抽油機(jī)井地面系統(tǒng)節(jié)能潛力評(píng)價(jià)技術(shù)

孫東 唐述凱 牟蕾

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心；2.勝利油田東勝精攻石油開(kāi)發(fā)集團(tuán)股份有限公司；3.中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局高級(jí)人才培訓(xùn)中心黨校）

抽油機(jī)系統(tǒng)是油田企業(yè)從事日常生產(chǎn)的主要裝備，同時(shí)也是油田的用電大戶(hù)，因此，一直以來(lái)，抽油機(jī)系統(tǒng)都是油田進(jìn)行節(jié)能改造的重點(diǎn)。在實(shí)施節(jié)能改造之前，要結(jié)合抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)及特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有的抽油機(jī)地面系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能潛力評(píng)價(jià)，對(duì)于節(jié)能潛力不大的抽油機(jī)系統(tǒng)要避免盲目投資，對(duì)于節(jié)能潛力較大的抽油機(jī)系統(tǒng)要做到有的放矢，確保以最少的投入獲得最大的節(jié)能效益。

考慮到油井的配產(chǎn)額度、原油物性、地質(zhì)情況及含水率等因素，采油廠對(duì)每口油井的生產(chǎn)工藝參數(shù)均有較嚴(yán)格的要求。因此，大部分的抽油機(jī)地面系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)在實(shí)施時(shí)均盡量不改變或者少改變油井的運(yùn)行工況。SY/T 6422—2008《石油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測(cè)定》中規(guī)定，“對(duì)于未改變運(yùn)行工況下的測(cè)試，在測(cè)試工程中，油井產(chǎn)液量和動(dòng)液面變化不應(yīng)超過(guò)±5%；抽油機(jī)平衡度在規(guī)定范圍內(nèi)變化不應(yīng)超過(guò)±10%，沖次的變化不應(yīng)超過(guò)±0.3%，沖程應(yīng)保持不變”。目前，大部分針對(duì)抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)（直接更換新型抽油機(jī)除外），都是對(duì)抽油機(jī)地面系統(tǒng)的某一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改造，包括節(jié)能型電機(jī)、節(jié)能型控制柜、輔助平衡技術(shù)、高效傳動(dòng)技術(shù)等，僅能夠在一定程度上減少抽油機(jī)地面系統(tǒng)中某一個(gè)或某幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的損耗，而無(wú)法改變抽油機(jī)井地下系統(tǒng)的效率［1］。

抽油機(jī)地面系統(tǒng)的能量損耗主要由傳動(dòng)系統(tǒng)損耗和拖動(dòng)系統(tǒng)損耗兩部分組成，其中，傳動(dòng)系統(tǒng)損耗包括四連桿、減速箱、皮帶等傳動(dòng)副的損耗；拖動(dòng)系統(tǒng)損耗包括電機(jī)、控制柜的損耗。各個(gè)節(jié)點(diǎn)都有其損耗的最小值，進(jìn)而可以得到整個(gè)抽油機(jī)地面系統(tǒng)的能量損耗最小值，與地面系統(tǒng)的實(shí)際損耗值對(duì)比后，就能夠得到抽油機(jī)地面系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

1 抽油機(jī)地面系統(tǒng)節(jié)能潛力的概念

對(duì)抽油機(jī)地面系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，往往能為抽油機(jī)井提液系統(tǒng)帶來(lái)較快的節(jié)能效果。然而，對(duì)于節(jié)能技改目標(biāo)，如何評(píng)價(jià)抽油機(jī)井的節(jié)能潛力，以及節(jié)能技術(shù)的選擇方法一直沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)可依。按照SY/T 5264—2006《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測(cè)試和計(jì)算方法》，系統(tǒng)效率是評(píng)價(jià)抽油機(jī)井系統(tǒng)的重要參數(shù)。系統(tǒng)效率的高低在一定程度上反映了抽油機(jī)井節(jié)能潛力的高低，但是，無(wú)法給出量化的節(jié)能潛力評(píng)價(jià)［2］。本文提出“系統(tǒng)降損率”的概念，可具體量化一口抽油機(jī)井的系統(tǒng)節(jié)能效率潛力。系統(tǒng)降損率計(jì)算公式為：

式（1）中：R——系統(tǒng)降損率，%；Plosstest——當(dāng)前正常運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)測(cè)系統(tǒng)損耗功率，kW；——在確?，F(xiàn)有生產(chǎn)狀態(tài)和抽油機(jī)機(jī)型不變的情況下，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算得到的系統(tǒng)最小損耗功率，kW。R值的范圍為0～100%，R越小，該井的地面系統(tǒng)節(jié)能潛力越?。籖越大，該井的地面系統(tǒng)節(jié)能潛力越大；當(dāng)R為0時(shí)，其節(jié)能潛力為零。

系統(tǒng)降損率是抽油機(jī)井地面系統(tǒng)自身狀況的比較，是對(duì)節(jié)能技改效果的預(yù)測(cè)。本文重點(diǎn)討論的計(jì)算方法。

2 抽油機(jī)地面系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)損耗分析

受抽油機(jī)平衡系統(tǒng)的平衡作用制約，抽油機(jī)地面系統(tǒng)的能量傳遞過(guò)程可分為四連桿系統(tǒng)和拖動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)兩部分。四連桿的傳動(dòng)過(guò)程是一個(gè)能量往復(fù)吞吐的過(guò)程，其損耗大小與懸點(diǎn)載荷的幅值密切相關(guān)，同時(shí)，四連桿系統(tǒng)的損耗基本不受抽油機(jī)平衡情況的影響。傳動(dòng)系統(tǒng)在平衡度不佳的情況下也存在一個(gè)面向電網(wǎng)的能量吞吐過(guò)程，并且，其損耗的大小與其綜合負(fù)載率密切相關(guān)。

2.1 四連桿機(jī)構(gòu)的損耗

2.1.1 上沖程階段

在上沖程階段，驢頭向上運(yùn)動(dòng)，抽油機(jī)通過(guò)光桿向井下系統(tǒng)傳遞能量。光桿的上行功率為，方向垂直向上，由抽油機(jī)曲柄軸經(jīng)四連桿換向后傳遞至光桿的功率定義為。光桿上行功率及上沖程中四連桿損耗功率計(jì)算式為：

將式（2）代入式（3）得到：

式（2）、式（3）、式（4）中：——光桿的上行功率，kW；PT1——提供光桿功率的抽油機(jī)曲柄軸功率，kW；ηF——四連桿傳動(dòng)效率，%，最高值為95%［3］；——上沖程四連桿損耗功率，kW。

2.1.2 下沖程階段

在下沖程階段，驢頭向下運(yùn)動(dòng)，在重力作用下，井下系統(tǒng)通過(guò)抽油機(jī)光桿向地面部分傳遞能量。光桿的下行功率為，經(jīng)四連桿換向后傳遞至抽油機(jī)曲柄軸，則傳遞至抽油機(jī)曲柄軸的功率及下沖程中四連桿損耗功率計(jì)算式為：

將式（5）代入式（6）得到：

式（5）、式（6）、式（7）中：——由光桿傳遞至抽油機(jī)曲柄軸的功率，kW；——光桿的下行功率，kW；——下沖程四連桿損耗功率，kW。

2.2 拖動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的損耗

曲柄軸凈扭矩由光桿載荷扭矩與平衡扭矩疊加而成，曲柄扭矩曲線見(jiàn)圖 1。根據(jù)曲柄軸凈扭矩的變化，拖動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)包括由電機(jī)輸入側(cè)至減速箱輸出軸的抽油機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)與減速傳動(dòng)系統(tǒng)，其能量傳遞模式可分為2種工況。

圖1 曲柄扭矩曲線

2.2.1 工況一

當(dāng)曲柄軸凈扭矩為正值時(shí)，曲柄軸軸功率也為正值，即P1T＞ 0，電動(dòng)機(jī)的輸入有功功率為正值，即P1M＞ 0，電動(dòng)機(jī)處于負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)輸送功率。電網(wǎng)輸送給電動(dòng)機(jī)的功率P1M包括曲柄軸軸功率P1T及電機(jī)輸入側(cè)至減速箱輸出軸的各種損耗功率，即：

式（8）中： P1M——電動(dòng)機(jī)的輸入有功功率，kW；

P1T——工況一狀態(tài)下的曲柄軸軸功率，kW；

工況一條件下，拖動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的損耗可分為拖動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)固有損耗和隨負(fù)載率增加而增加的動(dòng)態(tài)損耗，即：

固有損耗功率包括電機(jī)的空載損耗功率、皮帶的空載傳動(dòng)損耗功率及減速箱的空載傳動(dòng)損耗功率。目前，抽油機(jī)上最普遍使用的三相異步電機(jī)的空載損耗值一般為其額定功率的 4%～5%［4］，抽油機(jī)拖動(dòng)電機(jī)的額定功率一般不低于 22kW，因此，電機(jī)的空載損耗功率不低于0.88kW。皮帶的空載傳動(dòng)損耗功率與減速箱的空載傳動(dòng)損耗功率主要考慮其摩擦與形變?cè)斐傻膿p耗。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)［5］的綜合分析，固有損耗功率保守估計(jì)為1kW。動(dòng)態(tài)損耗功率定義為與曲柄軸軸功率呈比例關(guān)系的量，其計(jì)算式為：

式（10）中：β——損耗比，其極小值取 0.1［5，6］。

因此，在工況一狀態(tài)下，拖動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)損耗值的計(jì)算式為：

2.2.2 工況二

當(dāng)曲柄軸凈扭矩為負(fù)值時(shí)，曲柄軸軸功率也為負(fù)值，即 P2T＜ 0，能量由曲柄軸傳遞到減速箱，此時(shí)，若電動(dòng)機(jī)的輸入有功功率為正值，即 P2M＞ 0，則電動(dòng)機(jī)處于負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)輸送功率。在這種情況下，電網(wǎng)輸送給電動(dòng)機(jī)的功率 P2M與減速箱輸出軸的輸出功率 P2T共同提供了工況二條件下電機(jī)輸入側(cè)至減速箱輸出軸的各種損耗，包括電機(jī)的空載損耗功率、皮帶的空載傳動(dòng)損耗功率及減速箱的空載傳動(dòng)損耗功率，其值取1kW。計(jì)算式為：

當(dāng)曲柄軸凈扭矩為負(fù)值時(shí)，若電動(dòng)機(jī)的輸入有功功率也為負(fù)值，即 P2M＜ 0，則電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)向電網(wǎng)輸送功率。在這種情況下，減速箱輸出軸的功率包括電機(jī)向電網(wǎng)輸送的功率與電機(jī)輸入側(cè)至減速箱輸出軸的各種損耗功率，即。與工況一類(lèi)似，此時(shí)的能量損耗包括靜態(tài)損耗與動(dòng)態(tài)損耗。靜態(tài)損耗為各個(gè)傳動(dòng)副空載損耗之和，其值取1kW；動(dòng)態(tài)損耗定義為與電機(jī)發(fā)電功率呈比例關(guān)系的量，其計(jì)算式為：

3 最小損耗功率計(jì)算方法

當(dāng)已知抽油機(jī)懸點(diǎn)的位移—載荷時(shí)間序列，以及抽油機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)后，即可進(jìn)行抽油機(jī)地面系統(tǒng)損耗的極限值計(jì)算，計(jì)算步驟為：

第一步，設(shè)等時(shí)間間隔采集到的抽油機(jī)懸點(diǎn)的位移—載荷時(shí)間序列為（F,S），采樣過(guò)程從光桿下死點(diǎn)開(kāi)始，總點(diǎn)數(shù)為N，采樣時(shí)間間隔為t，光桿的上沖程平均功率與下沖程平均功率計(jì)算式為：

式（15）、式（16）中：N——總點(diǎn)數(shù)；t——采樣時(shí)間間隔，s；nup——上沖程的采樣點(diǎn)數(shù)；F——懸點(diǎn)載荷，kN；Tup——上沖程時(shí)間，s；vup——上沖程速度，m/s；S——懸點(diǎn)位移，m；Tdown——下沖程時(shí)間，s；vdown——下沖程速度，m/s。

第二步，根據(jù)式（4）與式（7）可得到四連桿機(jī)構(gòu)的上沖程損耗功率與下沖程損耗功率，則在一個(gè)完整沖程周期內(nèi)，四連桿機(jī)構(gòu)的平均損耗功率為：

第三步，利用獲取的抽油機(jī)懸點(diǎn)位移—載荷時(shí)間序列，結(jié)合抽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括四連桿的扭矩因數(shù)、抽油機(jī)結(jié)構(gòu)不平衡重、曲柄及平衡塊的最大平衡轉(zhuǎn)矩等），設(shè)定曲柄平衡游梁式抽油機(jī)的曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，不考慮抽油機(jī)慣性能量，得到上下沖程的曲柄軸瞬時(shí)軸功率［7］：

式（18）、式（19）中：PiT——上下沖程的曲柄軸瞬時(shí)軸功率，kW；——四連桿的扭矩因數(shù)；Bw——抽油機(jī)結(jié)構(gòu)不平衡質(zhì)量，kg；Mc——曲柄平衡系統(tǒng)的最大平衡轉(zhuǎn)矩，kN·m；τ——曲柄平衡質(zhì)量偏置角，°；ω——曲柄旋轉(zhuǎn)角速度，°/s；θi——曲柄轉(zhuǎn)角，°。

為了計(jì)算抽油機(jī)地面系統(tǒng)的損耗最小值，設(shè)定其平衡度為1，即，上下沖程的軸功率最大值相等。式（18）、式（19）中，只有Mc為可調(diào)整量，其他參數(shù)在現(xiàn)有設(shè)備條件下均無(wú)法再調(diào)整，因此，在計(jì)算時(shí)，適當(dāng)調(diào)整Mc，使抽油機(jī)平衡度為1，獲得曲柄軸瞬時(shí)軸功率曲線。

第四步，在得到曲柄軸瞬時(shí)軸功率曲線后，抽油機(jī)拖動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的最小損耗值可分2個(gè)階段進(jìn)行計(jì)算。綜合式（11）和式（14）可以得到：

則在一個(gè)完整沖程周期內(nèi)，拖動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的最小平均損耗功率為：

式（20）、式（21）中：——拖動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的最小損耗功率，kW；——拖動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的最小平均損耗功率，kW。

第五步，得到抽油機(jī)地面系統(tǒng)最小平均損耗功率為：

4 實(shí)例分析

采用抽油機(jī)示功圖與電參數(shù)同步測(cè)試儀器，對(duì)勝利油田的5口油井進(jìn)行了同步測(cè)試，獲得了完整沖程周期內(nèi)抽油機(jī)示功圖與電參數(shù)同步有效值數(shù)據(jù)。利用本文提出的方法，對(duì)抽油機(jī)井地面系統(tǒng)節(jié)能潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 抽油機(jī)井地面系統(tǒng)節(jié)能潛力評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果

由表1可知，就地面系統(tǒng)而言，這5口抽油機(jī)井均具有一定的節(jié)能潛力。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)這些油井采取了相應(yīng)的節(jié)能措施，油井損耗均有所下降，但是，均未低于最小損耗功率。

5 結(jié)語(yǔ)

在分析抽油機(jī)地面系統(tǒng)能量傳遞途徑的基礎(chǔ)上，給出了抽油機(jī)地面系統(tǒng)最小損耗功率的計(jì)算方法，并最終得到抽油機(jī)地面系統(tǒng)降損率。該方法能夠客觀、量化地評(píng)價(jià)抽油機(jī)井地面系統(tǒng)的節(jié)能潛力，數(shù)據(jù)獲取相對(duì)容易，具有較好的可操作性，可為油田機(jī)械采油系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)改造與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供最直接的參考依據(jù)。

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