低滲透油田功率平衡技術應用及節能潛力分析

于海山　（大慶油田有限責任公司第八采油廠）

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低滲透油田功率平衡技術應用及節能潛力分析

于海山（大慶油田有限責任公司第八采油廠）

在低滲透油田應用電流法調整游梁式抽油機平衡，因電動機功率因數過低而無法真實反映抽油機平衡狀況，常出現虛假平衡現象。傳統電流法無法滿足油田日益增長的變頻設備的需求，不能有效降低機采能耗；因此，現場應用了功率平衡技術調整游梁式抽油機曲柄平衡。應用功率法判定抽油機平衡可以避免虛假平衡的發生，相比于電流法更加準確、更加節能，而且適用于變頻設備。試驗得出功率平衡可以在電流平衡的基礎上實現平均單井日節電8.87 kWh的節能效果，若功率平衡標準P下/P上為60%～150%時，節能效果更好；功率平衡與電流平衡在功率因數大于0.6時存在一定的相關性，此時電流平衡度至少在85%～125%范圍內，功率都是平衡的；應用功率平衡技術能夠實現年節電555.4×104kWh。

游梁式抽油機；功率平衡；電流平衡；機采節能

平衡是抽油機安全、節能運行的重要保障，可以降低減速箱沖擊、增加皮帶及電動機使用壽命、優化抽油桿工作條件、延長檢泵周期，實現降低油田生產成本的作用［1］。目前，針對游梁式抽油機平衡調整的方法主要有功法、電流法、功率法3種，功法由于低滲透油田產液量低，油井生產多且供液不足，基本不適用；電流法操作方便、儀器價位較低，在現場得到廣泛應用，但常出現虛假平衡現象，在造成抽油機運行能耗增加的同時也帶來了安全生產隱患；功率法在近幾年的研究中技術得到長足發展，技術設備實現了便捷化，可以有效避免載荷過低現象，實現抽油機節能運行［2-4］。低滲透油田具有井深、油稠、含蠟量高的特點，機采井開采產量低、泵效低、能耗高，節能降本問題突出。現場應用功率法調整抽油機平衡，節能效果顯著，可有效降低開采成本，具有廣闊的應用前景。

1　抽油機平衡調整現狀

目前，現場平衡調整主要采用電流法，對功率法進行局部推廣。電流法平衡判斷標準為I下max/I上max的比值在85%～100%；功率法平衡判斷標準為P下與P上之中的小值與大值之比在50%～100%（換算成P下/P上的比值在50%～200%），出現負值時功率平衡度為0［5］。現場隨機測試138口井平衡狀況，其中電流平衡127口井，電流平衡率92%；功率平衡87口井，功率平衡率63%。造成電流平衡率與功率平衡率之間差值為29%的主要原因是由于電流法存在以下幾方面的問題：

1）虛假平衡。鉗形電流表測試出的電流值不分正負，無法判斷是電動機發電電流還是輸電電流。如A1井上沖程電流峰值23 A，下沖程電流峰值20.4 A，電流平衡度為88.7%，判定抽油機處于平衡運行狀態。但是，功率法測試結果顯示下沖程過程中存在負功，因而判定抽油機處于嚴重不平衡狀態（圖1）。所以，該井下沖程電流峰值為假峰值，是電動機發電產生的，此時的電流平衡不能代表該井處于平衡運行狀態［6-7］。

2）讀值誤差。鉗形電流表測試電流隨抽油機運行讀數時刻發生變化，測試時需要一邊看上下沖程情況，一邊觀察鉗形電流表峰值電流，因而讀數時存在取值誤差，影響平衡判定的準確性。

3）調整量不確定。應用電流法調整抽油機平衡時，常依據現場工人的經驗進行判斷，相差1個電流大概調整幾個齒，調整量因人而異，因而常出現平衡反復多次調整現象，費時、費力，增加了工人的勞動強度。

圖1　A1井實測電流、功率曲線

4）變頻設備不適用。應用鉗形電流表測試使用變頻設備的抽油機平衡時，需要先把變頻設備的運行狀態轉換成工頻再進行測試，常造成安裝變頻設備的抽油機平衡度差，甚至無法變頻運行。在目前油田大量應用變頻設備的情況下，電流法已經無法滿足現場平衡調整的需要，成為造成資源浪費的重要因素。

應用功率法可以有效解決以上4個方面的問題，平衡判定準確、方便，技術方法適用于不同供液能力的井，對變頻設備也適用，能夠實現抽油機最節能運行狀態［8］。

2　功率平衡技術應用效果分析

2.1節能效果分析

從測試的138口井中集中選取27口井應用功率法調整平衡。其中，26口井實現節能，平均單井日節電10.2 kWh，節電率7.4%；1口井日耗電增加12.96 kWh，27口井平均單井日節電9.3 kWh，節電率6.5%（表1）。從27口井應用功率法調整抽油機平衡的效果對比中可以得到以下幾個結論：

1）功率平衡相比于電流平衡節電效果明顯。27口井中有22口是電流平衡功率不平衡的井，功率平衡調整后22口井平均單井日節電8.87 kWh，去除功率平衡標準寬泛引起能耗增加的A2井，21口井平均單井日節電9.94 kWh，可見功率平衡相對于電流平衡更加節電。

2）功率法平衡判別標準過于寬泛。如A2井平衡調整后功率平衡度由810%下降到197%，滿足功率平衡標準，但日耗電增加；A3井平衡調整后功率平衡度由54%上升到139%，仍節電。這說明功率平衡判定標準P下/P上的比值在50%～200%，在低滲透油田應用范圍較寬，根據測試數據得出P下/P上在60%～150%時，節能效果更好。

表1　27口井功率平衡調整效果對比

3）電流平衡度與節電量多少無關。如A18井平衡調整后電流平衡度由94%下降到87%，但日節電7.92 kWh；A6井平衡調整后電流平衡度由87%上升到91%，日節電41.04 kWh；A2井平衡調整后電流平衡度由97%上升到100%，電流平衡度雖然上升了，但是日耗電增加了12.96 kWh。可見，平衡調整前后電流平衡度差值的大小并不能決定節電量的多少。

4）功率法可以有效避免電流法出現的虛假平衡現象。從A1井平衡狀況看，A1井用電流法判定均平衡，但功率法判定均為嚴重不平衡。按功率法調整后，A1井消除了負功，避免了電流法存在的虛假平衡現象（圖2），產生了節電效果。

圖2　A1井功率平衡調整后實測電流、功率曲線

5）功率平衡技術能夠提高電動機用電效率。從27口井測試數據可以看出，所有井的功率因數或多或少都有提升，可見功率平衡技術能夠消除負功、降低無功消耗、提高有功功率、降低視在功率，從而提升電動機的功率因數。

2.2功率平衡度與電流平衡度相關性分析

從27口井功率平衡調整數據中很難得出功率平衡度與電流平衡度之間是否存在相關性，但從138口井測試數據統計情況可以發現，功率平衡度與電流平衡度通過功率因數表現出一定的相關性（圖3）。

圖3　功率平衡度與電流平衡度相關關系

1）功率因數大的井，功率平衡度與電流平衡度相關性好。pf≥0.6時，功率平衡度與電流平衡度之間可以擬合出合理的對數曲線，表明功率平衡度與電流平衡度存在對數相關性。圖3中散點與擬合曲線充分說明，隨著功率因數的提高，相關性更加明顯、合理，功率因數在0.8及以上時，功率平衡度與電流平衡度之間的相關性高。并且，從5條擬合曲線走勢可以看出，電流平衡度至少在85%～125%范圍內，功率都是平衡的；隨著功率因數的增加，這個范圍會不斷擴大，在70%～150%以內，功率會處于平衡狀態。

2）功率因數小的井，功率平衡度與電流平衡度相關性差或不存在相關性。pf＜0.6時，相同功率因數的點分布散亂，無法擬合出合理的相關性曲線，表明功率平衡度與電流平衡度之間相關性差或不存在相關性。并且，隨著功率因數的減小，電流敏感度下降，功率敏感度提升；功率因數過小時，電流平衡度失去判定意義，無法真實反映抽油機平衡。在測試的138口井中，有101口井的pf＜0.6，占測試總數的75.9%（表2）。由此可見，在低滲透油田中，電動機功率因數普遍較低，這種情況下仍然應用電流法進行平衡判定具有很強的不確定性，平衡調整后無法實現抽油機的節能、安全運行，應用功率法更加合理。

表2　133口井電動機功率因數情況

2.3變頻控制柜適應性分析

根據油井運行工況應用智能變頻控制柜，通過對抽油機電動機轉速、加速度、輸出轉矩等的精確控制，實現沖速調節，從而減少了電動機有功用電量和無功用電量，提高了電動機功率因數，在提高泵效的同時實現了高節電率。目前，油田上應用了SURF柔性控制柜、SEEKA系列伺服控制柜、純崖控制柜、潤裕控制柜等變頻控制柜。現場測試了9口安裝變頻控制柜的抽油機井，其中5口井處于變頻運行狀態，變頻運行井數占測試總井數的55.6%（表3）。

表3測試數據中，電流平衡井數有6口井，功率平衡井數有5口井，工頻運行的抽油機電流都平衡，而變頻運行的抽油機功率都平衡，電流卻不一定平衡。數據說明，變頻運行的抽油機電流平衡度不一定符合平衡標準，但功率平衡度必須在平衡范圍內。因為應用電流法只能在工頻狀態下調整抽油機平衡，在變頻運行狀態下抽油機平衡度不一定好，致使控制系統由變頻運行跳轉為工頻運行。功率平衡技術之所以適用于節能設備是由其平衡原理決定的，功率平衡調整使電動機的均方根功率最小，保證了抽油機曲柄軸均方根扭矩最小，進而實現抽油機運行的最節能狀態。此時不僅消除了負功影響，在電動機均方根功率最小的情況下，電動機功率變化幅度最小，變頻運行后，功率變化也相對穩定，不會出現大幅度變化。不存在相關性。功率因數過小，電流平衡度無法真實反映抽油機平衡狀況，低滲透油田應用功率法判定抽油機平衡更加準確、可靠。

3）低滲透油田可用功率法調整的不平衡井達到運行井數的37%，應用功率平衡技術能夠實現年節電555.4×104kWh，年節省成本費用355.5萬元的節能效果。

表3　變頻設備油井測試情況

3　節能潛力分析

目前，油田運行4521口油井，其中抽油機4409口井、電潛柱塞泵49口井、螺桿泵63口井，抽油機井占運行油井總數的97.5%，是油田生產最重要的舉升方式，應用功率平衡技術具有很大的機采節能潛力。

按測試的138口井中功率平衡率63%，不平衡率37%計算，4409口抽油機井的功率不平衡井數達到1631口。按功率平衡試驗中27口井平均單井日節電9.33 kWh計算，1631口井功率平衡調整后實現日節電1.5×104kWh，年節電555.4×104kWh，年節省成本費用355.5萬元。

4　結論

1）應用功率法調整抽油機平衡相比于電流法更加節能，能夠實現平均單井日節電8.87 kWh的節能效果。若功率平衡標準P下/P上的比值為60%～150%時，節能效果更好。

2）功率平衡與電流平衡通過功率因數存在一定的相關性，但是功率因數小于0.6時相關性差或

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.007

2016-03-23

（編輯賈洪來）

于海山，工程師，2011年畢業于東北石油大學（礦產普查與勘探專業），從事機采、節能管理相關工作，E-mail：yuhaishan@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶油田第八采油廠工程技術大隊機采室，163514。