抽油機(jī)井能耗分析及多功能調(diào)速裝置的應(yīng)用

鄒潤發(fā)

（大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

某油田采油區(qū)近40 年一直使用游梁式抽油機(jī)采油，游梁式抽油機(jī)的工作原理是使用高轉(zhuǎn)差電機(jī)、永磁電機(jī)等設(shè)備通過有桿泵采油，其優(yōu)點(diǎn)是能夠有效節(jié)能，存在的弊端是操作不便、對相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化及開發(fā)節(jié)能技術(shù)等一系列問題，其中最明顯的問題出現(xiàn)在上下沖程這一環(huán)節(jié)中，速度不能根據(jù)實(shí)際桿管偏磨來確定。將有桿泵作為一個(gè)完整的系統(tǒng)進(jìn)行綜合測評，通過分析其工作過程找出影響采油能耗的因素，最終選擇抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置。

1 機(jī)械采油能耗影響因素分析

針對抽油機(jī)有桿泵的工作特點(diǎn)，將采油的整個(gè)過程進(jìn)行劃分，一般情況下，分別對地面和井下劃分出4 個(gè)節(jié)點(diǎn)，共8 個(gè)節(jié)點(diǎn)，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)存在的問題進(jìn)行相應(yīng)的研究和優(yōu)化。將地面使用的拖動(dòng)裝置改造作為首要任務(wù)，采用具有耐磨強(qiáng)度高、方便檢查等特點(diǎn)的節(jié)能設(shè)備，此做法的優(yōu)點(diǎn)是提高驅(qū)動(dòng)效率，在一定情況下能夠有效改善設(shè)備覆蓋率低的現(xiàn)象。但由于采用的拖動(dòng)裝置工作時(shí)的速度無法和預(yù)期的相匹配，稱為固定轉(zhuǎn)速，因此該系統(tǒng)效率無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

1.1 抽油機(jī)井能耗分析

由于抽油機(jī)井消耗的總能量為光桿功率和輸入電能總和，通過抽油機(jī)井的不同節(jié)點(diǎn)，針對性分析井下和地面能源消耗的分布情況。通過探究批量井能耗分布狀態(tài)，借助油井功圖載荷分析得出抽油機(jī)井光桿的工作功率，分別統(tǒng)計(jì)抽油機(jī)井地面和井下能耗，如圖1 所示，井下消耗的能量為總耗能量的3/5 左右。

圖1 抽油井功圖載荷分析

1.2 抽油機(jī)井井下能耗影響因素分析

有桿泵工作時(shí)，向上升起時(shí)的耗能等于在該環(huán)節(jié)作業(yè)時(shí)損失的能量和舉升液體所產(chǎn)生能量的疊加。地面損失能量和井下?lián)p失能量之和等于損失能量。一般情況下，地面損失的能量包括拖動(dòng)裝置耗能與連桿摩阻耗能兩個(gè)方面，從摩阻耗能角度來說，因?yàn)樵摷夹g(shù)發(fā)展較為完善，所以不做考慮。井下耗能包括：滑動(dòng)摩阻耗能、粘滯摩阻耗能、水擊耗能。由于水擊發(fā)生的時(shí)間短、頻率低，在進(jìn)行能耗分析時(shí)通常不做考慮。

抽油機(jī)作業(yè)時(shí)，從電機(jī)輸入功率角度分析主要包括：桿柱損失功率、滑動(dòng)損失功率、地面損失功率、粘滯損失功率和有效功率。

（1）粘滯損失功率。粘滯損失功率是指在有桿泵工作的過程中，由于被舉升的液體油會(huì)和抽油桿和油管產(chǎn)生摩擦，在摩擦過程中損耗的功率。粘滯損耗功率主要取決于油管直徑、液體黏度、抽油桿直徑、沖程、泵掛深度和沖次等6 個(gè)方面。

粘滯損失功率:

式中，Pr是粘滯損失功率，kW；s 是沖程，m；n 是沖次，次/min；μi為第i 段液體黏度，MPa·s；li是第i 段油管長度，m；m 是管徑桿徑比。

（2）滑動(dòng)損失功率。抽油機(jī)井由于井斜導(dǎo)致泵柱塞和泵筒之間的摩擦與抽油桿和油管之間摩擦損耗的功率。其功率的大小主要取決于桿管材質(zhì)、抽油桿重度、井斜的水平軌跡長度、沖程以及沖次等5 個(gè)方面的影響。

滑動(dòng)損失功率:

式中，Pk是滑動(dòng)損失功率，kW；fk是桿與管的磨擦因數(shù)；L 是井斜的水平軌跡長度，m；qr是桿重度，N/m；g 是重力加速度。

（3）桿柱損耗功率。有桿泵作業(yè)時(shí)，由于其產(chǎn)量不是一個(gè)穩(wěn)定的值，導(dǎo)致靜載荷上升，功率消耗加大。

式中，Wr是桿柱損耗功率，kW；fr是桿截面積，m2；ρs是抽油桿密度，kg/m3；L 是抽油桿長，m。

粘滯消耗的功率和沖次和沖程的平方呈正相關(guān)，與滑動(dòng)消耗的功率相同。由于井下相關(guān)的參數(shù)包括桿截面積和沖次，因此，優(yōu)化時(shí)應(yīng)該將目標(biāo)產(chǎn)液量作為條件，先降低沖次，然后再使抽油機(jī)井參數(shù)與目標(biāo)值相符合。

1.3 電機(jī)損失能量

抽油機(jī)工作過程中，電機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，因?yàn)槠涮厥獾囊?，必須?shí)現(xiàn)拖動(dòng)裝置符合最大條件，也就是最大沖程、最大沖次、最大允許掛重。另外，對于克服啟動(dòng)時(shí)靜態(tài)的不平衡問題，要有較高的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。因此，在分析后進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，初步設(shè)定的容量裕度值較高。作業(yè)的環(huán)境下，由于受到交變載荷的影響，在啟動(dòng)時(shí)所消耗的功率為普通的3～5 倍，該特點(diǎn)的影響導(dǎo)致抽油機(jī)井只能采用負(fù)載率低的電機(jī)。

在額定負(fù)荷下工作時(shí)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)處在功率消耗最低的范圍，但實(shí)際工作與理想情況不同，通常是輕載運(yùn)行。

臨界負(fù)荷率βa是指效率即點(diǎn)a 對應(yīng)的負(fù)荷率。當(dāng)βa＜β，其效率變化沒有較大的波動(dòng)，然而，在負(fù)荷率小于0.7 時(shí)，功率因數(shù)下降非常明顯，圖2是效率和功率因數(shù)隨負(fù)荷率變化曲線。

圖2 效率和功率因數(shù)隨負(fù)荷率變化曲線

電機(jī)節(jié)能技術(shù)在油田使用中主要從3 個(gè)方面實(shí)施：①高轉(zhuǎn)差或者超高轉(zhuǎn)差電機(jī)，對電機(jī)的機(jī)械特性進(jìn)行改變，使抽油機(jī)和電機(jī)能夠很好地匹配；②采用變頻類控制裝置，改變電機(jī)的機(jī)械特性進(jìn)而改善舉升系統(tǒng)效率；③雙功率或者三功率電機(jī)，提升電機(jī)的功率因數(shù)和負(fù)荷率，以達(dá)到節(jié)能的目的。

2 抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置的應(yīng)用

2.1 技術(shù)原理

抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置包括變頻器、傳感器等。傳感器識別上下沖程的位置信號，將識別信息傳遞到分析儀進(jìn)行信號整理后傳遞到變頻器；變頻器接受信號后，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速不停機(jī)調(diào)整等功能。

2.1.1 沖次精細(xì)調(diào)整

配套使用的電機(jī)為感應(yīng)式電機(jī)，由電機(jī)的級數(shù)和頻率決定感應(yīng)交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電機(jī)的極數(shù)值是2 的倍數(shù)，且是動(dòng)態(tài)的固定值，因此，通常采用改變供電頻率的方式改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。和采用改變級數(shù)的方式不同，當(dāng)電機(jī)通電后，其頻率作為一個(gè)電信號，頻率調(diào)節(jié)后使電機(jī)按需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整的基本原理：

式中，p 表示同步轉(zhuǎn)速，r/min；f1是電機(jī)匹配的定子供電電源頻率，Hz；p 是電機(jī)運(yùn)行過程中的磁極對數(shù)。

式中，n 是異步電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；s 是異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

從式（5）可以看出，n1和n 存在一個(gè)滑差關(guān)系。若需要完成電機(jī)的調(diào)速功能，則需要將p、s、f1的值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，改變頻率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的措施為頻率的調(diào)整與修改。

2.1.2 實(shí)現(xiàn)上快下慢運(yùn)行模式

實(shí)際工作過程中，采油油井通過設(shè)置電流平衡度、累計(jì)電量、在線時(shí)實(shí)監(jiān)測抽油機(jī)的電參數(shù)、抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置運(yùn)行模式（表1）等，在進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算后，對位于曲柄總承和減速箱輸出軸之間的傳輸感應(yīng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，分析抽油機(jī)在工作過程中的上下沖程位置，發(fā)出相應(yīng)的信號，將開關(guān)信號傳輸給分析儀，從而對抽油機(jī)在工作環(huán)境下，對沖程頻率開始監(jiān)測，能夠有效地在上下沖程位置之間穩(wěn)定進(jìn)行，最終達(dá)到在不停機(jī)的情況下，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行不間斷調(diào)節(jié)，達(dá)到工作要求。抽油機(jī)井在工作周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)上快下慢的方式，能夠有效提高泵效和充滿度。

表1 抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置運(yùn)行模式

2.1.3 實(shí)現(xiàn)功率隨動(dòng)運(yùn)行模式

抽油機(jī)帶負(fù)載時(shí)，電機(jī)負(fù)載監(jiān)測電路通過節(jié)能處理，CPU 根據(jù)負(fù)載下的抽油機(jī)進(jìn)行計(jì)算，通過模糊控制器將所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)分析整理，將整理后的數(shù)據(jù)傳送給功率調(diào)節(jié)器、節(jié)能模塊修復(fù)后，改善PWM 驅(qū)動(dòng)模塊，對調(diào)節(jié)電機(jī)的供給電壓進(jìn)行跟蹤后，降低電機(jī)工作過程中銅和鐵的損耗，使得電機(jī)處于功率因數(shù)較高、高效和經(jīng)濟(jì)的情況下工作。此外，對該設(shè)備采用多個(gè)監(jiān)測裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使抽油機(jī)能夠一直保持高效、穩(wěn)定的工作環(huán)境。

2.2 應(yīng)用效果

在現(xiàn)有的使用環(huán)境中，抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置的應(yīng)用，使該種類型的抽油機(jī)能夠很好地解決調(diào)參困難、啟動(dòng)困難等問題。變頻控制電機(jī)技術(shù)在相關(guān)作業(yè)區(qū)域應(yīng)用后，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益1602.76萬元，年節(jié)電2516.1×104kW·h。

2.2.1 沖次任意調(diào)節(jié)

抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置采用的電機(jī)型號為YCHD250-8/6，其頻率為30 Hz 時(shí)，運(yùn)行平穩(wěn)沖次為3.14 次/min，頻率為40 Hz時(shí)，運(yùn)行平穩(wěn)沖次為5.31 次/min，頻率為50 Hz 時(shí)，運(yùn)行平穩(wěn)沖次為6.34 次/min，節(jié)電率達(dá)到7.86%。

2.2.2 提高功率因數(shù)

對10 口老井、更新井連續(xù)監(jiān)測10 d 生產(chǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)和電參數(shù)，對比多功能調(diào)速裝置安裝前的數(shù)據(jù)，測得的功率因數(shù)由0.46提高到0.97，無功功率由12.22 kVar 下降至1.20 kVar。

2.2.3 抽油桿受力狀況得到改善

抽油桿作業(yè)時(shí)，沖次對其造成的影響需要重點(diǎn)關(guān)注。優(yōu)化抽油桿受力的方式有很多種，比如：通過變頻器對沖次做出調(diào)整、采用上快下慢或者是下快上慢措施。在研究中選擇12 口井進(jìn)行分析，連續(xù)記錄10 d 運(yùn)行過程總的工頻和變頻，數(shù)據(jù)分析顯示，抽油桿受力狀態(tài)明顯得到改善。

2.2.4 提高系統(tǒng)效率

油井作業(yè)時(shí)，在泵的充滿程度提升的情況下，井下的驅(qū)動(dòng)效率也會(huì)增加，從而有效地使四連桿機(jī)構(gòu)耗能減小，大幅提高了工作過程中的系統(tǒng)效率。

2.2.5 減少負(fù)功影響

為了減少出現(xiàn)負(fù)功的現(xiàn)象，應(yīng)用自動(dòng)調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行針對性的解決，相比之前的電機(jī)無功損耗，該措施能夠明顯減小這一損耗，使得電機(jī)一直保持高倍功率因數(shù)、高效的情況下工作。

2.6 熱洗清蠟效果提高

在對抽油機(jī)井進(jìn)行熱洗時(shí)，可以通過變頻器實(shí)現(xiàn)沖次調(diào)大，使得含水恢復(fù)期減短，理論排量在短時(shí)間內(nèi)提升，從而減少對產(chǎn)油量的負(fù)面影響。

3 結(jié)語

（1）采用變頻器的方式實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，符合抽油機(jī)井地面井下的參數(shù)精準(zhǔn)優(yōu)化。

（2）該設(shè)備段速使用6+1 形式，可以在6 中段速中任意選擇一種形式，1 種恒速的選擇，方便對沖次調(diào)參的穩(wěn)定性。

（3）在一個(gè)沖程周期中，抽油機(jī)井工作過程中實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行和變頻調(diào)速，并且實(shí)現(xiàn)泵充滿程度的有效增加，從而進(jìn)一步降低桿管偏磨的頻率。

（4）采用非節(jié)能電機(jī)節(jié)能技術(shù)，相比傳統(tǒng)方式，能夠有效使用現(xiàn)有的設(shè)備資源。