酒東油田抽油機(jī)功率平衡節(jié)能技術(shù)研究

常菁鉉　張作鵬　李慧承（中國石油玉門油田分公司酒東作業(yè)區(qū)）

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酒東油田抽油機(jī)功率平衡節(jié)能技術(shù)研究

常菁鉉張作鵬李慧承（中國石油玉門油田分公司酒東作業(yè)區(qū)）

酒東油田機(jī)采井?dāng)?shù)占全部生產(chǎn)油井?dāng)?shù)的88%，抽油機(jī)能耗約占總能耗的60%。由于數(shù)字化系統(tǒng)中對抽油機(jī)平衡度計算的模塊存在算法誤差，可參考性不強(qiáng)，現(xiàn)場依舊采用鉗形電流表以電流法指導(dǎo)抽油機(jī)調(diào)平衡工作，抽油機(jī)平衡節(jié)能潛力仍然很大。鑒于數(shù)字化系統(tǒng)可采集應(yīng)用電功率參數(shù)較多的特點，開展電功率平衡計算研究，形成電動機(jī)輸入功率的均方根值最小的平衡最佳標(biāo)準(zhǔn)。同時參照功率平衡度合格范圍60%～140%，及參考功率因數(shù)大于0.72這一參數(shù)，以指導(dǎo)平衡調(diào)節(jié)工作，預(yù)測節(jié)能效果明顯。該方法可集成入數(shù)字化系統(tǒng)并進(jìn)行節(jié)能評價和降耗分析。

酒東油田游梁式抽油機(jī)功率平衡節(jié)能評價

在游梁式抽油機(jī)的運轉(zhuǎn)過程中，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么僅需不高的能耗便可達(dá)到所需動力。具體表現(xiàn)為：若抽油機(jī)平衡運行，則電動機(jī)提供的動力僅相當(dāng)于平衡井下部分液柱質(zhì)量和克服摩擦阻力等；反之平衡率越低，則需要更多能耗。由于受地層供液、油井狀況及工作制度等因素影響，抽油載荷也在不斷發(fā)生變化，而平衡配重不可能與抽油載荷的變化完全一致，因而準(zhǔn)確掌握抽油機(jī)平衡度并進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)是降低抽油機(jī)能耗的重要手段。目前，酒東油田機(jī)采井?dāng)?shù)占全部生產(chǎn)井?dāng)?shù)的88%，抽油機(jī)能耗占約全油田總能耗的60%，油田所建設(shè)的數(shù)字化系統(tǒng)雖有平衡分析模塊，但由于算法的缺陷，可參考性不強(qiáng)。通過研究功率平衡方法，并直觀地從易測量的量中體現(xiàn)，基于功率平衡的計算，利用數(shù)字化系統(tǒng)對電功率參數(shù)的采集，可指導(dǎo)抽油機(jī)平衡調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)節(jié)能降耗。

1　酒東油田現(xiàn)狀

目前，酒東油田在抽油機(jī)平衡調(diào)節(jié)管理中采用的平衡標(biāo)準(zhǔn)是“電流平衡法”，即抽油機(jī)下沖程最大電流與上沖程最大電流之比，認(rèn)為此值在80%～110%之間抽油機(jī)即是在平衡狀態(tài)運行。在用數(shù)字化系統(tǒng)雖能采集三相電流數(shù)據(jù)，但采集電流僅為周期性數(shù)據(jù)，無法識別峰值，所以，所提供的平衡參數(shù)不具備參考性，加之電流法不能區(qū)分電流相位［1］，抽油機(jī)負(fù)功較大時易產(chǎn)生假平衡（由于不平衡而產(chǎn)生的倒發(fā)電現(xiàn)象，導(dǎo)致負(fù)功率問題），不能完全體現(xiàn)抽油機(jī)平衡狀況，導(dǎo)致抽油機(jī)效率低，能耗高；但數(shù)字化系統(tǒng)可采集應(yīng)用的電功率參數(shù)較多。鑒于以上情況，可研究應(yīng)用抽油機(jī)功率平衡計算方法，并集成于數(shù)字化系統(tǒng)中，從而指導(dǎo)抽油機(jī)平衡調(diào)節(jié)工作。

2　電功率平衡計算方法研究

在抽油機(jī)以平衡狀態(tài)運行時，應(yīng)表現(xiàn)出電動機(jī)消耗能量最少，對應(yīng)變速箱輸出扭矩（曲柄扭矩）最小。然而，由于曲柄周期運動內(nèi)扭矩有正、負(fù)值，若用平均扭矩值來反映，則和實際大小偏差較大，而相比之下均方根扭矩則能消除符號影響，更準(zhǔn)確反映變速箱扭矩真實情況，且可由扭矩指數(shù)（平均扭矩與最大扭矩之比）和周期載荷系數(shù)（均方根扭矩與平均扭矩之比）來反映輸出扭矩波動程度和節(jié)能效果；其中扭矩指數(shù)越大，周期載荷系數(shù)越接近1則說明輸出扭矩變化越均勻，相應(yīng)地電動機(jī)功率利用率越高，節(jié)能效果越好。

式中：

Tm——平均扭矩值，kN·m；

Te——均方根扭矩，kN·m；

Ti——瞬時扭矩，kN·m；

φ——曲柄轉(zhuǎn)角，rad；

FCL——周期載荷系數(shù)；

Tmax——最大扭矩，kN·m；

ITE——扭矩指數(shù)。

在從電動機(jī)至變速箱的能量傳遞過程中，抽油機(jī)皮帶的傳動功率損失與電動機(jī)的固有功率損失是相對不變的，而電動機(jī)的能量轉(zhuǎn)換損失與電流的平方成正比。當(dāng)抽油機(jī)平衡運行時，相應(yīng)電流變化均勻，均方根電流值最小，電動機(jī)的能量轉(zhuǎn)換損失最小。而運行過程中決定電動機(jī)電流值的因素是輸出負(fù)載扭矩大小。為此，從安全和節(jié)能的角度出發(fā)，當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載扭矩均方根值最小時，則均方根電流值最小，此時抽油機(jī)最安全，電動機(jī)發(fā)熱量最少。

式中：

T2i——電動機(jī)負(fù)載扭矩，kN·m；

n——電動機(jī)軸到曲柄輸出軸的總減速比；

μc——傳動效率，%。

由于曲柄扭矩與電動機(jī)負(fù)載扭矩成正比，為了達(dá)到抽油機(jī)平衡運行目的，應(yīng)使曲柄扭矩的均方根值達(dá)到最小。同時，相對于測量電動機(jī)的負(fù)載扭矩和曲柄扭矩而言，電動機(jī)的功率參數(shù)測量更為便捷，且數(shù)字化系統(tǒng)對其數(shù)據(jù)值已有采集。由于在抽油機(jī)運行過程中，通常將電動機(jī)轉(zhuǎn)速及曲柄軸角速度視為均勻（固定）值，則有如下關(guān)系式：

式中：

Pi——瞬時電動機(jī)輸入功率，kW；

μd——電動機(jī)效率，%；

ω——曲柄角速度，rad/s。

綜上所述，抽油機(jī)調(diào)平衡就是要使變速箱的輸出扭矩最小。而曲柄扭矩與電動機(jī)輸入功率大體成正比，最佳平衡的標(biāo)準(zhǔn)就是使電動機(jī)輸入功率的均方根值最小，也就是均方根扭矩最小，抽油機(jī)平衡運行。

3　平衡配重計算調(diào)節(jié)

由于抽油機(jī)功率曲線是以沖程周期為周期的連續(xù)函數(shù)，且滿足狄利赫里條件，可以分解成一系列的三角級數(shù)［2］。對抽油機(jī)的功率曲線函數(shù)P（t）進(jìn)行傅里葉變換，可以展開成收斂的三角級數(shù)，即

其中

式中：

a0——功率函數(shù)恒定分量（平均功率），kW；

an、bn——功率曲線各次諧波的余弦部分幅度和正弦部分幅度，kW；

T——一個沖程周期，s；

n——沖速，min-1；

t——時間，s。

均方根功率Pt為

酒東油田在用前置型抽油機(jī)均為游梁平衡方式，即游梁尾端調(diào)節(jié)平衡配重以增減平衡功率，由于不平衡功率數(shù)值上對應(yīng)于功率曲線中一階正弦分量［3］，要使得均方根功率最小，則式（12）中一階正弦分量為零；如果平衡功率增加或減少的量ΔPp與當(dāng)前b1的大小相等、符號相反，就可以抵消一階正弦分量，即

式中：

b1——不平衡功率，kW；

ΔPp——平衡功率變量，kW；

S——抽油機(jī)沖程，m；

ΔG——平衡配重塊重力（正為增，負(fù)為減），kN。

4　節(jié)能效果預(yù)測

酒東油田在用數(shù)字化油井管理系統(tǒng)中，可采集的電功率參數(shù)包括有功功率、無功功率、功率因數(shù)、三相電流電壓等，已知視在功率S（t）與有功功率P（t）和無功功率Q（t）的關(guān)系如下：

調(diào)節(jié)后均方根功率可按以下公式計算：

將算法集成于數(shù)字化系統(tǒng)軟件中并在界面直接顯示功率平衡度和配重調(diào)節(jié)量，參照功率平衡度合格范圍60%～140%，由于功率平衡可使電動機(jī)損耗降低，相應(yīng)也可參考功率因數(shù)大于0.72以上這一參數(shù)。此外，對于存在負(fù)功率明顯的機(jī)采井而言，其電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成平衡塊勢能的效率一般為70%～80%，平衡塊的勢能再帶動電動機(jī)發(fā)出電能，效率一般也在70%～80%。這樣，電能轉(zhuǎn)換成勢能再轉(zhuǎn)換成電能的總效率約為50%～65%。在抽油機(jī)光桿功率不變的情況下，通過對平衡塊配重進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減小電動機(jī)功率的均方根值，可減少能量轉(zhuǎn)換，降低由此產(chǎn)生的能耗。節(jié)能潛力可按電動機(jī)功率均方根值減少量的40%計算。對于沒有明顯負(fù)功率的井，節(jié)能潛力可按均方根功率減少量的25%計算，均可獲得明顯效益。同時應(yīng)注意，如果負(fù)功出現(xiàn)在光桿行程中間點附近時則通過調(diào)節(jié)平衡可解決問題，但如果在上下行程死點處出現(xiàn)負(fù)功，則平衡調(diào)節(jié)不能消除負(fù)功影響。

5　結(jié)論

1）通過對酒東油田游梁式抽油機(jī)平衡配重塊進(jìn)行增減，可減小電動機(jī)功率的均方根值，相應(yīng)減少能量轉(zhuǎn)換與能量消耗，從而有效節(jié)約電能。

2）酒東油田數(shù)字化系統(tǒng)采集電功率參數(shù)滿足電功率平衡計算方法要求，并可將算法集成于終端分析軟件中，以實現(xiàn)對平衡度的掌握和指導(dǎo)平衡調(diào)節(jié)。

3）后期可參照電流平衡對抽油機(jī)平衡情況及節(jié)約能耗情況進(jìn)行對比，從而對實際效果再次進(jìn)行評價。

［1］朱益飛.游梁式抽油機(jī)功率平衡技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.石油石化節(jié)能，2012（7）：4-6.

［2］史鵬飛，崔麗巖.功率法調(diào)整抽油機(jī)平衡方法初探［J］.油氣井測試，2003，12（6）：51-53.

［3］伊強(qiáng)，羅煉鋼.抽油機(jī)井功率平衡技術(shù)探討［J］.油氣田地面工程，2009，28（5）：52-53.

勝利油田油潤滑技術(shù)治理高含水油井腐蝕偏磨見奇效

近日，勝利油田石油工程技術(shù)研究院采機(jī)所科研人員在孤島采油廠3口井上試驗“油潤滑防偏磨技術(shù)”見到奇效。可對比的2口油井平均免修期達(dá)到924天，遠(yuǎn)高于之前的185天，其中1口井免修期達(dá)到1073天，仍然在正常生產(chǎn)。

油潤滑防偏磨技術(shù)是科研人員創(chuàng)新研發(fā)出的一種新型防偏磨技術(shù)，國內(nèi)未見同類技術(shù)。該技術(shù)采用空心抽油桿柱，利用油水的重力分異作用，在原油通過與柱塞連接的變扣接頭時，實現(xiàn)原油富集在偏磨部位的桿、管環(huán)形空間內(nèi)，由于原油的潤滑作用，改善桿、管之間的摩擦條件，大幅減小抽油桿與油管間的摩擦磨損。

在孤島采油廠試驗的3口油井，作業(yè)前都是多輪次井，平均含水96.3%，桿管腐蝕、偏磨嚴(yán)重，單井年作業(yè)頻次2次以上，平均免修期185天。實施該技術(shù)后，可對比的2口井平均免修期達(dá)到924天，其中GD2-35-418井免修期達(dá)到1073天，目前仍正常生產(chǎn)，從根本上避免了管桿的腐蝕、偏磨。

自2009年以來，勝利油田工程技術(shù)研究院先后在孤島采油廠、臨盤采油廠10余口井上試驗該項技術(shù)，均取得突破性的效果。據(jù)悉，該項技術(shù)比目前普遍采用的內(nèi)襯油管治理技術(shù)節(jié)省投資22%以上，而效果增加1倍以上，為低油價環(huán)境下高含水抽油井腐蝕、偏磨提供了有效的低成本治理手段。

來源：中國石化新聞網(wǎng)付亞榮供稿

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.10.004

2015-06-16）

常菁鉉，2012年畢業(yè)于成都理工大學(xué)（石油與天然氣工程專業(yè)），碩士，從事采油現(xiàn)場技術(shù)管理工作，E-mail：270730745@qq. com，地址：甘肅省酒泉市肅州區(qū)酒東油田作業(yè)區(qū)，735019。