抽油機(jī)變軌柔性運(yùn)行技術(shù)應(yīng)用前景展望

李立強(qiáng) 張雅春（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

抽油機(jī)變軌柔性運(yùn)行技術(shù)應(yīng)用前景展望

李立強(qiáng) 張雅春（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

針對第七采油廠抽油機(jī)系統(tǒng)效率低及單井能耗高的問題，分析了影響抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的因素，以抽油機(jī)井抽汲參數(shù)整體優(yōu)化及降低能耗為原則，對抽油機(jī)變軌柔性運(yùn)行技術(shù)應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。從現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用看，抽油機(jī)變軌柔性運(yùn)動(dòng)技術(shù)能夠改變抽油機(jī)井抽汲頻率和抽汲過程中的柱塞速度分布規(guī)律，簡化地面?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)和整個(gè)桿柱的結(jié)構(gòu)并減小疲勞強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)按井下供液量自動(dòng)調(diào)參、提高泵效、降低機(jī)械受力和損耗的整體優(yōu)化，達(dá)到了提高系統(tǒng)效率、降低單井能耗的目的，最大限度地節(jié)約了電能，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

抽油機(jī) 系統(tǒng)效率 柔性運(yùn)行 節(jié)能

大慶油田第七采油廠屬于外圍油田，2009年全廠平均系統(tǒng)效率僅為14.71%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主力油田，平均耗電11.28 kW·h/t，其中，低于平均系統(tǒng)效率的抽油機(jī)井有1 148口，占統(tǒng)計(jì)井的65.45%，平均耗電20.11 kW·h/t，因此，合理優(yōu)化低效井機(jī)、桿、泵等抽汲參數(shù)，降低低效井能耗是提高第七采油廠抽油機(jī)井系統(tǒng)效率及降低單井能耗的關(guān)鍵，所以有必要開展抽油機(jī)變軌柔性運(yùn)行技術(shù)的研究。

1 應(yīng)用背景

常規(guī)游梁式抽油機(jī)自誕生以來，歷經(jīng)百年使用，經(jīng)受了各種工況和地域油田的考驗(yàn)，但是常規(guī)游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，決定了它平衡效果差，曲柄靜扭矩脈動(dòng)大，存在負(fù)扭矩、載荷率低、工作效率低和能耗大等缺點(diǎn)。在采油成本中，抽油機(jī)電費(fèi)占30%左右，年耗電量占油田總耗電量的20%～30%，居油田耗電的第二位。

多年來，油田機(jī)采節(jié)能工作基本集中在拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)節(jié)能一個(gè)方面。然而，電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)效率僅僅是抽油機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的一個(gè)較小的部分，降低抽油機(jī)系統(tǒng)特別是井下系統(tǒng)的無效運(yùn)行能耗才是提高系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。常規(guī)游梁式抽油機(jī)的無效運(yùn)行能耗產(chǎn)生于多個(gè)方面，按其作用大小依次為：①容積泵效；②電動(dòng)機(jī)（拖動(dòng)系統(tǒng)）效率；③皮帶與變速箱的傳動(dòng)效率；④井下液體阻尼以及桿管泵內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)摩擦。所以，對常規(guī)游梁式抽油機(jī)單井抽汲參數(shù)整體優(yōu)化是今后抽油機(jī)節(jié)能的必然趨勢。變軌柔性運(yùn)行技術(shù)就是以提高泵效、降低能耗為主要目的，同時(shí)全面兼顧其他3個(gè)方面效率的綜合性系統(tǒng)解決方案。

2 變軌柔性運(yùn)行技術(shù)

2.1 原理

變軌柔性運(yùn)行技術(shù)主要由單井結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析與優(yōu)化控制運(yùn)行中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、具有速度轉(zhuǎn)矩分別受控能力的數(shù)字化高效電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和輔助傳感器三部分組成。該技術(shù)是一種用于優(yōu)化游梁式抽油機(jī)運(yùn)行的實(shí)用驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)（圖1），核心是保持抽油機(jī)原設(shè)備構(gòu)成完全不變，僅通過電動(dòng)機(jī)主動(dòng)變速，改變抽汲頻率和抽汲過程中的柱塞速度分布規(guī)律、簡化地面?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)和整個(gè)桿柱的結(jié)構(gòu)并減小疲勞強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)按井下供液量自動(dòng)調(diào)參、提高泵效、降低機(jī)械受力與損耗、降低系統(tǒng)能耗等綜合目標(biāo)。變軌柔性運(yùn)行技術(shù)在繼承了游梁式抽油機(jī)的形式和優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，使游梁式抽油機(jī)的整體運(yùn)行效果接近或達(dá)到了直線式抽油機(jī)的水平。

圖1 運(yùn)行控制示意圖

2.2 目的

常規(guī)游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)效率低和井下機(jī)件損耗嚴(yán)重主要是四連桿機(jī)構(gòu)的曲柄旋轉(zhuǎn)、懸點(diǎn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換關(guān)系特性和不能及時(shí)主動(dòng)調(diào)參兩個(gè)方面原因。變軌柔性運(yùn)動(dòng)技術(shù)作為一種計(jì)算機(jī)軟件控制下的系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行體系，借助受控變速驅(qū)動(dòng)，有目的地調(diào)整懸點(diǎn)的原有速度分布軌跡，實(shí)現(xiàn)對抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)和井下系統(tǒng)運(yùn)行特性與效果的全面控制和改良。具體表現(xiàn)為：在對抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)和井下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)實(shí)時(shí)計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，以桿柱和變速箱的負(fù)荷波動(dòng)最小化原則作為調(diào)速運(yùn)行的邊界條件，按供采平衡原則主動(dòng)調(diào)整宏觀沖速，按容積泵效最大化原則優(yōu)化調(diào)整每周期過程中不同位置的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和懸點(diǎn)速度分布模式，實(shí)現(xiàn)“以供定采”和全面補(bǔ)救四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳遞缺陷，達(dá)到保證充滿度、消除液擊、減小泵漏、降低井下運(yùn)行流體阻尼能耗、降低下行偏磨力、降低齒輪箱扭矩、消除反向發(fā)電和機(jī)械系統(tǒng)無沖擊柔性運(yùn)行等綜合性目的。

2.3 主要特點(diǎn)

變軌柔性運(yùn)行技術(shù)是完全柔性運(yùn)行，它可廣泛應(yīng)用于任何類型的游梁式抽油機(jī)，包括常規(guī)異步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)、異步啟動(dòng)同步運(yùn)行電動(dòng)機(jī)、高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)、多功率電動(dòng)機(jī)、多轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)等。

變軌柔性運(yùn)行技術(shù)提高泵效顯著，主要是：

◇供采自動(dòng)平衡系統(tǒng)，沖速隨井下供液速度自主調(diào)整，確保每行程有液可抽、減少空載率，避免了液擊，滿足了生產(chǎn)中調(diào)參要求；

◇通過懸點(diǎn)變速調(diào)整固定閥和游動(dòng)閥的開閉過程，減少開閉過程中的液體漏失，降低無效行程；

◇通過懸點(diǎn)變速調(diào)整上行程的全程平均速度以及過程中速度分布，控制泵筒內(nèi)的壓力變化梯度，抑制溶解氣逸出，保證液體充滿度，提高排量系數(shù)；

◇調(diào)整行程換向過程中柱塞與泵筒的速度相位，獲得額外的超行程，提高有效行程，降低行程損失。

變軌柔性運(yùn)行技術(shù)是完全柔性軟啟動(dòng)及主動(dòng)柔性運(yùn)行，主控計(jì)算機(jī)依順勢而為原則，主動(dòng)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)輸出，以滿足系統(tǒng)所有主要受力部件受力平滑變化的需求（包括地面驅(qū)動(dòng)、皮帶、變速箱、連桿、游梁、懸點(diǎn)、桿柱和柱塞等各機(jī)械受力部分），最大限度地減少了機(jī)械沖擊傷害以及由此帶來的能量損耗。即使適配自身最為剛性的永磁同步電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)系統(tǒng)的柔性程度也將超過自身柔性特性最佳的高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)。

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制器內(nèi)部為游梁式抽油機(jī)專設(shè)的能量緩沖池能完全容納抽油機(jī)系統(tǒng)動(dòng)能和勢能釋放時(shí)產(chǎn)生的逆向能量，保證不向電網(wǎng)返送干擾性電能，實(shí)現(xiàn)該能量的有效再利用。

3 可行性分析

高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)具有負(fù)荷越大轉(zhuǎn)差越大的特性：即負(fù)荷越重轉(zhuǎn)速越慢、越輕轉(zhuǎn)速越快。借助這一自動(dòng)變速特性，地面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度不再剛性不變，高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)的主要作用是有限提高了系統(tǒng)運(yùn)行的柔性。高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)的柔性作用是借助了本身的機(jī)械特性，故作用有限。高轉(zhuǎn)差方式不具備自適應(yīng)優(yōu)化調(diào)參和井下過程優(yōu)化運(yùn)行的優(yōu)勢。

常規(guī)變頻調(diào)速可以在不改變傳動(dòng)比的情況下實(shí)現(xiàn)調(diào)參，同時(shí)還具有上下行程按不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行的特性，變頻裝置自身特性在一定程度上增加了系統(tǒng)運(yùn)行柔性的功能，曲柄仍為勻轉(zhuǎn)速運(yùn)行，柱塞運(yùn)動(dòng)仍保持正弦速度分布特性，調(diào)參需人工參與，不能自適應(yīng)優(yōu)化調(diào)參。

智能矢量變頻調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)診斷泵的充滿度和識(shí)別液面的變化，并依此實(shí)施自適應(yīng)調(diào)參以達(dá)到保持液面穩(wěn)定和保證較高的充滿度的功能，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)分配上下行程內(nèi)不同的恒轉(zhuǎn)速，能調(diào)節(jié)和控制電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，具有良好的運(yùn)行柔性，但不能針對井下運(yùn)動(dòng)過程實(shí)現(xiàn)主動(dòng)優(yōu)化調(diào)節(jié)控制，柱塞運(yùn)動(dòng)仍保持近似正弦速度分布的基本特性。

變軌柔性運(yùn)行技術(shù)在兼顧以上節(jié)能設(shè)備的功能后，改善了柱塞的運(yùn)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了抽汲頻率與井下供液速度的協(xié)調(diào)配合，是提高游梁式抽油機(jī)的泵效、系統(tǒng)效率和降低能耗最行之有效的根本性辦法。

3.1 宏觀速度優(yōu)化

合適的抽汲頻率N（沖速）可以表示為單位時(shí)間內(nèi)供液量Q的函數(shù) N(Q)。在抽汲頻率N下，若Q增大，液面將上升（汲入口壓力將升高），反之將降低。因此在設(shè)定理想的沉沒壓力P0后，維持供采平衡的自適應(yīng)控制的數(shù)學(xué)調(diào)整關(guān)系為：dN/dQ=常數(shù)。單行程內(nèi)的水力功耗反比于汲入口壓力，因此水力功耗的變化也就代表了汲入壓力的變化。根據(jù)水力功耗的變化，以小步長增量調(diào)整抽汲頻率即可實(shí)現(xiàn)供采平衡和流壓的穩(wěn)定。

汲入口壓力低或液體黏性大都不利于液體進(jìn)泵，在抽汲周期一定時(shí)，通過控制上行程時(shí)長的方法調(diào)整充滿度。計(jì)算充滿度的要點(diǎn)是識(shí)別下行程過程中液柱載荷的卸載點(diǎn)，卸載點(diǎn)位移量直接代表了未充滿程度。

3.2 周期內(nèi)過程速度優(yōu)化

懸點(diǎn)運(yùn)行規(guī)律優(yōu)化的主要內(nèi)容是在周期性抽汲過程中，在滿足桿柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的限制前提下，盡可能使被懸點(diǎn)帶動(dòng)的柱塞運(yùn)行速度的波動(dòng)最小，同時(shí)兼顧地面設(shè)備降低扭矩的需要。

3.3 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

變軌柔性運(yùn)行技術(shù)將井下系統(tǒng)最理想的運(yùn)行模式設(shè)為上（下）行程內(nèi)柱塞的最大運(yùn)行速度盡可能接近其平均速度。將柱塞的最大速度與平均速度之差的最大值最小化作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

3.4 優(yōu)化邊界條件

最大角速度限制：抽油機(jī)地面設(shè)備的承受能力，決定了曲柄的旋轉(zhuǎn)速度極限值。

最大應(yīng)力和應(yīng)力幅：抽油桿最大應(yīng)力和應(yīng)力幅作為優(yōu)化過程中桿柱的強(qiáng)度邊界條件。在一個(gè)行程的全過程中，抽油桿上任意一點(diǎn)的應(yīng)力均不能超出最大和最小許用應(yīng)力范圍。

圖2 功圖測試效果對比（北京金石GT3型測試儀）

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

2010年7月2日，葡84-54井應(yīng)用變軌柔性運(yùn)行技術(shù)的測試效果。

4.1 電參數(shù)

該井應(yīng)用變軌柔性運(yùn)行技術(shù)后，日節(jié)電17.9 kW·h，有功節(jié)電率達(dá)到27.1%，綜合節(jié)電率達(dá)到34.2%。電參數(shù)測試效果對比見表1。

4.2 現(xiàn)場工況

在試驗(yàn)井上分別使用北京金石GT3型測試儀和俄羅斯DK500次聲波回聲儀兩種儀器，對安裝前后的功圖變化情況進(jìn)行了測試，結(jié)果見圖2、圖3。

從測試結(jié)果看，功圖充滿度提高，功況趨于合理。試驗(yàn)后，沖速由4.4次/min降到3.6次/min，產(chǎn)液量穩(wěn)定，沉沒度由88.4 m上升到129.1 m，系統(tǒng)效率由6.3%提高到8.2%，見表2。

圖3 功圖測試效果對比（俄羅斯DK500次聲波回聲儀）

表1 電參數(shù)測試效果對比

表2 生產(chǎn)參數(shù)測試效果對比

5 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

變軌柔性運(yùn)行技術(shù)是針對游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)核心問題的一種綜合解決技術(shù)。它不只是單一拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的節(jié)能，而是從源頭控制開發(fā)的全系統(tǒng)參數(shù)整體優(yōu)化治理方案。該技術(shù)通過對地面設(shè)備的速度控制，兼顧了驅(qū)動(dòng)部分、地面機(jī)械系統(tǒng)和井下系統(tǒng)等各部分的運(yùn)行需要，使游梁式抽油機(jī)整體系統(tǒng)效率達(dá)到最佳運(yùn)行效果，彌補(bǔ)了現(xiàn)有運(yùn)行優(yōu)化治理措施的不足。通過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用及測試數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用變軌柔性運(yùn)行技術(shù)后，可以在保證產(chǎn)液量不降的前提下，動(dòng)態(tài)調(diào)整沖速，提高泵的充滿程度并減少漏失量，進(jìn)而改善功況運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)降低舉升能耗，提高系統(tǒng)效率，延長了油井免修期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)第七采油廠機(jī)采井的實(shí)際情況和變軌柔性運(yùn)行技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢，該系統(tǒng)在單井能耗較高的葡北和扶余地區(qū)應(yīng)用較為合理。

[1]孫穎.基于DSP的無刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù),2009(6).

[2]周封.抽油機(jī)節(jié)能方法與變頻技術(shù)合理應(yīng)用研究[J].節(jié)能技術(shù),2010(3).

[3]高宇.智能抽油機(jī)控制器的研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2010(6).

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.004

2010-11-08）

李立強(qiáng)，畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，助理工程師，E-mail：liliqiang@petrochina.com.cn，地址：大慶市大同區(qū)第七采油廠工程技術(shù)大隊(duì)，163517。