抽油機井柔性運行節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

李?。ù髴c油田有限責(zé)任公司第八采油廠）

1 抽油機柔性運行技術(shù)組成及基本原理

柔性運行技術(shù)體系由控制柜、傳感器、中央控制三部分組成，可實現(xiàn)工頻運行和柔性運行。該技術(shù)運行基本原理是：啟動過程中，隨動驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)了電動機轉(zhuǎn)速由0至所需轉(zhuǎn)速，消除了啟動電流和啟動功率峰值，電動機平穩(wěn)啟動；運行過程中，其運算系統(tǒng)對采集到的電動機旋轉(zhuǎn)過程中的角速度、角加速度信號與對應(yīng)的電信號（電流、有功功率）進行運算，逐步完成其曲柄在不同轉(zhuǎn)角情況下電動機速度與加速度的優(yōu)化，從而進入優(yōu)化運行狀態(tài)，保證運行過程中能量的合理分配；負荷大時低轉(zhuǎn)速實現(xiàn)大扭矩，負荷小時高轉(zhuǎn)速實現(xiàn)能量的儲備，從而優(yōu)化上下沖程速度，提高泵效，降低機采單耗。

2 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

2.1 節(jié)能效果

現(xiàn)場共計應(yīng)用20口井，選取11口井對比分析得到（未對比9口井，均未調(diào)試，尚處工頻狀態(tài)）：沖速下降0.2min-1，產(chǎn)液上升0.1t/d；沉沒度降低10.9m，系統(tǒng)功率上升0.2kW，噸液耗電下降1.6kWh，系統(tǒng)效率上升1.2個百分點（表1）。

由表1可知，應(yīng)用該技術(shù)見到了產(chǎn)液量上升，沉沒度略有下降，系統(tǒng)效率上升，噸液耗電下降的整體效果。

表1 11口井安裝前后效果對比數(shù)據(jù)

2.2 啟動功率、電流

對于抽油機而言，其啟動過程需要的是較大的啟動扭矩，由于柔性啟動過程使用變頻裝置，啟動轉(zhuǎn)數(shù)由0開始逐漸升高，直至運行至該裝置所要達到的頻率。由式（1）可以得出，在該裝置啟動過程中，達到相同的扭矩時所需的功率較小，啟動電流也較低，也就是說，柔性啟動是以電動機低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動獲得大扭矩；而對于工頻狀態(tài)下的啟動，轉(zhuǎn)速瞬間內(nèi)就達到電動機的額定轉(zhuǎn)數(shù)，因而只能以大功率獲得大扭矩。

式中：

M(φ)——扭矩；

P(φ)——功率；

ω(φ)——轉(zhuǎn)速。

由于沒有相應(yīng)的測試儀器，不能測試出的曲線，以老區(qū)B1-11-540井啟動功率對比曲線（圖1）與啟動電流對比曲線（圖2）為例，可以明顯看出柔性運行比工頻運行狀態(tài)啟動功率和啟動電流平穩(wěn)上升，減少了電動機損傷和啟動能耗。

圖1 B1-11-540井啟動過程功率曲線

圖2 B1-11-540井啟動過程電流曲線

2.3 運行功率、電流

柔性運行過程中，變頻控制抽油機工作頻率范圍為30～50Hz，而且在工作過程中的工作頻率自始至終有規(guī)律（每個沖速對應(yīng)轉(zhuǎn)角的工作頻率相同）變化；因而電動機在重載情況下以較低的轉(zhuǎn)速運行，并以較低的功率提供較大的扭矩，在輕載情況下以較高的轉(zhuǎn)速運行，并提供較高的功率。如此工作，起到了削峰填谷的作用，同時消除了負功，使電動機在較高的效率下工作。借用B1-11-540井運行功率對比曲線（圖3）和運行電流對比曲線（圖4）可以明顯看出，柔性運行狀態(tài)下的運行功率和運行電流均較工頻運行狀態(tài)要低且平穩(wěn)，因而運行能耗降低。

2.4 不同沉沒度井的示功圖對比

截至2013年10月底，11口井優(yōu)化運行3個月左右，動液面相對平穩(wěn)，優(yōu)選未進行其他措施連續(xù)運行的9口井進行沉沒度分析。

2.4.1 沉沒度低于100m井的應(yīng)用效果

9口井中，沉沒度低于100m的井共計2口，對比結(jié)果表明，應(yīng)用該技術(shù)后沖速穩(wěn)定，產(chǎn)液量穩(wěn)定上升0.15t/d，沉沒度上升17.5m，噸液耗電下降8.15kWh，系統(tǒng)效率上升0.65個百分點（表2）。

圖3 B1-11-540井運行功率曲線

圖4 B1-11-540井運行電流曲線

表2 2口沉沒度低于100m井安裝前后效果對比數(shù)據(jù)

從對比數(shù)據(jù)得出，使用柔性拖動裝置后，沖速和產(chǎn)液量基本穩(wěn)定、沉沒度回升，有效地緩解了供液不足狀態(tài)。為進一步說明這一問題，以L89-83井為例，該井沖速上升0.1min-1，產(chǎn)液量上升0.2t/d，沉沒度上升32m，噸液耗電下降11kWh，系統(tǒng)效率上升，見到了較好的效果。該井試驗前后的示功圖見圖5。

從示功圖的對比可以看出，使用柔性拖動裝置前后，示功圖并無明顯變化，但柔性運行前的最大載荷大于運行后的最大載荷，這主要是雨季加藥影響的結(jié)果。正常情況下，最大載荷應(yīng)逐漸升高，是泵充滿程度提高的結(jié)果，如8—10月。將該井上、下沖程工作時間進行了對比，該井在工頻狀態(tài)下工作時，上沖程時間為10.5s，下沖程時間為9.8s；柔性狀態(tài)下工作時，上沖程時間為9.9s，下沖程時間為10.4s。工作時間分配發(fā)生了反轉(zhuǎn)，即由原來的上慢下快轉(zhuǎn)變?yōu)樯峡煜侣?。泵效上，L89-83井7、8、9、10月份的泵效分別為15.2%、17.3%、22.8%、23.9%?？梢?，由于下沖程慢，提高了泵的充滿程度，進而提高泵效。

圖5 L89-83井柔性運行前后示功圖

2.4.2 沉沒度100～300m井的應(yīng)用效果

沉沒度100～300m的井共計應(yīng)用7口，對比結(jié)果表明，應(yīng)用該技術(shù)后沖速下降0.3min-1（下降7.1%），產(chǎn)液量上升0.2t/d（上升6.3%），沉沒度下降11.1m（下降7.5%），噸液耗電下降1.6kWh（下降幅度3.6%），系統(tǒng)效率上升1.4個百分點（上升幅度24.6%），詳見表3。

表3 7口沉沒度100～300m井安裝前后效果對比數(shù)據(jù)

從對比數(shù)據(jù)得出，使用柔性拖動裝置后，沖速下降、產(chǎn)液量穩(wěn)定并略有上升、沉沒度下降，起到了增產(chǎn)、降液面、提高系統(tǒng)效率的作用。為說明這一問題，以L86-92井為例，該井試驗前后對比，沖速略下降0.1min-1，產(chǎn)液量上升0.4t/d，沉沒度下降1.1m，噸液耗電下降2.2kWh，系統(tǒng)效率上升1.7個百分點（表4）。該井試驗前后的示功圖見圖6。

表4 L86-92井安裝前后效果對比數(shù)據(jù)

圖6 L86-92井柔性運行前后示功圖

從示功圖的對比可以明顯地看出，使用柔性拖動裝置后，示功圖盡管表現(xiàn)出供液不足，但抽油泵的充滿程度明顯提高。同樣對該井上、下沖程工作時間進行了對比測試，該井在工頻狀態(tài)下工作時，上沖程時間為8.6s，下沖程時間為8.3s；柔性狀態(tài)下工作時上沖程時間為8.4s，下沖程時間為8.9s。工作時間分配發(fā)生了反轉(zhuǎn)，即由原來的上慢下快轉(zhuǎn)變?yōu)樯峡煜侣?，提高了泵的充滿程度。此外，該裝置在上沖程開始時有較為明顯的加速，致使示功圖最大載荷有一定程度的增加。分析認為，這一動作加快了游動閥的關(guān)閉速度，減少了游動閥的漏失，進而提高泵效，在沖速略降的情況下，產(chǎn)液量有較大幅度的上升。

3 技術(shù)的適應(yīng)性分析

1）對于電動機功率利用率小于50%的井可直接應(yīng)用與電動機額定功率相等容量的裝置，即可獲得較好的效果。當功率利用高于40%時，該技術(shù)可通過放大設(shè)備容量應(yīng)用。

2）該技術(shù)對抽油機井的沉沒度無特殊要求。

3）該技術(shù)對抽油機的平衡狀況要求嚴格，平衡狀況越好，應(yīng)用效果越好。

4 結(jié)論

1）柔性運行技術(shù)通過主動變速運動，實現(xiàn)了功率再分配，具有“削峰填谷”的作用。

2）通過主動調(diào)整抽油機上、下死點及運行過程中的線速度，實現(xiàn)了降低慣性負荷、提高抽油泵充滿程度。

3）柔性運行技術(shù)對抽油機沉沒度無限制，對平衡狀況要求嚴格。