基于降低機(jī)采單耗的抽油機(jī)柔性運(yùn)行技術(shù)研究與應(yīng)用

＊周俁玒

（中國(guó)石油青海油田分公司采油三廠 青海 816400）

抽油機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，受自身結(jié)構(gòu)特性影響，電機(jī)與減速箱將會(huì)承受一定的負(fù)載，且這種負(fù)載會(huì)處于一種周期性變化狀態(tài)。尤其是電機(jī)和減速箱在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，扭矩峰值與交變整體的幅度比較大，這意味著電機(jī)輸入功率曲線將會(huì)出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)。受此影響，電機(jī)會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)載問(wèn)題。減速箱輸出軸扭矩在進(jìn)行方向轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，齒輪會(huì)出現(xiàn)“背擊”問(wèn)題。抽油機(jī)在正常的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，懸點(diǎn)速度軌跡遵循的是準(zhǔn)正弦規(guī)律，桿柱會(huì)受到不均衡振動(dòng)的影響，承受一種慣性載荷，從而對(duì)抽油桿柱造成嚴(yán)重的沖擊。抽油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，曲柄裝置會(huì)呈勻速圓周轉(zhuǎn)動(dòng)方式，這會(huì)導(dǎo)致泵柱塞運(yùn)行速度無(wú)法均勻分布，產(chǎn)生較高的速度峰值。在少部分出油井中，供液因?yàn)椴粔虺渥?，還會(huì)引起泵燒壞問(wèn)題。抽油機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，面臨的負(fù)載很大。為了保障啟動(dòng)安全性，在抽油機(jī)中只能配置大功率電動(dòng)機(jī)，同時(shí)對(duì)變送器裝置容量也有著較高的要求。雖然這種配置能夠確保抽油機(jī)安全啟動(dòng)，但會(huì)導(dǎo)致電機(jī)負(fù)載利用率下降。因此為了降低抽油機(jī)的能耗，提升抽油機(jī)運(yùn)行效果，近年來(lái)，在一些油田中會(huì)采用變頻控制技術(shù)。通過(guò)應(yīng)用這種技術(shù)，可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速性能，提升電機(jī)啟動(dòng)穩(wěn)定性，有效解決電動(dòng)機(jī)變速難、啟動(dòng)電流大等問(wèn)題，降低抽油機(jī)的整體能耗，提高抽油機(jī)的運(yùn)行效率。但采用變頻控制技術(shù)，只能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機(jī)軟啟動(dòng)。無(wú)法結(jié)合實(shí)際情況，做好上下沖程時(shí)間的合理分配，也無(wú)法在一個(gè)沖程周期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)變速調(diào)整，因此抽油機(jī)在能耗降低方面依然有很大的提升空間。為了有效降低抽油機(jī)的能耗，有必要加強(qiáng)抽油機(jī)柔性運(yùn)行技術(shù)的研究分析。通過(guò)應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，可以促使抽油器整個(gè)運(yùn)行過(guò)程實(shí)現(xiàn)柔性變更控制運(yùn)行，從而顯著提升抽油系統(tǒng)的整體性能，顯著降低抽油機(jī)的能耗[1]。

1.抽油機(jī)柔性啟動(dòng)運(yùn)行技術(shù)及其特點(diǎn)

相較于普通的變頻控制技術(shù)，抽油機(jī)柔性啟動(dòng)技術(shù)功能更加強(qiáng)大，該項(xiàng)技術(shù)在抽油機(jī)的電機(jī)與曲柄裝置之上安裝了傳感器，用于采集電信號(hào)，并對(duì)懸點(diǎn)位置進(jìn)行智能分析，找出其與電機(jī)負(fù)荷之間具備的關(guān)系。最后，以上下沖程負(fù)載變化為依據(jù)，合理地進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的調(diào)整，同時(shí)確保電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、輸出功率等符合實(shí)際運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡動(dòng)態(tài)調(diào)整。在柔性啟動(dòng)技術(shù)的幫助下，還會(huì)充分利用抽油機(jī)系統(tǒng)的慣性，合理降低運(yùn)行功率，并促使電機(jī)電流、扭矩峰值等處于一個(gè)最佳的狀態(tài)，提升抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)能量輸出的均衡性。在啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由零提升至所需要的轉(zhuǎn)速，期間不會(huì)出現(xiàn)大電流、啟動(dòng)功率較大波動(dòng)等問(wèn)題，確保電機(jī)可以穩(wěn)定、安全啟動(dòng)[2]。

總之，柔性運(yùn)行技術(shù)是一種比較實(shí)用的抽油機(jī)運(yùn)行控制技術(shù)，這種技術(shù)有很多優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，比如在不改變抽油機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)的前提下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行速度，從而改變抽汲頻率，促使柱塞運(yùn)動(dòng)速度分布更加均衡，在提升抽油機(jī)運(yùn)行效率的同時(shí)，顯著降低能耗。又如柔性運(yùn)行技術(shù)的應(yīng)用，還能夠有效降低抽油機(jī)因軸向壓力產(chǎn)生的徑向偏磨力，減少桿管疲勞，降低井下采油無(wú)功損耗，提升采油經(jīng)濟(jì)性。再如在抽油機(jī)中應(yīng)用柔性運(yùn)行技術(shù)，還可以提升設(shè)備的使用壽命，減少停機(jī)時(shí)間以及維修作業(yè)，推動(dòng)石油抽采實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展。

2.基于降低機(jī)采單耗的抽油機(jī)柔性運(yùn)行技術(shù)研究

（1）變軌控制優(yōu)化。這種技術(shù)可以從變速驅(qū)動(dòng)入手，獲取抽油機(jī)的懸點(diǎn)速度軌跡。在抽油機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，懸點(diǎn)速度如果發(fā)生改變，將會(huì)對(duì)柱塞運(yùn)動(dòng)造成嚴(yán)重的影響。這種影響除了表現(xiàn)在泵的漏失率方面，還表現(xiàn)在下沖程過(guò)程中，流體對(duì)柱塞阻尼頂托力的大小方面。當(dāng)桿柱與液柱慣性力發(fā)生變化，則會(huì)影響桿柱的受力分布情況。

通過(guò)變軌控制技術(shù)的優(yōu)化，可以有效抑制慣性作用。在這一過(guò)程中，柱塞啟動(dòng)后，需要控制器加速過(guò)程，從而在上沖程階段，減少慣性對(duì)桿柱負(fù)載帶來(lái)的影響。與此同時(shí)，通過(guò)變軌控制技術(shù)的優(yōu)化，還能夠?qū)諝庥绊懫鸬揭欢ǖ囊种谱饔?。在這一過(guò)程中，需要立足上行全過(guò)程。加強(qiáng)對(duì)柱塞運(yùn)行速度的控制，合理調(diào)整泵筒空間相對(duì)負(fù)壓，從而避免溶解氣溢出對(duì)柱塞運(yùn)行造成負(fù)面影響。通過(guò)變軌控制技術(shù)的優(yōu)化，還能對(duì)下行偏磨帶來(lái)抑制作用，通過(guò)立足下行全過(guò)程，加強(qiáng)對(duì)柱塞最大運(yùn)行速度的控制，當(dāng)液流通過(guò)游動(dòng)凡爾時(shí)，可以對(duì)其壓頭差造成控制影響，最終有效減小下沖程帶來(lái)的動(dòng)態(tài)偏磨影響。

（2）抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)診斷識(shí)別。對(duì)柔性運(yùn)行技術(shù)而言，本身具有一定的智能性，可以利用相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下抽油機(jī)運(yùn)行工況狀態(tài)的診斷與識(shí)別。柔性運(yùn)行技術(shù)的主要識(shí)別對(duì)象為光桿的速度和曲柄軸扭矩負(fù)荷。在這一過(guò)程中，采用模式特征識(shí)別方法，可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行診斷識(shí)別分析。抽油機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，自身的運(yùn)行方式將會(huì)對(duì)下流壓穩(wěn)定性、抽油泵功率、懸點(diǎn)最大載荷和交變載荷造成直接影響。而針對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置負(fù)荷峰值、地面系統(tǒng)的平衡率等，抽油機(jī)的運(yùn)行也會(huì)產(chǎn)生間接的影響。通過(guò)對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷識(shí)別，針對(duì)上下行程時(shí)間比，可以在0.5～2范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)設(shè)定。如果井下油田供液高于采液，通過(guò)對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷識(shí)別，可以起到參數(shù)自主調(diào)節(jié)的作用。反之，通過(guò)對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷識(shí)別，可以避免出現(xiàn)液擊現(xiàn)象。

（3）柔性運(yùn)行控制。通過(guò)應(yīng)用柔性運(yùn)行控制技術(shù)，在抽油機(jī)中配置傳感器，可以采集電機(jī)運(yùn)行信號(hào)，對(duì)懸點(diǎn)位置與電機(jī)負(fù)荷之間的關(guān)系進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。從而根據(jù)懸點(diǎn)的實(shí)際負(fù)荷，制定出對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化方案[3]。與傳統(tǒng)的變頻控制技術(shù)相比，柔性運(yùn)行控制轉(zhuǎn)被動(dòng)為主動(dòng)，可以主動(dòng)對(duì)電機(jī)變速驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制，從而能夠結(jié)合實(shí)際工況，合理地調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，本身沒(méi)有改變能量消耗。而是基于抽油機(jī)不同的工況，合理地進(jìn)行能量分配，從而顯著提升電能的利用率，降低了整體的能耗。

（4）負(fù)荷功率再分布技術(shù)。抽油機(jī)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，針對(duì)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率的再分布，該項(xiàng)技術(shù)可以在不同工況下，改變調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)曲柄運(yùn)行速度、加速度的再分布。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)展變化時(shí)，電機(jī)輸出功率也會(huì)隨之變化。通過(guò)負(fù)荷功率再分布，本質(zhì)上是結(jié)合實(shí)際需求，提升電機(jī)功率變化的適應(yīng)性。

3.基于降低機(jī)采單耗的抽油機(jī)柔性運(yùn)行技術(shù)應(yīng)用分析

（1）實(shí)驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容。為了更好地評(píng)價(jià)抽油機(jī)柔性運(yùn)行技術(shù)的應(yīng)用效果，本次通過(guò)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，對(duì)電機(jī)啟動(dòng)/運(yùn)行電流、啟動(dòng)/運(yùn)行功率以及不同沉沒(méi)度井的示功進(jìn)行分析。

（2）實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法。在本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，采用了專業(yè)的電力測(cè)量?jī)x器作為測(cè)量工具。在測(cè)量的過(guò)程中，首先需要調(diào)整控制開(kāi)關(guān)，使其處于工頻運(yùn)行狀態(tài)。然后再利用測(cè)量工具，完成電機(jī)啟動(dòng)/運(yùn)行電流、啟動(dòng)/運(yùn)行功率的測(cè)量。電機(jī)運(yùn)行時(shí)間為16min，期間需要完成電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的記錄。隨后，還需要通過(guò)調(diào)整控制開(kāi)關(guān)，使其處于優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)。再利用測(cè)量工具，完成電機(jī)啟動(dòng)/運(yùn)行電流、啟動(dòng)/運(yùn)行功率的測(cè)量。電機(jī)運(yùn)行時(shí)間為16min，期間需要完成電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的記錄。最后，還需要記錄沉沒(méi)井的功率信息。

（3）選井條件。本次實(shí)驗(yàn)選擇在某采油廠開(kāi)展，測(cè)井?dāng)?shù)量為6口，井號(hào)可以分別記錄為1～6號(hào)。不同采油井基本情況信息，如表1所示。

表1 不同采油井基本情況信息

4.結(jié)果分析

（1）啟動(dòng)功率、電流對(duì)比分析。在本次實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)以上述6口井為研究對(duì)象，對(duì)應(yīng)用柔性運(yùn)行技術(shù)的啟動(dòng)電流以及功率進(jìn)行了對(duì)比分析。從中可知，在柔性運(yùn)行技術(shù)的幫助下，電機(jī)的啟動(dòng)功率與電流均得到了明顯的下降。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，啟動(dòng)功率的峰值比為9.62:1，啟動(dòng)電流峰值比為17.93:1。之所以產(chǎn)生這一問(wèn)題，可以采用公式（1）解釋背后的原因：

式中，M()?代表的是電機(jī)扭矩；P()?代表的電機(jī)功率；()?ω代表的轉(zhuǎn)速。抽油機(jī)在實(shí)際啟動(dòng)的過(guò)程中，一般對(duì)啟動(dòng)扭矩有著較高的要求。在實(shí)際工況要求下，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速會(huì)不斷地提升，一直提升到滿足實(shí)際工況要求的頻率。在柔性啟動(dòng)模式下，需要應(yīng)用變頻裝置。通過(guò)柔性運(yùn)行技術(shù)的支持，在達(dá)到同樣的扭矩目標(biāo)下，實(shí)際需要的功率更小，啟動(dòng)電流也非常低，這意味著電機(jī)在啟動(dòng)后，可以通過(guò)低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)獲得符合工況要求的大扭矩。在工頻狀態(tài)下，電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，一般在極短時(shí)間內(nèi)需要達(dá)到電機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù)，為了達(dá)到扭矩要求，必然需要提升電機(jī)功率，那么實(shí)際耗電量將會(huì)增加。通過(guò)上述對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，柔性運(yùn)行技術(shù)下的電機(jī)對(duì)啟動(dòng)功率、電流要求更低，實(shí)際能耗也更少。

（2）運(yùn)行功率、電流對(duì)比分析。為了對(duì)柔性運(yùn)行技術(shù)更好地進(jìn)行評(píng)價(jià)，在本次實(shí)驗(yàn)中，選擇了6口井，借助電力測(cè)量?jī)x器作為測(cè)量工具，對(duì)工作電流以及功率進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試分析。從最終的結(jié)果來(lái)看，運(yùn)行功率與運(yùn)行電流下降比較明顯。其中電機(jī)的功率峰值比為2.61:1，電流的峰值比為2.58:1。抽油機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，在變頻控制模式下，工頻范圍是34～50Hz。并且在運(yùn)行過(guò)程中，工頻變化具有一定的規(guī)律性。從而可以判斷，電機(jī)在面臨高負(fù)載時(shí)，依然可以在低功率模式下，提供較大的扭矩。保持高速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高功率運(yùn)行。如此一來(lái)，可以顯著提升電機(jī)的有效功率，降低電機(jī)電能損耗。

（3）不同沉沒(méi)度下井泵工作狀況對(duì)比分析。從結(jié)果來(lái)看，沉沒(méi)度在100m以內(nèi)的井，沖次得到了顯著提升，沉沒(méi)度下降，每天的耗電量降低，井泵效率得到了有效的提升。而沉沒(méi)度在100～300m的井，在應(yīng)用柔性運(yùn)行技術(shù)后，起到的效果與沉沒(méi)度在100m以內(nèi)的井基本相同。其中電能節(jié)約效果表現(xiàn)得更加突出。沉沒(méi)度在300m以上的井，在應(yīng)用柔性運(yùn)行技術(shù)后，除了展現(xiàn)出較強(qiáng)的節(jié)電效果以外，沉沒(méi)度下降幅度更大。從中可知，在柔性運(yùn)行技術(shù)的幫助下，采油井的沖次、產(chǎn)液量和沉沒(méi)度基本維持穩(wěn)定，但抽采機(jī)的耗電量顯著降低，泵運(yùn)行效率提升，由此可以更好地發(fā)揮出節(jié)能降耗的作用價(jià)值。

5.結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)抽油機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，能耗過(guò)高，還會(huì)增加設(shè)備磨損，不利于抽油機(jī)設(shè)備使用壽命提升。因此需要通過(guò)加強(qiáng)柔性運(yùn)行技術(shù)的應(yīng)用，從而有效解決這一問(wèn)題，促使抽油機(jī)的電機(jī)裝置在運(yùn)行時(shí)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、功率的合理分配，有效降低抽油機(jī)能耗，提升抽油機(jī)的運(yùn)行性能，降低石油生產(chǎn)成本，推動(dòng)采油生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定順利發(fā)展。本次研究中，通過(guò)結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)，分析了柔性運(yùn)行技術(shù)實(shí)際應(yīng)用效果。結(jié)果表明，在柔性運(yùn)行技術(shù)的應(yīng)用下，電機(jī)對(duì)啟動(dòng)功率、電流要求更低，有效降低了啟動(dòng)能耗。在柔性運(yùn)行技術(shù)的支持下，電機(jī)在面臨高負(fù)載情況時(shí)，依然可以在低功率運(yùn)行模式下提供較大的扭矩。保持高速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高功率運(yùn)行，從而提升電機(jī)的有效功率，降低電機(jī)電能損耗。不僅如此，在柔性運(yùn)行技術(shù)的幫助下，采油井的沖次、產(chǎn)液量和沉沒(méi)度基本維持穩(wěn)定，抽采機(jī)的耗電量顯著降低，泵運(yùn)行效率提升，因此更有利于節(jié)約采油成本，推動(dòng)油田開(kāi)采實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展。