低滲透油田抽油機(jī)智能柔性控制技術(shù)研究與應(yīng)用

李楊 向蓉 袁輝 錢(qián)洪鵬 趙凱峰 陳作明（長(zhǎng)慶油田分公司第二采油廠）

長(zhǎng)慶油田屬低滲透油田，具有典型的滲透率低特點(diǎn)、采油方式以抽油機(jī)舉升為主，存在生產(chǎn)參數(shù)下調(diào)空間有限，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)低，“大馬拉小車(chē)”，機(jī)采系統(tǒng)能耗高等問(wèn)題。抽油機(jī)是機(jī)、桿、泵組成的復(fù)雜系統(tǒng)，節(jié)能效果不僅取決于電動(dòng)機(jī)和系統(tǒng)本身，還取決于油井工況及生產(chǎn)現(xiàn)狀，目前節(jié)能技術(shù)主要從節(jié)能電動(dòng)機(jī)配套、無(wú)功補(bǔ)償、生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化、抽油機(jī)平衡度調(diào)整、變頻控制系統(tǒng)改造、降低運(yùn)行載荷等方面做工作[1]，但低滲透油田典型的低液量生產(chǎn)特征，使常規(guī)的節(jié)能改造技術(shù)發(fā)揮受限，突出表現(xiàn)為噸液能耗高，系統(tǒng)效率低。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，在對(duì)抽油機(jī)舉升系統(tǒng)整體分析研究中發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電能再利用情況以及與之匹配的生產(chǎn)管理模式中存在著較大的交互影響[2]，為更好提高抽油機(jī)舉升效率和降低能耗，通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析及集成應(yīng)用形成了抽油機(jī)智能柔性控制技術(shù)。

1 抽油機(jī)井智能柔性控制技術(shù)

1.1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式

智能柔性控制技術(shù)是通過(guò)對(duì)常規(guī)數(shù)字化抽油機(jī)的控制柜進(jìn)行四項(xiàng)改造，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載、電參、示功圖及油井供液能力的自動(dòng)采集與分析，進(jìn)而調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，降低電動(dòng)機(jī)的峰值，使抽油機(jī)在合理的低沖次下運(yùn)行，提高機(jī)采系統(tǒng)效率，減少能耗。

技術(shù)一：四象限變頻技術(shù)。采用IGBT 功率模塊做整流橋，用高速度DSP 產(chǎn)生PWM 控制脈沖，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，將電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量回饋到電網(wǎng)，同時(shí)可以調(diào)整輸入電網(wǎng)的功率因數(shù)，消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。與普通變頻器（圖1） 相比，電流波形始終保持很好的正弦度（圖2），輸入電流的總畸變率小于5%，做到綠色節(jié)能無(wú)污染，使抽油機(jī)穩(wěn)定在變頻狀態(tài)。

圖1 普通變頻器典型六脈整流曲線

圖2 四象限變頻器電流曲線（接近正弦波）

技術(shù)二：變頻調(diào)速技術(shù)。應(yīng)用“最優(yōu)效益循環(huán)沖次規(guī)劃方法”（圖3），在求得準(zhǔn)確的有效沖程的基礎(chǔ)上根據(jù)油井的實(shí)際供液能力，動(dòng)態(tài)調(diào)整抽油機(jī)的沖次，當(dāng)抽油機(jī)沖次小于或等于N1 以下時(shí)，雖然抽油泵充滿度最高，但此時(shí)供液能力大于排液能力，油井產(chǎn)液能力未有效發(fā)揮，所以機(jī)采系統(tǒng)處于“虧損區(qū)”；當(dāng)抽油機(jī)沖次大于或等于N3 時(shí)，抽油機(jī)沖次過(guò)高，抽油泵充滿度下降較大，此時(shí)供液能力小于排液能力，雖然油井產(chǎn)液能力得到有效發(fā)揮，但造成了能耗浪費(fèi)，所以機(jī)采系統(tǒng)處于“虧損區(qū)”；當(dāng)抽油機(jī)沖次在N1 與N3 之間時(shí)，油井供排關(guān)系達(dá)到一定協(xié)調(diào)，機(jī)采系統(tǒng)處于“盈利區(qū)”，但只有沖次在N2 時(shí)，才能在最低能耗條件下，使抽油泵保持最高充滿度，此時(shí)供排關(guān)系達(dá)到最協(xié)調(diào)狀態(tài)。“最優(yōu)效益循環(huán)沖次規(guī)劃方法”就是通過(guò)數(shù)據(jù)采集與分析找到供排關(guān)系最協(xié)調(diào)狀態(tài)，在N2 沖次運(yùn)行，提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率，降低能耗。

圖3 最優(yōu)效益循環(huán)沖次規(guī)劃方法示意圖

技術(shù)三：輕驅(qū)動(dòng)技術(shù)。在工頻運(yùn)行時(shí)，抽油機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)而言是一個(gè)變化非常快的負(fù)載，為了保證最大的負(fù)載要求，電網(wǎng)一律按最重的負(fù)載狀態(tài)供電，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流增大，能耗較高，發(fā)熱量大，這就是重驅(qū)動(dòng)模式[3]。

四象限驅(qū)動(dòng)器能夠高速監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率變化，并根據(jù)負(fù)載的需求以及電動(dòng)機(jī)的特性來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)整電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電壓，重載時(shí)高電壓“重驅(qū)動(dòng)”、輕載時(shí)低電壓“輕驅(qū)動(dòng)”，在保證設(shè)備正常運(yùn)行的前提下，大幅減少勵(lì)磁電流，降低電動(dòng)機(jī)的能耗[4]。

經(jīng)測(cè)試證明在低負(fù)載率（負(fù)載率＜35%）的條件下，應(yīng)用“輕驅(qū)動(dòng)”節(jié)能模式最高可提高電動(dòng)機(jī)效率20%以上。

技術(shù)四：智能柔性驅(qū)動(dòng)技術(shù)。主要通過(guò)WellView 系列RTU 實(shí)現(xiàn)，經(jīng)高精度的三相標(biāo)準(zhǔn)源校對(duì)，可以按設(shè)定的時(shí)間間隔，高速度（每秒25組）、高精度（0.2%級(jí)）、以逐點(diǎn)同步的方式測(cè)試電能參數(shù)和示功圖曲線，并自帶電能參數(shù)特征識(shí)別系統(tǒng)，調(diào)整變頻器驅(qū)動(dòng)參數(shù)，降低電動(dòng)機(jī)的峰值載荷、降低抽油機(jī)的動(dòng)載、進(jìn)一步減少能耗[5-8]。

圖4 典型井單井功率分布示意圖

1.2 各技術(shù)對(duì)節(jié)能量的影響

在應(yīng)用每種技術(shù)的情況下，測(cè)試一段時(shí)間（5～10 min）的電參曲線，將有功功率從小到大排序，畫(huà)出有功功率的分布曲線后進(jìn)行對(duì)比（圖4）。從實(shí)測(cè)結(jié)果看，整體上沖次自動(dòng)調(diào)整節(jié)能效果較好，占節(jié)能量的73.2%，“智能柔性驅(qū)動(dòng)”+“輕驅(qū)動(dòng)”技術(shù)，在高功率電動(dòng)機(jī)（如董79-41 、 董81-39）和上下沖程抽油機(jī)負(fù)載變化較大的井（如董80-44、董80-40）中節(jié)能效果突出。

2 智能柔性控制技術(shù)應(yīng)用效果

2.1 總體實(shí)施效果

隴東油田的董志和白馬南區(qū)塊，屬于典型的超低滲透油藏，平均單井日產(chǎn)液量1.3 m3，抽油泵效僅29.5%，系統(tǒng)效率17.2%，單井日能耗71.2 kWh，從機(jī)采方式上看，生產(chǎn)參數(shù)已無(wú)下調(diào)空間，區(qū)塊噸液能耗高，開(kāi)發(fā)效益差。

2019 年應(yīng)用抽油機(jī)智能柔性控制技術(shù)，對(duì)412口井機(jī)采舉升系統(tǒng)進(jìn)行改造，與改造前的工頻狀態(tài)對(duì)比，系統(tǒng)效率提高了1.55%，抽油泵效提高4.2%，日耗電量減少1 826 kWh，綜合節(jié)電率為24.1%，抽油機(jī)智能柔性控制技術(shù)應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

2.2 單井效果分析

以董63-33 井為例（圖5）， 變頻狀態(tài)和工頻狀態(tài)相比基本消除了無(wú)功，變頻50 Hz 和工頻相比沖次基本沒(méi)變化， 但平均有功從3.18 kW 降到3.15 kW，最大電流從25.2 A 降到22.1 A，同沖次情況下有功節(jié)能0.8%，再考慮無(wú)功消除的綜合節(jié)能為14.5%。

結(jié)合供液的實(shí)際需求進(jìn)一步調(diào)低沖次到40 Hz和30 Hz，平均有功降到2.76 kW、2.07 kW，最大電流降到17.5 A 和12.5 A，有功節(jié)能達(dá)13.1%和34.8%，綜合節(jié)能為20.9%和43.8%，峰值功率和電流也大大降低，減少了對(duì)電網(wǎng)和抽油機(jī)的沖擊。

從示功圖對(duì)比看，董63-33 井在2.4 m 沖程、4.8 次/min 的工頻狀況條件下運(yùn)行，示功圖顯示嚴(yán)重供液不足，且管柱機(jī)械振動(dòng)較大，最大負(fù)載38.01 kN，最小負(fù)載19.93 kN，光桿功率1.97 kW（圖6）。

在變頻狀況運(yùn)行下，沖次可以降到2.03 次/min，最大負(fù)載35.37 kN，最小負(fù)載16.68 kN，光桿功率1.04 kW（圖7）。

表1 抽油機(jī)智能柔性控制技術(shù)應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)

圖5 董63-33 井工頻與變頻狀況下電參曲線對(duì)比

圖6 董63-33 井工頻條件下示功圖

圖7 董63-33 井變頻條件下示功圖

從兩種工況對(duì)比看，變頻狀況下，示功圖充滿程度明顯變化，且低沖次運(yùn)行振動(dòng)載荷較小，上行載荷下降較大，光桿功率顯著下降，節(jié)能效果明顯。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

抽油機(jī)智能柔性控制技術(shù)改造成本每口2.31 萬(wàn)元，按節(jié)電率按照24.1%計(jì)算，單井年節(jié)約費(fèi)用1.386 萬(wàn)元，投資回收期1.7 年。

2.4 節(jié)能技術(shù)對(duì)比及適應(yīng)性分析

2.4.1 節(jié)能技術(shù)對(duì)比

與機(jī)械采油井實(shí)施的主體節(jié)能改造項(xiàng)目對(duì)比，抽油機(jī)智能柔性控制技術(shù)具有較好的性?xún)r(jià)比，且通過(guò)對(duì)電網(wǎng)電動(dòng)機(jī)控制柜的一體化改造，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)控和調(diào)整，機(jī)采效率提升明顯[9-10]。

2.4.2 技術(shù)適應(yīng)性分析

抽油機(jī)智能柔性控制技術(shù)具有五項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)：專(zhuān)有變頻技術(shù)自動(dòng)跟蹤電動(dòng)機(jī)的負(fù)載來(lái)調(diào)整電，可減少電動(dòng)機(jī)發(fā)熱；自動(dòng)頻率跟蹤技術(shù)，可消除電能反送，能效更高且諧波減少，可調(diào)整電動(dòng)機(jī)的軟硬特性，讓普通電動(dòng)機(jī)具有高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)的性能；通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定油井供液能力，動(dòng)態(tài)調(diào)整沖次，保持最佳運(yùn)行參數(shù)，從源頭上降低能耗，提高效率；具有自動(dòng)平衡調(diào)整功能，給出專(zhuān)業(yè)的平衡調(diào)整建議，或自動(dòng)控制抽油機(jī)調(diào)平衡，使抽油機(jī)處在最節(jié)能和最安全的狀態(tài)，也可以減少抽油機(jī)的能耗；變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)并消除了無(wú)功功率，對(duì)供電線路和變壓器容量的需求降到原來(lái)的50%以下，可減少供電設(shè)備投資。

綜上所述，合理的低沖次條件下運(yùn)行，是提高機(jī)采效率和降低能耗的關(guān)鍵，智能柔性控制技術(shù)在沖次調(diào)整空間受限、間歇出液及電動(dòng)機(jī)負(fù)載率小于或等于30%的井中較為適用，具有較好的節(jié)能效果。

3 結(jié)論

1）抽油機(jī)智能柔性控制技術(shù)通過(guò)四項(xiàng)核心技術(shù)的應(yīng)用，具備生產(chǎn)參數(shù)自動(dòng)調(diào)整，倒發(fā)電反送電網(wǎng)，電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)，消除無(wú)功功率等功能，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，平均單井系統(tǒng)效率提高了1.55%，抽油泵效提高4.2%，綜合節(jié)電率為24.1%，節(jié)能效果突出。

2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，“變頻調(diào)速”技術(shù)具備的沖次自動(dòng)調(diào)整功能節(jié)能效果最好，占節(jié)能量的73.2%，“智能柔性驅(qū)動(dòng)”+“輕驅(qū)動(dòng)”技術(shù)，在高功率電動(dòng)機(jī)和上下沖程抽油機(jī)負(fù)載變化較大的井中節(jié)能效果突出。

3）從抽油機(jī)智能柔性控制技術(shù)改造后運(yùn)行情況看，不僅節(jié)能效果好，而且整個(gè)機(jī)械采油系統(tǒng)運(yùn)行更加順暢，突出表現(xiàn)在最大載荷下降，機(jī)械振動(dòng)載荷變小，示功圖變得更加飽滿，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)提高。

4）從經(jīng)濟(jì)效益看，抽油機(jī)智能柔性控制技術(shù)改造成本2.31 萬(wàn)元/口，單井年節(jié)約費(fèi)用1.386 萬(wàn)元，投資回收期1.7 年，初期投入偏大，對(duì)于沖次無(wú)下調(diào)整空間、間歇出液及電動(dòng)機(jī)負(fù)載率小于或等于30%的井中較為適用。

5） 機(jī)械采油節(jié)能是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，涉及的）技術(shù)類(lèi)型及改造方式較多，要從抽油機(jī)類(lèi)型、電動(dòng)機(jī)效率、控制系統(tǒng)性能、成本投入、可靠性及現(xiàn)場(chǎng)管理等方面多出發(fā)，才能取得較好的效益效果。