抽油機(jī)井柔性運(yùn)行節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

李巍（大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠）

1 抽油機(jī)柔性運(yùn)行技術(shù)組成及基本原理

柔性運(yùn)行技術(shù)體系由控制柜、傳感器、中央控制三部分組成，可實(shí)現(xiàn)工頻運(yùn)行和柔性運(yùn)行。該技術(shù)運(yùn)行基本原理是：?jiǎn)?dòng)過(guò)程中，隨動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由0至所需轉(zhuǎn)速，消除了啟動(dòng)電流和啟動(dòng)功率峰值，電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)；運(yùn)行過(guò)程中，其運(yùn)算系統(tǒng)對(duì)采集到的電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的角速度、角加速度信號(hào)與對(duì)應(yīng)的電信號(hào)（電流、有功功率）進(jìn)行運(yùn)算，逐步完成其曲柄在不同轉(zhuǎn)角情況下電動(dòng)機(jī)速度與加速度的優(yōu)化，從而進(jìn)入優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)，保證運(yùn)行過(guò)程中能量的合理分配；負(fù)荷大時(shí)低轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)大扭矩，負(fù)荷小時(shí)高轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)備，從而優(yōu)化上下沖程速度，提高泵效，降低機(jī)采單耗。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

2.1 節(jié)能效果

現(xiàn)場(chǎng)共計(jì)應(yīng)用20口井，選取11口井對(duì)比分析得到（未對(duì)比9口井，均未調(diào)試，尚處工頻狀態(tài)）：沖速下降0.2min-1，產(chǎn)液上升0.1t/d；沉沒(méi)度降低10.9m，系統(tǒng)功率上升0.2kW，噸液耗電下降1.6kWh，系統(tǒng)效率上升1.2個(gè)百分點(diǎn)（表1）。

由表1可知，應(yīng)用該技術(shù)見(jiàn)到了產(chǎn)液量上升，沉沒(méi)度略有下降，系統(tǒng)效率上升，噸液耗電下降的整體效果。

表1 11口井安裝前后效果對(duì)比數(shù)據(jù)

2.2 啟動(dòng)功率、電流

對(duì)于抽油機(jī)而言，其啟動(dòng)過(guò)程需要的是較大的啟動(dòng)扭矩，由于柔性啟動(dòng)過(guò)程使用變頻裝置，啟動(dòng)轉(zhuǎn)數(shù)由0開(kāi)始逐漸升高，直至運(yùn)行至該裝置所要達(dá)到的頻率。由式（1）可以得出，在該裝置啟動(dòng)過(guò)程中，達(dá)到相同的扭矩時(shí)所需的功率較小，啟動(dòng)電流也較低，也就是說(shuō)，柔性啟動(dòng)是以電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)獲得大扭矩；而對(duì)于工頻狀態(tài)下的啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速瞬間內(nèi)就達(dá)到電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)數(shù)，因而只能以大功率獲得大扭矩。

式中：

M(φ)——扭矩；

P(φ)——功率；

ω(φ)——轉(zhuǎn)速。

由于沒(méi)有相應(yīng)的測(cè)試儀器，不能測(cè)試出的曲線，以老區(qū)B1-11-540井啟動(dòng)功率對(duì)比曲線（圖1）與啟動(dòng)電流對(duì)比曲線（圖2）為例，可以明顯看出柔性運(yùn)行比工頻運(yùn)行狀態(tài)啟動(dòng)功率和啟動(dòng)電流平穩(wěn)上升，減少了電動(dòng)機(jī)損傷和啟動(dòng)能耗。

圖1 B1-11-540井啟動(dòng)過(guò)程功率曲線

圖2 B1-11-540井啟動(dòng)過(guò)程電流曲線

2.3 運(yùn)行功率、電流

柔性運(yùn)行過(guò)程中，變頻控制抽油機(jī)工作頻率范圍為30～50Hz，而且在工作過(guò)程中的工作頻率自始至終有規(guī)律（每個(gè)沖速對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角的工作頻率相同）變化；因而電動(dòng)機(jī)在重載情況下以較低的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，并以較低的功率提供較大的扭矩，在輕載情況下以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，并提供較高的功率。如此工作，起到了削峰填谷的作用，同時(shí)消除了負(fù)功，使電動(dòng)機(jī)在較高的效率下工作。借用B1-11-540井運(yùn)行功率對(duì)比曲線（圖3）和運(yùn)行電流對(duì)比曲線（圖4）可以明顯看出，柔性運(yùn)行狀態(tài)下的運(yùn)行功率和運(yùn)行電流均較工頻運(yùn)行狀態(tài)要低且平穩(wěn)，因而運(yùn)行能耗降低。

2.4 不同沉沒(méi)度井的示功圖對(duì)比

截至2013年10月底，11口井優(yōu)化運(yùn)行3個(gè)月左右，動(dòng)液面相對(duì)平穩(wěn)，優(yōu)選未進(jìn)行其他措施連續(xù)運(yùn)行的9口井進(jìn)行沉沒(méi)度分析。

2.4.1 沉沒(méi)度低于100m井的應(yīng)用效果

9口井中，沉沒(méi)度低于100m的井共計(jì)2口，對(duì)比結(jié)果表明，應(yīng)用該技術(shù)后沖速穩(wěn)定，產(chǎn)液量穩(wěn)定上升0.15t/d，沉沒(méi)度上升17.5m，噸液耗電下降8.15kWh，系統(tǒng)效率上升0.65個(gè)百分點(diǎn)（表2）。

圖3 B1-11-540井運(yùn)行功率曲線

圖4 B1-11-540井運(yùn)行電流曲線

表2 2口沉沒(méi)度低于100m井安裝前后效果對(duì)比數(shù)據(jù)

從對(duì)比數(shù)據(jù)得出，使用柔性拖動(dòng)裝置后，沖速和產(chǎn)液量基本穩(wěn)定、沉沒(méi)度回升，有效地緩解了供液不足狀態(tài)。為進(jìn)一步說(shuō)明這一問(wèn)題，以L89-83井為例，該井沖速上升0.1min-1，產(chǎn)液量上升0.2t/d，沉沒(méi)度上升32m，噸液耗電下降11kWh，系統(tǒng)效率上升，見(jiàn)到了較好的效果。該井試驗(yàn)前后的示功圖見(jiàn)圖5。

從示功圖的對(duì)比可以看出，使用柔性拖動(dòng)裝置前后，示功圖并無(wú)明顯變化，但柔性運(yùn)行前的最大載荷大于運(yùn)行后的最大載荷，這主要是雨季加藥影響的結(jié)果。正常情況下，最大載荷應(yīng)逐漸升高，是泵充滿程度提高的結(jié)果，如8—10月。將該井上、下沖程工作時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比，該井在工頻狀態(tài)下工作時(shí)，上沖程時(shí)間為10.5s，下沖程時(shí)間為9.8s；柔性狀態(tài)下工作時(shí)，上沖程時(shí)間為9.9s，下沖程時(shí)間為10.4s。工作時(shí)間分配發(fā)生了反轉(zhuǎn)，即由原來(lái)的上慢下快轉(zhuǎn)變?yōu)樯峡煜侣１眯希琇89-83井7、8、9、10月份的泵效分別為15.2%、17.3%、22.8%、23.9%。可見(jiàn)，由于下沖程慢，提高了泵的充滿程度，進(jìn)而提高泵效。

圖5 L89-83井柔性運(yùn)行前后示功圖

2.4.2 沉沒(méi)度100～300m井的應(yīng)用效果

沉沒(méi)度100～300m的井共計(jì)應(yīng)用7口，對(duì)比結(jié)果表明，應(yīng)用該技術(shù)后沖速下降0.3min-1（下降7.1%），產(chǎn)液量上升0.2t/d（上升6.3%），沉沒(méi)度下降11.1m（下降7.5%），噸液耗電下降1.6kWh（下降幅度3.6%），系統(tǒng)效率上升1.4個(gè)百分點(diǎn)（上升幅度24.6%），詳見(jiàn)表3。

表3 7口沉沒(méi)度100～300m井安裝前后效果對(duì)比數(shù)據(jù)

從對(duì)比數(shù)據(jù)得出，使用柔性拖動(dòng)裝置后，沖速下降、產(chǎn)液量穩(wěn)定并略有上升、沉沒(méi)度下降，起到了增產(chǎn)、降液面、提高系統(tǒng)效率的作用。為說(shuō)明這一問(wèn)題，以L86-92井為例，該井試驗(yàn)前后對(duì)比，沖速略下降0.1min-1，產(chǎn)液量上升0.4t/d，沉沒(méi)度下降1.1m，噸液耗電下降2.2kWh，系統(tǒng)效率上升1.7個(gè)百分點(diǎn)（表4）。該井試驗(yàn)前后的示功圖見(jiàn)圖6。

表4 L86-92井安裝前后效果對(duì)比數(shù)據(jù)

圖6 L86-92井柔性運(yùn)行前后示功圖

從示功圖的對(duì)比可以明顯地看出，使用柔性拖動(dòng)裝置后，示功圖盡管表現(xiàn)出供液不足，但抽油泵的充滿程度明顯提高。同樣對(duì)該井上、下沖程工作時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，該井在工頻狀態(tài)下工作時(shí)，上沖程時(shí)間為8.6s，下沖程時(shí)間為8.3s；柔性狀態(tài)下工作時(shí)上沖程時(shí)間為8.4s，下沖程時(shí)間為8.9s。工作時(shí)間分配發(fā)生了反轉(zhuǎn)，即由原來(lái)的上慢下快轉(zhuǎn)變?yōu)樯峡煜侣岣吡吮玫某錆M程度。此外，該裝置在上沖程開(kāi)始時(shí)有較為明顯的加速，致使示功圖最大載荷有一定程度的增加。分析認(rèn)為，這一動(dòng)作加快了游動(dòng)閥的關(guān)閉速度，減少了游動(dòng)閥的漏失，進(jìn)而提高泵效，在沖速略降的情況下，產(chǎn)液量有較大幅度的上升。

3 技術(shù)的適應(yīng)性分析

1）對(duì)于電動(dòng)機(jī)功率利用率小于50%的井可直接應(yīng)用與電動(dòng)機(jī)額定功率相等容量的裝置，即可獲得較好的效果。當(dāng)功率利用高于40%時(shí)，該技術(shù)可通過(guò)放大設(shè)備容量應(yīng)用。

2）該技術(shù)對(duì)抽油機(jī)井的沉沒(méi)度無(wú)特殊要求。

3）該技術(shù)對(duì)抽油機(jī)的平衡狀況要求嚴(yán)格，平衡狀況越好，應(yīng)用效果越好。

4 結(jié)論

1）柔性運(yùn)行技術(shù)通過(guò)主動(dòng)變速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了功率再分配，具有“削峰填谷”的作用。

2）通過(guò)主動(dòng)調(diào)整抽油機(jī)上、下死點(diǎn)及運(yùn)行過(guò)程中的線速度，實(shí)現(xiàn)了降低慣性負(fù)荷、提高抽油泵充滿程度。

3）柔性運(yùn)行技術(shù)對(duì)抽油機(jī)沉沒(méi)度無(wú)限制，對(duì)平衡狀況要求嚴(yán)格。