大慶外圍油田抽油機(jī)井“峰谷平”不停機(jī)間抽技術(shù)的試驗(yàn)與應(yīng)用

王智文（大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠）

1 背景介紹

近年來，大慶油田某外圍采油廠正處在由攻關(guān)上產(chǎn)向持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)過渡的關(guān)鍵時(shí)期，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，操作成本也隨之增加，尤其前期油價(jià)低迷時(shí)期高投入低產(chǎn)出的矛盾尤為凸出。因此，如何在增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)效益最大化，成為采油廠攻堅(jiān)克難的主要問題。隨著規(guī)模不斷擴(kuò)大，耗電量也在逐年正比上升，電費(fèi)支出就越來越多；處于開發(fā)中后期的采油區(qū)塊，采出液含水量逐年升高，噸油采出成本也在逐年遞增，效益空間是越來越小，高成本低產(chǎn)出的客觀開發(fā)形勢逐漸凸顯出來。

因此，嚴(yán)格控制高峰時(shí)段用電，合理利用“谷平”時(shí)段用電，最大程度降低生產(chǎn)成本。高峰時(shí)段8h，低谷時(shí)段7h，平時(shí)段9h。全天共劃分了6個(gè)時(shí)間段，2021年某采油廠間抽井達(dá)到5416口，占到開井?dāng)?shù)的92.6%，若人工實(shí)施“峰谷平”間抽，前線工人勞動(dòng)強(qiáng)度加大。因此，無法通過人工間抽進(jìn)行錯(cuò)峰優(yōu)化運(yùn)行。

為降低前線工人勞動(dòng)強(qiáng)度，2018—2020年在間抽井上共安裝不停機(jī)間抽配電箱1296套。2021年利用不停機(jī)間抽配電箱試驗(yàn)應(yīng)用“峰谷平”不停機(jī)間抽運(yùn)行模式，一方面確保地面設(shè)備不停機(jī)安全擺動(dòng)運(yùn)行，井下抽油泵間歇采油，實(shí)現(xiàn)油井供排協(xié)調(diào)，另一方面提高了抽油機(jī)的工作效率，實(shí)現(xiàn)了間抽井效益最大化。

2 “峰谷平”不停機(jī)間抽基本原理及應(yīng)用效果

2.1 主要功能模塊組成

“峰谷平”不停機(jī)間抽是在常規(guī)不停機(jī)間抽技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造，主要由曲柄位置傳感器、電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、三相電監(jiān)測傳感器、智能控制器、7寸觸摸液晶顯示屏和內(nèi)置遠(yuǎn)程模塊RS485接口等6部分組成，不停機(jī)間抽主要功能模塊安裝位置見圖1。

圖1 不停機(jī)間抽主要功能模塊安裝位置

曲柄位置傳感器：安裝在對應(yīng)光桿下死點(diǎn)的曲柄位置處，監(jiān)測每個(gè)沖程內(nèi)下死點(diǎn)所對應(yīng)的曲柄位置。

1）電動(dòng)機(jī)傳感器：安裝在電機(jī)尾軸上，針對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測。

2）電參監(jiān)測傳感器：安裝在控制箱內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)電參靜態(tài)數(shù)據(jù)的采集。

3）智能控制器：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理、運(yùn)行參數(shù)的運(yùn)算處理以及運(yùn)行指令的運(yùn)算和下達(dá)等作用，能夠控制整周運(yùn)行與擺動(dòng)運(yùn)行[1]。

4）采集的數(shù)據(jù)主要包括：三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電流平衡度、功率平衡度、累計(jì)電量、故障報(bào)警、充滿度、頻率、沖次、搖擺幅度、“峰谷平”制度設(shè)置以及相關(guān)的數(shù)據(jù)圖表等等。

2.2 基本原理

該裝置以變頻控制為基礎(chǔ)，通過輔助控制裝置發(fā)送控制指令，在負(fù)載最低點(diǎn)附近處利用曲柄動(dòng)能與勢能的交替轉(zhuǎn)換，以柔性加載的供電方式，控制曲柄低功率運(yùn)行擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)井平衡塊小范圍往復(fù)擺動(dòng)的運(yùn)行模式，不停機(jī)間抽技術(shù)原理見圖2。

圖2 不停機(jī)間抽技術(shù)原理

這種往復(fù)擺動(dòng)的運(yùn)行模式是采用的曲柄擺動(dòng)運(yùn)行與整周運(yùn)行相結(jié)合的方式，可以通過智能控制配電箱進(jìn)行設(shè)定合理的運(yùn)行時(shí)間以及曲柄擺動(dòng)角度，使低產(chǎn)井供排關(guān)系趨于合理[2]。

搖擺運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入非抽汲狀態(tài)時(shí)，曲柄位于減速箱負(fù)載最小點(diǎn)時(shí)，電機(jī)進(jìn)行單向推動(dòng)使曲柄擺動(dòng)，擺動(dòng)時(shí)，桿柱運(yùn)動(dòng)控制在彈性變形范圍內(nèi)，桿柱在井筒中擾動(dòng)井液，井下柱塞保持不動(dòng)，防止井口凍以及井筒結(jié)蠟，到達(dá)設(shè)定的時(shí)間，電動(dòng)機(jī)會(huì)自動(dòng)柔性啟動(dòng)，使得抽油機(jī)連續(xù)運(yùn)行生產(chǎn)。

整周運(yùn)行時(shí)，為保證效率，以工頻沖次為主，也可以通過變頻調(diào)整。抽油機(jī)啟動(dòng)后先進(jìn)入整周運(yùn)行，進(jìn)行采油工作。整周運(yùn)行時(shí)間到達(dá)后進(jìn)入擺動(dòng)階段，擺動(dòng)時(shí)間到達(dá)后再次進(jìn)入整周運(yùn)行階段，實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)行，不停機(jī)間抽模式邏輯圖見圖3。這樣，整個(gè)運(yùn)行流程就實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)井不停機(jī)間抽運(yùn)行能夠，實(shí)現(xiàn)間抽井連續(xù)、安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)[3]。

圖3 不停機(jī)間抽模式邏輯圖

2.3 技術(shù)理念

結(jié)合目前油公司提出的“峰谷平”電價(jià)，參考目前數(shù)字化建設(shè)情況，針對不停機(jī)間抽技術(shù)，進(jìn)行改造和試驗(yàn)，對整個(gè)配電箱顯示屏的操作端進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)快捷、準(zhǔn)確性操作。圖4是軟件端可調(diào)控的部分參數(shù)。優(yōu)化后的“峰谷平”不停機(jī)間抽制度見圖5。

圖4 “峰谷平”不停機(jī)間抽軟件部分顯示的參數(shù)

圖5 “峰谷平”不停機(jī)間抽制度

首次進(jìn)入軟件首頁，輸入操作密碼完成登錄，然后進(jìn)入搖擺功能界面，調(diào)整設(shè)置擺動(dòng)幅度，并在“實(shí)際產(chǎn)液量”中輸入數(shù)據(jù)，抽油機(jī)即可按照對應(yīng)制度實(shí)現(xiàn)“峰谷平”搖擺運(yùn)行（運(yùn)行時(shí)間和搖擺時(shí)間也可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行調(diào)整）。

2.4 “峰谷平”不停機(jī)間抽技術(shù)應(yīng)用效果

以IPR生產(chǎn)曲線為依據(jù)，以穩(wěn)定流壓生產(chǎn)、保證系統(tǒng)效率為基本原則，確定最佳的抽汲時(shí)間和搖擺時(shí)間，一般30min為一個(gè)周期，30min內(nèi)任意可調(diào)，可根據(jù)單井情況采取不同的間抽制度，多樣化的間抽方式可實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果最大化。

由于曲柄在抽油機(jī)的桿柱彈性變形范圍內(nèi)擺動(dòng)運(yùn)行，擺動(dòng)時(shí)電機(jī)的運(yùn)行能耗非常低（平均有功功率1kW左右），通過電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和位移傳感器能夠有效控制擺動(dòng)幅度，在整周與擺動(dòng)運(yùn)行切換過程中，采用柔性軟啟動(dòng)技術(shù)，避免頻繁啟動(dòng)對整個(gè)抽油系統(tǒng)的沖擊[4]。

2.4.1 常規(guī)不停機(jī)間抽試驗(yàn)效果

統(tǒng)計(jì)207口井應(yīng)用效果：與原有24h正常生產(chǎn)相比較，采用不停機(jī)間抽技術(shù)的抽油機(jī)井，在平均日產(chǎn)液基本持平的情況下，平均日節(jié)電55kWh，有功節(jié)電率33.1%，系統(tǒng)效率提高3.0%，泵效提高4.2%，不同周期下的常規(guī)不停機(jī)間抽測試效果見表1。圖6為井1試驗(yàn)初期示功圖變化情況（每周測試一次），反映不停機(jī)間抽井的示功圖充滿度比正常開井示功圖更好一些，說明不停機(jī)間抽技術(shù)可以有效改善油井供排關(guān)系，同時(shí)還能夠大幅降低機(jī)采單井能耗，同時(shí)提高抽油機(jī)系統(tǒng)效率，節(jié)能效果比較明顯[5-8]，功率變化曲線見圖7。

圖6 井1安裝前及擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)示功圖變化情況

圖7 井1整周運(yùn)行及不停機(jī)搖擺運(yùn)行時(shí)功率變化曲線

表1 不同周期下的常規(guī)不停機(jī)間抽測試效果

2.4.2 “峰谷平”不停機(jī)間抽試驗(yàn)效果

2021年3月17日在常規(guī)不停機(jī)間抽技術(shù)基礎(chǔ)上升級改造為“峰谷平”不停機(jī)間抽，改造后分時(shí)段進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，并進(jìn)行了運(yùn)行期間用電量、系統(tǒng)效率測試。

按日產(chǎn)液分級，結(jié)合“峰谷平”時(shí)間段，按照分六種制度執(zhí)行，綜合考慮峰谷平電價(jià)，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，高峰時(shí)段“運(yùn)短擺長”，低谷時(shí)段“運(yùn)長擺短”。根據(jù)不同產(chǎn)量，對6口井采用優(yōu)化后的制度進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)[9-10]（表2）。

表2 “峰谷平”試驗(yàn)6口井改造后運(yùn)行制度

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知（表3），進(jìn)行不停機(jī)間抽改造后，平均單井有功功率下降3kW，日節(jié)電71.9kWh，節(jié)電率達(dá)到42%，系統(tǒng)效率提高5.5%。

表3 “峰谷平”試驗(yàn)6口井改造前后效果對比

3 效益分析

1）總投入方面：單套設(shè)備3.8萬元。

2）“峰谷平”效益：應(yīng)用“峰谷平”錯(cuò)峰運(yùn)行后，在不停機(jī)間抽節(jié)電的基礎(chǔ)上，平均單井額外可日節(jié)約電費(fèi)4.6元，“峰谷平”試驗(yàn)井效益計(jì)算見表4。

表4 “峰谷平”試驗(yàn)井效益計(jì)算

3）整體效益：不考慮“峰谷平”電價(jià)，按照單井日節(jié)電55kWh，單井年可節(jié)約電費(fèi)1.26萬元；考慮峰谷平電價(jià)后，年節(jié)電效益提高1656元，全年單井預(yù)計(jì)節(jié)約電費(fèi)1.43萬元。投資回收期2.66年。

4 結(jié)論

1）抽油機(jī)不停機(jī)間抽技術(shù)通過整周運(yùn)行與擺動(dòng)運(yùn)行相結(jié)合的模式，將長周期的集中式人工間抽轉(zhuǎn)變成多輪次短周期分散式的不停機(jī)間抽，將各個(gè)短周期的合理流壓波動(dòng)幅度控制在合理范圍內(nèi)，在保證泵的充滿度情況下，確保抽油機(jī)井產(chǎn)能得到充分釋放。

2）不停機(jī)間抽不需要前線員工對抽油機(jī)進(jìn)行頻繁起停，降低了人員安全和頻繁起停抽油機(jī)對設(shè)備造成的磨損。尤其對于結(jié)蠟嚴(yán)重井，有效降低油井因長時(shí)間停井造成蠟卡上作業(yè)的可能性。

3）“峰谷平”不停機(jī)技術(shù)一方面確保地面設(shè)備不停機(jī)安全擺動(dòng)運(yùn)行，另一方面實(shí)現(xiàn)操作成本最大程度的降低。同時(shí)，下步針對常規(guī)不停機(jī)間抽改造為“峰谷平”不停機(jī)間抽技術(shù)，建議該項(xiàng)改造工作需同油田數(shù)字化建設(shè)工作相結(jié)合，達(dá)到改造后可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化及控制的目的。

4）不停機(jī)“峰谷平”電價(jià)間抽目前處于試驗(yàn)起步階段，下步將繼續(xù)進(jìn)行制度優(yōu)化，宏觀調(diào)控“谷時(shí)”與“峰時(shí)”的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)間抽效益最大化。