抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用和常見問題的分析及應(yīng)對策略

李 巖 馬軍嶺

(中國石化河南油田分公司采油二廠，河南唐河 473400)

我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得各項技術(shù)得到了大力發(fā)展，尤其是節(jié)能降耗技術(shù)。隨著各類節(jié)能降耗技術(shù)的快速發(fā)展，其在各行業(yè)以及各企業(yè)中的應(yīng)用范圍不斷地在擴(kuò)大[1]。在油田企業(yè)中，抽油機(jī)對于能源的消耗很大，所以文章將油田抽油機(jī)節(jié)能降耗技術(shù)及應(yīng)用作為探討對象。文章分析了油田抽油機(jī)能耗高的各種原因，并且探討了油田抽油機(jī)的各種節(jié)能降耗技術(shù)及應(yīng)用。

1.專用變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

1.1 常用抽油機(jī)問題

現(xiàn)階段油田石油開采過程中使用的抽油設(shè)備多為游梁式抽油機(jī)，該種抽油機(jī)類型在市場上最為多見，但是在使用過程中仍然存在一定問題。游梁式抽油機(jī)在使用過程中需反復(fù)上下提升，每個沖程提升一次，滑塊提升采油機(jī)桿進(jìn)入井內(nèi)，滑塊下降采油機(jī)桿將油帶出，這種情況下當(dāng)滑塊再次下降其負(fù)載逐漸降低，其拖動能量小無法吸引電動機(jī)，使電動機(jī)處于重復(fù)發(fā)電狀態(tài)，多余電量會喪失導(dǎo)致功率降低。而高壓沖擊多次會造成電動機(jī)出現(xiàn)損壞，由于設(shè)備維修成本較高，因此影響抽油機(jī)的節(jié)能降耗目標(biāo)[2]。

1.2 專用變頻節(jié)能改造注意事項

現(xiàn)階段交流變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于提高采油率降低電能耗中，情況下可以充分利用其節(jié)能性以及調(diào)速性實現(xiàn)電能調(diào)節(jié)。針對游梁式抽油機(jī)專用變頻節(jié)能技術(shù)改造是實現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵，這部分改造重點在于兩方面，其一，加強(qiáng)電網(wǎng)質(zhì)量，降低抽油機(jī)工作中對電網(wǎng)產(chǎn)生的不良影響。其二，主要是通過變頻改造實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。在開展抽油機(jī)變頻節(jié)能改造中需要充分重視以下幾點：a：嚴(yán)格依照抽油機(jī)大轉(zhuǎn)矩的特點已經(jīng)改造，防止出現(xiàn)電流過大情況。而且當(dāng)采油過程中其負(fù)荷會隨著抽油機(jī)的滑塊下降而逐漸下降，使電機(jī)進(jìn)行反復(fù)發(fā)電。作用于變頻器上的電能會通過轉(zhuǎn)化形成直流電，以此保證母線電壓。這種情況下需要加大對電壓控制，防止電壓過高，導(dǎo)致主要線路以及相關(guān)器件損壞。以電解電容和功率模塊為例，在開展變頻過程中需添加制動回路，照樣可以保證再生電壓作用于設(shè)備零氣價后不對其造成損害。b：由于抽油機(jī)在采油過程中往往處于環(huán)境較為惡劣的地理環(huán)境，情況下需要科學(xué)選擇變頻器，保證變頻器具有較高的抗外界風(fēng)險能力，對變頻器進(jìn)行雙層式控制柜設(shè)計，在設(shè)計過程中融入自動控制系統(tǒng)，通過自動控制系統(tǒng)可有效依據(jù)外界環(huán)境變化進(jìn)行溫度調(diào)整，使變頻器永遠(yuǎn)能夠在適宜環(huán)境下工作[3]。

1.3 專用變頻節(jié)能技術(shù)優(yōu)勢

將傳統(tǒng)抽油機(jī)改造為專用變頻節(jié)能抽油機(jī)可以保證抽油機(jī)的啟動方式由硬啟動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檐泦?，使啟動電流減小的情況下延長設(shè)備使用壽命。除此之外極大程度提高抽油機(jī)電機(jī)的功率；在減小損耗的同時可以有效降低作用于變壓器以及電網(wǎng)上的電流；具有較強(qiáng)的通用性，可以應(yīng)用到不同環(huán)境，不同條件下石油開采工作；抽油機(jī)施工過程中變壓器可以利用短路或者過壓等情況保護(hù)電機(jī)不受影響，使電機(jī)處于正常運作狀態(tài)；調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖程過程中可實現(xiàn)無極調(diào)節(jié)，保證調(diào)節(jié)范圍在抽油機(jī)不允許范圍內(nèi)；在操作過程中具有更高的便捷性，利用控制面板實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的改變輸入。

2.變頻節(jié)能技術(shù)問題以及策略

2.1 問題分析

變頻技術(shù)是抽油機(jī)節(jié)能發(fā)展中重要技術(shù)之一，對抽油機(jī)性能以及使用情況進(jìn)行協(xié)調(diào)完善。但是在變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用中同樣也存在著諸多影響因素。例如倒發(fā)電現(xiàn)象，控制管理缺少集中性，故障維修情況以及節(jié)能情況。這些問題都會在一定程度上影響變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用?，F(xiàn)階段變頻器多應(yīng)用在抽油機(jī)軟啟動調(diào)沖，調(diào)速，這種情況極大程度降低了抽油機(jī)的節(jié)能效果，因此需要積極加大節(jié)能策略研究。通過有效的節(jié)能策略，進(jìn)一步提高變頻節(jié)能技術(shù)在抽油機(jī)中的應(yīng)用價值。

2.2 策略講解

在抽油機(jī)上安裝變頻器，并且降低電動機(jī)運行頻率以及電動機(jī)轉(zhuǎn)速。這樣可使每個沖程的時間均延長，可以達(dá)到一定節(jié)能作用，通過相關(guān)實際中的應(yīng)用，該種策略可以有效實現(xiàn)15%～30%節(jié)能作用。除了在抽油機(jī)上安裝變頻器之外，還可以對沖方式進(jìn)行改變，實際油田開采過程中需要對井內(nèi)的油水比例進(jìn)行充分確定，結(jié)合游梁式抽油機(jī)抽油的運行特點?？茖W(xué)設(shè)置上沖程以及下沖程頻率，依據(jù)沖程需要科學(xué)地對電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使抽油機(jī)下降速度快，上升速度慢，這種情況可以極大程度實現(xiàn)電能節(jié)約，除此之外更加利于油田開采過程中的油水比例調(diào)整，以此提高石油開采產(chǎn)量。該種方法在實際應(yīng)用過程中對40臺游梁式抽油機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能技術(shù)改造，改造后的抽油機(jī)與改造之前的傳統(tǒng)抽油機(jī)耗能情況相比，電能消耗低于后者38%，且計算機(jī)產(chǎn)油量有所提高，因此該技術(shù)應(yīng)用的實際效益具有一定可觀性[4]。

3.節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用

3.1 高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)的應(yīng)用

抽油機(jī)因工作要求特殊，配套拖動裝置要同時達(dá)到3個“最大”要求— 最大行程，最大沖次和最大允許掛重。在這些條件下，就會產(chǎn)生很大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，從而導(dǎo)致抽油機(jī)的靜態(tài)不平衡問題。在某些情況下，當(dāng)達(dá)到某一臨界點后，由于功率裕度不足而使抽油機(jī)不能繼續(xù)工作，這時就必須提高其輸出功率或增加后備能力。抽油機(jī)在正常工作時，電動機(jī)的額定功率與輸出功率之比一般不超過20%或30%左右；若將這部分能量回收利用，則可節(jié)約大量電能。對于一般的電動機(jī)來說，這種運行效率及功率因數(shù)尤其低下。對于高轉(zhuǎn)差率多速電動機(jī)而言，因其曲線平緩，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，其數(shù)值變化較小，又因機(jī)械效率及功率因數(shù)比普通電動機(jī)高，使有功功率減小而功率因數(shù)增大。抽油機(jī)啟動快，運行平穩(wěn)，因此，可以減少抽油機(jī)減速箱扭矩。因此，在油田中廣泛使用。抽油機(jī)采用高轉(zhuǎn)差率電機(jī)是其主要特點之一。高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)機(jī)械特性造成抽油機(jī)懸點處最大載荷下降，抽油泵向上轉(zhuǎn)速變慢，抽油桿彈性變形變小，導(dǎo)致抽油泵填充系數(shù)變大，吸液量變大，每沖次來油變多，單位液耗電能下降。

3.2 抽油機(jī)的合理選型與適配

以《能耗最小的機(jī)采系統(tǒng)設(shè)計理論》為基礎(chǔ)，運用能耗最小的10種機(jī)采系統(tǒng)設(shè)計程序，以預(yù)測井內(nèi)目標(biāo)產(chǎn)液量，含水率，動液面為出發(fā)點，確定地面脫氣原油黏度及原油析蠟溫度等參數(shù)，得到井底原油的物理參數(shù)并確定油層中部溫度及地表溫度等參數(shù)，從而選擇抽油機(jī)型號。通過理論分析初定機(jī)采系統(tǒng)油管管徑、抽油泵泵徑、下泵深度、抽油桿材質(zhì)、桿柱結(jié)構(gòu)、抽油機(jī)沖程，沖次等范圍，尋找所有能滿足產(chǎn)液量要求的組合方式，為新建投油井優(yōu)化管柱布置，并優(yōu)選抽油機(jī)型號，做到設(shè)備合理選擇與適配。從2022年1月起，古城油田選擇20口新油井進(jìn)行測試。通過設(shè)計和優(yōu)化，選取寬帶鏈條換向抽油機(jī)WCYJD8-8-13Z作為試驗機(jī)型，單從抽油機(jī)能耗分析，取得較好的節(jié)能效果。優(yōu)化前單井實測平均功率為14.67千瓦。優(yōu)化后單井平均實測功率為7.38千瓦。單井平均節(jié)省功率為7.29千瓦。單井年平均節(jié)電31930.2度，平均節(jié)電率49.69%。

3.3 長沖程抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)

長沖程抽油機(jī)系統(tǒng)由地面部分和井下部分組成。接地部分由電機(jī)、配電箱、冠輪、導(dǎo)向架、柔性繩、絞車等組成。組合抽油桿使用在柔性光桿下方。1000米地下φ 58毫米刮蠟器每40米安裝一個。長沖程油井泵:多級管狀泵，長50米，柱塞1.2米，一級，深1400米。長沖程抽油機(jī)通過電動機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來帶動滾筒的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來驅(qū)動柔性光桿做上下往復(fù)移動，柔性光桿驅(qū)動井下抽油桿，抽油泵做往復(fù)移動來完成抽汲作業(yè)的全過程。因此，長沖程抽油機(jī)可實現(xiàn)連續(xù)采油或間歇采油。長沖程抽油機(jī)采用三相異步電動機(jī)并應(yīng)用了變頻控制系統(tǒng)，其額定功率達(dá)30千瓦,基本符合普通游梁式抽油機(jī)所采用電動機(jī)的機(jī)型及功率要求。節(jié)能原理主要表現(xiàn)為抽油機(jī)電動機(jī)上沖程時作正功，消耗電能大約為98%，下沖程及等待時間電動機(jī)作負(fù)功或不作功，消耗電能為2%左右。匹配基礎(chǔ)的安裝規(guī)范，做到與抽油機(jī)基礎(chǔ)的普適性；對老井進(jìn)行技改設(shè)計，確保長沖程抽油機(jī)的基礎(chǔ)能夠和原有的基礎(chǔ)相匹配；對新井進(jìn)行長沖程的抽油機(jī)專用基礎(chǔ)的設(shè)計，確保其使用的安全性。

3.4 游梁式抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)

當(dāng)前游梁式抽油機(jī)所用動力設(shè)備多倍三相異步電機(jī)中，這種電機(jī)屬感性負(fù)載類型。感性負(fù)載電動機(jī)在空載或輕載狀態(tài)下運行效率較低。電機(jī)處于輕載狀態(tài)時，由于電機(jī)的輸入電壓降低，使異步電動機(jī)反電動勢減小，主磁通增大，激磁電流增加，而磁化電流則隨鐵芯飽和程度的加深而減少。負(fù)荷電流減小，同時鐵耗正比于輸入端電壓，銅損正比于磁化電流。感性負(fù)載電動機(jī)在空載和輕載情況下都能工作。采用負(fù)載電阻是提高其起動性能的有效措施之一。電機(jī)在輕載狀態(tài)時，由于電機(jī)的輸入電壓比異步電動機(jī)大很多，因此產(chǎn)生了較大的反電動勢和主磁通，使其激磁電流增大，從而導(dǎo)致磁化電流增加，使得鐵芯上的負(fù)載電阻變大，造成電機(jī)的電抗值變大，影響電機(jī)的功率因數(shù)；負(fù)荷電流有所降低，而鐵耗與輸入端電壓成正比，銅損與磁化電流成正比。

4.總結(jié)

油田開采是我國實現(xiàn)能源自由的重要渠道，而我國近年來加大了油田開采力度，但是在油田開采過程中存在一定的問題，這種問題主要體現(xiàn)在低效率，高耗能情況，電能消耗水平與石油開采量不成正比，導(dǎo)致電能消耗過大。抽油機(jī)專用變頻節(jié)能技術(shù)可以有效提升抽油機(jī)出油產(chǎn)量，同時還可以有效減少電能消耗，但是在變頻節(jié)能技術(shù)改造過程中需要充分結(jié)合抽油機(jī)實際性能進(jìn)行操作，只有這樣才能充分實現(xiàn)變頻節(jié)能目的，減少電能消耗。