降低抽油機井運行能耗方法研究

王斌（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

降低抽油機井運行能耗方法研究

王斌（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

HPT抽油機效能分析儀可以快速提供直觀、準確的電動機運行參數曲線，通過分析可以掌握抽油機電動機運行情況，優化抽油機平衡調整方法，實現抽油機節能、高效運行。詳細討論了功率曲線的原理，指出功率曲線中負功的產生原因及其調整方法。通過現場的實際應用，證明功率曲線法可實現抽油機井平衡調整，這種分析方法簡單、效果明顯，適合在油田生產中廣泛使用。

抽油機 功率曲線 電流曲線 節能

抽油機是油田生產中主要的能耗設備之一，對該設備的管理直接關系到油田能否正常生產以及運行成本能否得到有效控制。目前，抽油機達到最佳節能狀態的標準是在平衡條件下運行，現場普遍采用的平衡標準是抽油機下沖程與上沖程峰值電流比調 整 到 85% ～ 100% 范 圍 內[1-3]。 然 而 在 生 產 實 踐 中發現，電流法檢驗抽油機平衡時會出現假平衡現象。在日益嚴峻的節能形勢面前，電流法已經無法滿足實際需求，因此又提出利用功率曲線調整抽油機 工 作 狀況，繼 續 提 高 抽 油機井的 管 理 水 平[4-6]。

1 原理

抽油機井在運行過程中下沖程為平衡塊儲能過程，上沖程為平衡塊釋放能量過程，功率曲線可以直接反映電動機在一個沖程中不同點的做功情況。在下沖程中，電動機和懸點載荷一起對平衡塊做功，電動機所做的功為

當只考慮靜載荷做功時，懸點在下沖程做的功為

平衡塊在儲存能量的過程中，在任一點的位能為

由此，可得任一點電動機所作的功為

上述表達式中： Aw是下沖程中懸點載荷和電動機對平衡系統做的功，即平衡系統儲存的能量；Wr′s是液體中的桿柱重力在下沖程中做的功； φ 是曲柄旋轉角； φ1是曲柄與平衡塊重心旋轉角； m是曲柄平衡塊的質量； s是懸點移動距離； L是曲柄與平衡塊重心到輸出軸的長度。

在上沖程中平衡系統放出能量，幫助電動機對懸點做功，則電動機在上沖程中做的功為

當只考慮靜載荷做功時，懸點上沖程做的功為

由此可知電動機在上沖程中做的功為

式中 WL′s是液柱在上沖程中做的功。

由以上公式可知，電動機在一個沖程中的輸出功率是不斷變化的，只有測量功率曲線，才能夠準確地認清一個沖程中電動機的運行情況。

2 應用效果

2.1部分機型的特征曲線

通過對 33口電流平衡的正常生產井進行測試，在不配套安裝變頻控制箱的情況下，不同的抽油機有自己的功率特征曲線，圖1、圖2是常規抽油機和偏置式抽油機的電流、有功功率特征曲線：

從曲線可以看出，在合理工況下，由于抽油機設計理念不同，在完成一個沖程的過程中，電動機輸出功率曲線具有明顯不同的形態：常規抽油機井功率曲線 （所對應的沉沒度 254m，示功圖顯示全充滿）在零軸上方，上、下沖程有功功率曲線形態基本對稱；偏置式抽油機井 （對應的沉沒度 198m，示功圖顯示全充滿）功率曲線在零軸上方，上、下沖程有功功率曲線形態不對稱。

圖1 常規抽油機電流、功率特征曲線

圖2 偏置式抽油機電流、功率曲線

2.2特征曲線分析及調整措施

同一機型抽油機在生產過程中具有相似形狀的特征曲線，但同種機型不同井的特征曲線具有不同形態。通過對變化原因進行分析，有助于查出單井運行過程中出現的各類問題，從而制定針對性調整措施，改善單井運行狀況。從實測曲線可以看出，利用功率曲線可以進行正常的平衡調整，即電流峰值的平衡調整，在對 33口井測試單沖程功率曲線過程中，發現電 流平 衡率 在 85%～100%的條 件下仍有 60.6%的井存在做負功問題，做負功較多的井占總井數的 18.2%，而負功的產生能夠造成電動機損壞和加大耗電量。從功率特征曲線看，產生負功分為以下3種情況。

2.2.1 上沖程開始時做負功

從公式 （7）可知，當（ Wr′+WL′）s-mgLsin φ ＜ 0時，電動機做負功，可以分為兩種情況：

1）偏置角在曲柄運行方向之前且過大，上沖程開始時曲柄方向釋放的能量大于舉升桿柱、液柱需要的能量而帶動電動機做負功。

2）由于注水受效、泵況變差等原因影響，液面高于原平衡狀態時的液面，懸點載荷在上沖程開始時不能及時加載，懸點載荷做的功小于曲柄和平衡塊所做的功。對上沖程開始時產生負功的情況進行調整時，可根據以上分析進行調整，如果是動液面上升造成的，應及時調大參數，如果動液面合理，則應進行偏置角調整。

實例：該井功率曲線表現為兩個波谷不在同一水平線上，在上沖程開始時做負功，如圖3所示。通過分析，該井為偏置型抽油機，電流平衡率89.83%，共安裝 4 塊平衡塊，每個曲柄上安裝一大一小2塊，且方向不一致，從而造成偏置角過大。通過將小平衡塊調整到曲柄運行方向的內側，達到了減小偏置角的目的，使上沖程開始時的負功消除，消耗功率有所降低。

圖3 偏置角調整前后的有功功率曲線

2.2.2 下沖程開始時做負功

同樣存在兩種情況：

1）偏置角滯后時，即重心在曲柄運行方向之后，當懸點已到上死點、曲柄到下死點，曲柄與平衡塊的重心未到下死點，懸點開始下行后，此時φ =180° 、 90° ＜ φ1＜180°、sin φ1＞0， 曲 柄 與懸點載荷共同做功，帶動電動機做負功。

2）由于動液面降低，打破了以前的平衡狀態，桿柱在下行時未受到浮力及時卸載，而遠大于曲柄及平衡塊上升需要做的功，帶動電動機做負功。對于以上情況，可根據生產情況，進行動液面調整或偏置角調整。

實例：該井在 6min-1生產狀態下，流壓 1.89MPa，泵效 50.1%，在泵況控制圖所處區位屬于優良區，而通過功率曲線發現該井在 180°以后出現負功，如圖4所示。主要原因是該井供液不足，下沖程開始時，驢頭方向無法卸載，此時作用在驢頭方向的載荷包括抽油桿在空氣中的質量和活塞以上液柱質量，該質量之和在輸出軸產生的力矩超過了舉升平衡塊所需的力矩，從而帶動電動機旋轉做負工。通過 下 調 沖 速 （6min-1→ 4min-1）， 該 井 供 采 矛 盾 緩解，避免了做負工情況。調整后，該井日產液下降7.4% ， 而 能 耗 卻 下 降 了 25.95% ， 降 低 了 該 井 的 噸液耗電。

圖4 參數和液面變化對電機做功的影響

2.2.3 曲柄運行方向與設計方向相反時產生負功

抽油機在安裝、更換減速箱、電動機、配電箱的過程中，有可能造成曲柄旋轉方向的改變，偏置型抽油機會造成偏置角滯后而有負功出現，常規抽油機能耗也會增加，這是一種非正常情況，可通過調整轉向解決，并見到較好節能效果。

實例：該井是偏置式抽油機，由圖5曲線可以看出，反轉過程中，抽油機在下沖程開始時有明顯的負功存在；同時零軸以上功率曲線圈閉的面積大于正轉時曲線所圈閉的面積，測試數據也顯示反轉時所消耗的有功功率大于正轉時所消耗的有功功率。

圖5 偏置型抽油機反轉與正傳功率曲線對比

3 結論

1）利用功率曲線可以更清楚地認識抽油機井生產過程中的電動機做功變化情況，并可以結合單井生產情況進行調整，減少或避免電動機做負功問題，取得一定的節能效果。

2）單井的平衡是對某一動液面條件下建立的相對平衡，因此動液面的改變會打破原有平衡，必須及時發現和調整，才能保證抽油機節能高效運行；同時建立單井功率曲線和液面變化的對應關系，能夠及時發現供采關系變化情況，為及時分析、調整生產參數創造有利條件。

3）簡化功率曲線的測量，使之變成日常生產資料錄取的一項內容，從而提供更多的數據信息，對保證正常生產和降低運行能耗都有重要意義。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2013.008.002

2013-02-18）

王斌，工程師，2003年畢業于大慶石油學院 （石油工程專 業）， 從 事 油 田 生 產 管 理 工 作 ， E-maiI： wbinjj@petrochina.com. cn， 地址 ：黑龍江省大慶油田有限責任公司第五采油廠太北作業區，163513。