變速運行優化在抽油機井上的應用

鄭煥軍（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

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變速運行優化在抽油機井上的應用

鄭煥軍（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

在抽油機井參數優化中，沖速對抽油機井能耗影響較大，低沖速油井能耗低，無法滿足產能需求。根據抽油機的結構特點，建立抽油機井優化運行控制模型，提出一種抽油機井變速優化運行理論，可在同等沖速下確定抽油機井最佳的變速比，通過現場試驗測試抽油機井變速運行的能耗變化，確定調節抽油機井變速運行參數的合理范圍，確定其變化規律，達到提高系統效率，降低油井能耗的目標。

抽油機變速運行動液面變速比

抽油機作為最常用的機械采油設備，具有可靠性高、使用壽命長、維修方便等優勢，但是由于運行過程中負載具有沖擊性的周期交變特點，啟動轉矩大，曲柄的角度時刻變化，因此也存在著高能耗的缺點。常規的游梁平衡抽油機，在平衡率接近1時，上下沖程耗時一致；而異形抽油機則在平衡的條件下上沖程時間短于下沖程時間，會產生節能的效果。分析表明，通過調節抽油機井變速比（上下沖程速度比），可以提高原油在泵中的充滿度；適當提高上沖程的速度，可以減少在提升過程中的漏失量，有效地提高單位時間內的原油產量，達到節電效果［1］。對于黏度大的油井，因原油黏度上升，驢頭、光桿等部件會運行不暢，通過調節沖程頻次和選用“上快下慢”的開采工藝，能保證抽油機井的有效運行，確保油井長期穩產［2］。

1　曲柄運動中變速度計算

抽油機井變速運行計算主要對抽油機井桿柱瞬時速度進行計算，從而保證抽油機井產量的計算［3-4］準確。根據抽油機生產參數，其理論產量的計算主要涉及抽油泵柱塞截面積、沖程、沖速。其中，等效的懸點沖速可按下式計算：

式中：

n——等效的懸點沖速，min-1；

ωup、 ωdown——上、下沖程時，電動機對應的

旋轉角速度，rad/s；

θup、θdown——上、下沖程時，曲柄對應所轉過

的角度，rad。

當抽油機勻速運行時的沖速為n，對應的每個沖程一個循環所用的時間t為

則可推導上、下沖程中曲柄角速度的計算方法，如式（3）、式（4）：

式中：

x——上沖程所用時間，s；

y——下沖程所用時間，s；

z——上沖程曲柄轉過的角度，°。

2　現場試驗

為驗證理論計算與現場的擬合情況，分別在3口油井上進行了變速運行試驗，油井生產參數見表1。

依據試驗井實際生產參數的理論計算和現場測試結果，繪制出百米噸液耗電與變速比的關系如圖1。試驗與理論模擬表明，對于生產參數不同的抽油機井，均存在一個最佳變速比，在該點抽油機井變速運行的百米噸液耗電低于常規勻速運行能耗。同時，理論計算結果與現場測試結果趨勢均相同，說明理論模擬較為準確，理論計算結果也表明存在最佳變速比，“上快下慢”的變速設計使油井能耗低于常規勻速運行時的能耗。

表1　變速運行試驗抽油機井數據

圖1　不同變速比下試驗井百米噸液耗電變化

試驗表明，雖然能耗與變速比變化的趨勢相同，但3口井能耗最低值點不同，為進一步確定在不同生產參數下的變速運行最佳點，分別調整3口井動液面深度，動液面為800m、500m和300m時，變速比在1.1～1.2之間變化，計算百米噸液耗電值，繪制出百米噸液耗電與變速比的函數關系（圖2）。

由圖2可知，動液面在800m、500m，變速比在1.1～1.2之間時，抽油機井百米噸液耗電較低。液面在300m，變速比在1.7～1.8之間時，百米噸液耗電較低。

計算表明，抽油機井變速運行時，盡管抽油機井能耗的最低值點對應變速比始終大于1.0，但最低值并不固定，而是隨動液面由深到淺的變化而發生變化。

圖2　不同動液面下百米噸液耗電與變速比的關系

3　結論

1）通過建立抽油機井采油系統能耗及效率計算的數學模型，包括對曲柄軸運行速度、懸點運行規律分析、系統能耗及系統效率等的計算，建立了抽油機井變速運行計算方法，通過與現場實測數據的對比分析，驗證了計算方法的合理性。

2）計算表明，抽油機井變速度運行，能耗最低值點并不唯一，而是隨油井動液面的變化逐漸變化。但在喇嘛甸油田的油藏物性及條件下，選擇“上快下慢”變速運行時，油井的能耗較低，變速比的范圍在1.1～2.0之間。

［1］劉學成.抽油機專用變頻器在抽油機節能改造中的應用［J］.變頻器世界，2005（10）：73-75.

［2］肖朝明.開發稠油長沖程上快下慢抽油機可行性分析［J］.石油機械，1996，24（12）：33-35.

［3］趙洋.抽油機井優化運行理論研究［D］.大慶石油學院：朱君，2009.

［4］姜民政，王慧.變速驅動抽油機井運行參數變化規律研究［J］.石油礦場機械，2010，39（10）：4-7.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.09.003

2015-05-21）

鄭煥軍，高級工程師，2012年畢業于中國科學院廣州地球化學研究所，從事油氣田采油工程技術工作，E-mail：zhenghuanjun@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區第六采油廠，163114。