上安裝經(jīng)過(guò)標(biāo)定的示功裝。2.有條件安裝油壓、套壓傳感器，無(wú)條件則安裝普通壓力表即可。3.從地質(zhì)部門得到該井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（泵井泵掛深度、桿級(jí)、桿重、液體密度等）作為理論載荷的參考。4.選擇好上、下沖程位置停機(jī)，測(cè)得靜態(tài)載荷數(shù)據(jù)5.將示功裝置測(cè)得的動(dòng)態(tài)載荷數(shù)據(jù)與靜態(tài)數(shù)據(jù)歸納出關(guān)系式。6.之后就可以通過(guò)示功裝置得到的動(dòng)態(tài)示功圖，來(lái)?yè)Q算靜態(tài)載荷，并計(jì)算出動(dòng)液面深度。7.該種方法可能會(huì)產(chǎn)生一固定誤差，有條件的話可用回聲儀測(cè)試或井下壓力計(jì)作為參考對(duì)比，做適當(dāng)修正。
所需主要設(shè)備
數(shù)據(jù)采集控制單元（RTU） RTU是該系統(tǒng)的核心，要做到智能采油和井場(chǎng)無(wú)人值守，首先必須采集現(xiàn)場(chǎng)的所有設(shè)備，如：示功圖、壓力、溫度、電參數(shù)等參數(shù)，井口如果有加熱爐、柴油發(fā)電機(jī)等，也需要采集它們的數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)控制。對(duì)于本系統(tǒng)，RTU需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的功圖和其它參數(shù)計(jì)算動(dòng)液面，并根據(jù)動(dòng)液面對(duì)輸出調(diào)速信號(hào)。威海遠(yuǎn)控WYK-RTU100是一款具備智能調(diào)沖的數(shù)據(jù)采集控制RTU。
示功儀 示功圖數(shù)據(jù)是分析動(dòng)液面的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，尤其是上死點(diǎn)、下死點(diǎn)必須非常準(zhǔn)確，考慮到設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，采用加速度傳感器來(lái)測(cè)量位移，但是目前加速度傳感器的絕對(duì)位移值不夠準(zhǔn)確，而一致性非常好，要得到準(zhǔn)確的沖程，在第一次安裝時(shí)應(yīng)該用尺量一下準(zhǔn)確沖程，和示功儀測(cè)的沖程比較得到修正比，在運(yùn)行中得到的位移數(shù)據(jù)必須用該比例進(jìn)行修正。另外對(duì)于沖次低于1的抽油機(jī)，加速度傳感器有些反應(yīng)不過(guò)來(lái)，可以將示功儀先安裝在曲柄上運(yùn)行幾個(gè)沖程，得到標(biāo)準(zhǔn)位移，然后再將示功儀安裝在懸繩器上，采用標(biāo)準(zhǔn)位移修正功圖。考慮到功耗和信號(hào)的繞射性，示功儀和RTU的通信信號(hào)以433MHZ為佳，另外整過(guò)功圖數(shù)據(jù)采用一個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸。
變頻器 RTU通過(guò)對(duì)動(dòng)液面的分析，當(dāng)泵沉沒(méi)度深時(shí)保持在正常狀態(tài)，當(dāng)泵沉沒(méi)度淺時(shí)RTU輸出調(diào)速信號(hào)，變頻器平時(shí)輸出50HZ電流，當(dāng)收到調(diào)速信號(hào)后變成30HZ輸出，由于可以通過(guò)控制動(dòng)作時(shí)間間隔來(lái)控制沖次，所以兩種工作頻率已足夠，由于有些電機(jī)頻率太低時(shí)會(huì)燒壞風(fēng)扇，所以低檔次頻率選在30HZ。
效益分析
油田中后期大多數(shù)油井有供液不足或者抽空的現(xiàn)象，供液不足失衡時(shí)要多耗費(fèi)電能，采回的油少，而抽空就是在浪費(fèi)電，采用智能采油將大量節(jié)約電費(fèi)。
當(dāng)供液不足時(shí)，抽油機(jī)泵和液面產(chǎn)生撞擊，會(huì)對(duì)抽油機(jī)產(chǎn)生震動(dòng)，加快抽油機(jī)的損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成斷桿，采用智能采油將減少對(duì)抽油機(jī)損耗。
采用智能采油系統(tǒng)后，可以實(shí)現(xiàn)在能上網(wǎng)的任何地方了解現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況，對(duì)于潛在的問(wèn)題可以提前做出預(yù)案，對(duì)于出現(xiàn)的問(wèn)題可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，減少現(xiàn)場(chǎng)故障。
采用智能采油后，該系統(tǒng)從現(xiàn)場(chǎng)的操作控制到報(bào)表的生成都是及時(shí)和自動(dòng)的，從而大大提高了工作效率，減少更多人工成本。
由于避免了液擊對(duì)抽油機(jī)的損耗，以及供應(yīng)不足對(duì)平衡系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，使作業(yè)周期大大延長(zhǎng)。
靜載荷法計(jì)算動(dòng)液面理論上沒(méi)有問(wèn)題，但實(shí)際影響因素很多，因此精確計(jì)算很困難，但是分析動(dòng)液面趨勢(shì)的變化來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)，做到節(jié)能降耗完全可行。
（作者：夏正安 柏小京/ 威海遠(yuǎn)控信息技術(shù)有限公司 www.wrtu.net）
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