我國數(shù)字化抽油機的發(fā)展與應用現(xiàn)狀

馮垚楊繼忠廖建春

（1中國石油天然氣管道局國內(nèi)事業(yè)部 2中國石油集團渤海石油裝備新世紀機械制造有限公司）

一、引言

隨著我國數(shù)字化油田的發(fā)展和各種傳感器和控制技術(shù)（如傳感器、變頻電機及變頻控制柜）的成熟和日益普及[1]，近幾年來我國游梁式數(shù)字化抽油機（以下簡稱數(shù)字化抽油機）發(fā)展迅速，在長慶油田、華北油田、大港油田、青海油田得到了大面積的推廣應用。應用領(lǐng)域從石油天然氣領(lǐng)域也擴大到了非常規(guī)資源煤層氣的開采當中。與傳統(tǒng)游梁式抽油機相比，數(shù)字化抽油機機采效率可提高5%以上，綜合節(jié)電率達30%以上。不但如此，由于數(shù)字化抽油機具有平衡和沖次自動調(diào)節(jié)功能，因此使用數(shù)字化抽油機還可以大幅度改善職工勞動強度，節(jié)約用工成本[2]。

數(shù)字化抽油機是將傳統(tǒng)的游梁式抽油機與現(xiàn)代先進的信息采集技術(shù)和電氣控制技術(shù)完美結(jié)合，使其具有自動采集數(shù)據(jù)、遠程控制、實現(xiàn)不停機狀態(tài)下智能調(diào)節(jié)平衡、自動調(diào)節(jié)沖次、語音提示及語音報警、實現(xiàn)軟啟動和過載保護的高效節(jié)能抽油機[3～4]，是新一代工業(yè)化與信息化高度融合的采油設(shè)備。

二、我國數(shù)字化抽油機的研究情況

我國進行數(shù)字化抽油機的理論研究并不晚。早在上世紀80年代，就有關(guān)于數(shù)字化抽油機的文獻記載，在1987年第5期《石油礦場機械》中“游梁式抽油機節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀與展望”一文中就提到了在游梁式抽油機上安裝自動平衡裝置的論述[5]。但由于當時我國抽油機制造業(yè)還處于引進消化吸收階段，再加之當時傳感器和控制技術(shù)還處于萌芽階段。因此，該機只處于初期研究狀態(tài)，沒有進行大規(guī)模的生產(chǎn)應用。

直到20世紀末21世紀初，隨著我國彎游梁抽油機、下偏杠鈴式抽油機等節(jié)能型抽油機和先進的傳感器和電氣控制技術(shù)的普及，以及我國現(xiàn)代化數(shù)字油田建設(shè)的需要，推動了我國數(shù)字化抽油機的快速發(fā)展。

尤其是近幾年，我國已有多家抽油機生產(chǎn)廠家設(shè)計并生產(chǎn)了數(shù)字化抽油機，2011年，長慶油田機械制造總廠根據(jù)長慶油田數(shù)字化建設(shè)的需要，在河北華油一機抽油機有限公司、新疆第三機床廠、南陽機械公司的配合下，率先開發(fā)了4、5、6、7、8、9、10等七種規(guī)格的數(shù)字化抽油機，該抽油機借鑒了下偏杠鈴型抽油機的節(jié)能理念，根據(jù)載荷等的變化情況，通過游梁上的渦輪絲杠升降機帶動游梁尾部的擺動錘在一定角度范圍內(nèi)擺動，實現(xiàn)平衡調(diào)節(jié)，達到節(jié)能的目的[2],[6]，該機主要在長慶油田應用。

2012年3月，河北華油一機抽油機有限公司根據(jù)煤層氣市場新需求，又研制開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型數(shù)字化抽油機，又稱可自動調(diào)整平衡的抽油機，完成了3、4、5、6、8等5種規(guī)格的研制，該數(shù)字化抽油機借鑒了彎游梁抽油機的節(jié)能特點，通過游梁上的升降機帶動游梁尾部平衡塊沿游梁上下移動，從而改變平衡力臂，達到調(diào)節(jié)平衡的目的。該機主要在華北油田山西煤層氣和長治煤層氣公司應用。同年，新疆第三機床廠、河北華北榮盛公司也相繼開發(fā)了數(shù)字化抽油機。2013年中國石油渤海裝備新世紀公司成功開發(fā)了太陽能儲能數(shù)字化抽油機，也叫太陽能儲能自平衡抽油機。該數(shù)字化抽油機將游梁尾部升降機設(shè)計成完全依靠太陽能驅(qū)動游標齒輪、齒條嚙合的配重調(diào)節(jié)裝置。太陽能數(shù)字化抽油機平衡游標對外沒有任何連接線路，動力完全由太陽能提供，采用無線通訊控制，所有控制功能操作及參數(shù)設(shè)置都在人機控制界面中進行。該機主要在大港油田和青海油田應用。

1.數(shù)字化油田建設(shè)的需要

我國許多大油氣田（例如長慶油田），具有工作區(qū)域廣，勘探面積大，再加上有些油區(qū)的自然環(huán)境惡劣，生產(chǎn)生活條件艱苦，生產(chǎn)設(shè)施多，管理難度大。為解決大油氣田在管理中面臨的用工總量多、生產(chǎn)建設(shè)成本高和管理難度大的問題，國內(nèi)已有許多油田提出了對油田進行數(shù)字化建設(shè)。數(shù)字化油田建設(shè)的基本思路是指應用自動控制技術(shù)、通信技術(shù)、視頻和數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)，實現(xiàn)對井場（主要設(shè)備抽油機）、管線、站場等基本生產(chǎn)單元的有效管理和控制，以及“多級監(jiān)控、流程管理、同一平臺、數(shù)據(jù)共享、智能分析、實時預警、精確定位、協(xié)同動作”，達到過程受控、強化安全、節(jié)約人力資源和提高效益的目的[7]。

2.節(jié)能降耗的要求

我國的油田不像中東的油田那樣有很強的自噴能力，多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，大部分油田要靠注水壓油入井，再用抽油機把油從地層中提升上來。以水換油或者以電換油是我國油田的現(xiàn)實，因而，電費在我國的石油開采成本中占了相當大的比例，所以，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能。據(jù)統(tǒng)計，僅大慶油田，傳統(tǒng)抽油機一年的耗電費用就是600多億元。加之我國抽油機運行效率普遍偏低，平均效率25.96%，國外為30.05%，提高我國抽油機運行效率也是間接的節(jié)能降耗。

數(shù)字化抽油機的平衡和沖次是通過電信號實時監(jiān)測油井載荷變化和泵筒充滿系數(shù)而對平衡和沖次進行調(diào)節(jié)的。也就是說，數(shù)字化抽油機的平衡和沖次調(diào)節(jié)是一個動態(tài)的過程，是在不停機的狀態(tài)下進行的。這樣既保證了抽油機能時刻保持平衡狀態(tài)運行，通過自動調(diào)節(jié)沖次來保證泵筒充滿系數(shù)，進而提高抽油機的系統(tǒng)運行效率，又能避免空抽和停機狀態(tài)調(diào)參對油田產(chǎn)量的影響。

3.抽油機電控裝置快速發(fā)展的要求

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，國內(nèi)對石油的需求量逐年增加，近幾年國內(nèi)抽油機的使用量大幅增加，約為10萬臺每年。作為石油生產(chǎn)中用電消耗大戶之一的抽油機節(jié)能受到了各油田的普遍重視。對抽油機節(jié)電裝置的研究，引起了國內(nèi)電力電子及特種電源行業(yè)的普遍關(guān)注，如今在各油田已投運的電控裝置有幾十種。其主要包括：角位移傳感器、載荷傳感器、示工圖模塊、采集模塊、數(shù)字化控制柜等單元組成。這些控制器與數(shù)字化抽油機有機結(jié)合，并通過因特網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對采集的信號進行分析、處理、輸出等操作，完成對抽油機采油的全程動態(tài)控制[8-9]。

4.抽油機自動控制技術(shù)快速發(fā)展的要求

抽油機自動控制技術(shù)主要通過在線監(jiān)測和錄取抽油機的懸點載荷、位移數(shù)據(jù)、電參量、壓力、溫度、流量等參數(shù)，并通過通訊系統(tǒng)傳輸給中央監(jiān)控系統(tǒng)，中央監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)存儲與處理后，進行動液面計算、功圖算產(chǎn)等計算處理，再結(jié)合網(wǎng)頁顯示軟件與管理人員進行交互式溝通。管理人員根據(jù)生產(chǎn)實際情況對油井進行自動閉環(huán)控制。自動閉環(huán)控制主要是根據(jù)設(shè)定的抽油泵理想充滿系數(shù)值對抽油機變頻控制，調(diào)節(jié)抽油機沖次、平衡狀態(tài)，使抽油泵和抽油機始終在理想的充滿系數(shù)和平衡度條件下工作，從而大大提高抽油機系統(tǒng)工作效率，達到節(jié)能降耗的目的[10]。

三、數(shù)字化抽油機的現(xiàn)場應用

隨著長慶油田數(shù)字化油田和華北油田智慧油田建設(shè)的需要，長慶油田機械制造總廠設(shè)計制造的數(shù)字化5、6、7、8型數(shù)字化抽油機和新疆第三機床廠生產(chǎn)的8、9、10型數(shù)字化抽油機已經(jīng)大批量在長慶油田各個采油廠投入應用。河北華油一機抽油機有限公司生產(chǎn)的3、4、5、6、8型數(shù)字化抽油機和河北華北榮盛公司生產(chǎn)的數(shù)字化抽油機分別在華北油田山西煤層氣現(xiàn)場和華北油田二連分公司現(xiàn)場大規(guī)模應用。中國石油渤海裝備新世紀公司生產(chǎn)的太陽能驅(qū)數(shù)字化抽油機在大港油田獲得應用，并為青海油田進行了常規(guī)抽油機數(shù)字化改造，也取得了不錯的效果。此外，陜西延長油田公司等一些石油企業(yè)也逐步開始研制并使用數(shù)字化抽油機進行油田生產(chǎn)。截至目前，我國數(shù)字化抽油機使用量已經(jīng)達到了10000多臺，應用效果良好，節(jié)能效果顯著，如節(jié)電率按35%計算，年節(jié)電費用約為1.5億元，得到了油田用戶的一致認可[11-13]。

結(jié)語

數(shù)字化抽油機在我國大規(guī)模推廣應用時間還很短，雖然在應用過程中出現(xiàn)了一些問題，但是，數(shù)字化抽油機的大規(guī)模應用已經(jīng)開啟了我國機械采油從機電一體化向電氣一體化時代的轉(zhuǎn)變，為今后油田物聯(lián)網(wǎng)時代到來奠定了堅實的基礎(chǔ)。

[1]鄭飛，張會森，閆蘇斌等.抽油機數(shù)字化控制技術(shù)[J].儀表與自動化，2012，第30卷第6期：67-69.

[2]李茂，李海東，樊勇.數(shù)字化抽油機[J].石油科技論壇，2013，第4期：66-68.

[3]戴志宏.數(shù)字化抽油機在長慶油田采油六廠的應用[J].石油礦場機械，2013，42（9）：94-97.

[4]馬述儉，于勝存，高長樂.數(shù)字化抽油機的研制與應用[J].石油礦場機械，2013，42（11）：97-100.

[5]周維.游梁式抽油機節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].石油礦場機械，1987，16（5）：28-32.

[6]趙亞杰，黃華，王衛(wèi)剛等.抽油機游梁平衡自動調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計[J].石油礦場機械，2013，42（11）：38-41.

[7]張朝陽，王艷.長慶油田數(shù)字化的建設(shè)實踐[J].油氣田地面工程，2011，30（2）：3-5.

[8]鄭飛，張會森，閆蘇斌，等.抽油機數(shù)字化控制技術(shù)[J].天然氣與石油，2012，30（6）：67-69.

[9]杜永軍，王鵬月，涂學萬，等.多功能抽油機節(jié)能控制器的研發(fā)[J].科學技術(shù)與工程，2009，9（3）：691-694.

[10]何建中.抽油機在線監(jiān)測及自動控制技術(shù)研究與應用[J].石油機械，2012，40（2）：51-53.

[11]楊杰，彭盈，程琳玲，等.數(shù)字化抽油機在西峰油田的研究應用[J].裝備制造技術(shù)，2013年第13期：257-259.

[12]濮新宏，雷鈞.新型數(shù)字化抽油機的特點及應用[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2013年7月：61-63.

[13]吉效科，許麗，智勇.新型數(shù)字化抽油機的研制與應用[J].石油機械，2013，41（10）：96-99.