抽油機(jī)井節(jié)能技術(shù)組合應(yīng)用模擬分析與評(píng)價(jià)

金火慶（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

油田生產(chǎn)系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的抽油機(jī)井普遍存在能耗高、系統(tǒng)效率低的問題，這既有技術(shù)裝備上的問題，也有生產(chǎn)管理上的問題。目前多種節(jié)能技術(shù)應(yīng)用大大降低了油井能耗，同時(shí)為提升節(jié)能效果，也開展了大量節(jié)能技術(shù)組合應(yīng)用。但各種節(jié)能技術(shù)既存在功能上互補(bǔ)，也有技術(shù)原理的交叉。簡單的組合應(yīng)用節(jié)能效果并沒有直線疊加趨勢，反而降低了投資收益[1]。而現(xiàn)場直接進(jìn)行多種節(jié)能技術(shù)的優(yōu)化組合試驗(yàn)難度大、受試驗(yàn)條件影響效果差異性大[2]；因此，開展節(jié)能技術(shù)組合的模擬計(jì)算，現(xiàn)場根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化配伍使用尤為重要。

節(jié)能技術(shù)組合應(yīng)用主要指不同類抽油機(jī)、控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)各設(shè)備之間的優(yōu)化組合配置。目前油田應(yīng)用的抽油機(jī)井節(jié)能技術(shù)主要包括節(jié)能電動(dòng)機(jī)、節(jié)能控制器和其他輔助等三大類。其中：節(jié)能電動(dòng)機(jī)包括永磁電動(dòng)機(jī)、高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)、雙功率電動(dòng)機(jī)以及雙速電動(dòng)機(jī)等；節(jié)能控制技術(shù)包括伺服控制技術(shù)、變頻控制技術(shù)、斷續(xù)供電技術(shù)和星角調(diào)壓控制技術(shù)等；其他類技術(shù)包括下偏杠鈴復(fù)合平衡和超越離合器。

結(jié)合各種節(jié)能技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)，可依據(jù)組合后能耗水平為主要指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)能耗預(yù)測。

1 節(jié)能技術(shù)組合的能耗模擬計(jì)算

各種電動(dòng)機(jī)工作原理不同，現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，同樣生產(chǎn)井參數(shù)的情況下，選擇裝機(jī)功率也不同；因此，對(duì)應(yīng)的額定效率、空載功率和系統(tǒng)效率曲線也各不相同。

模擬計(jì)算時(shí)，先選擇各種電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率，使其負(fù)載率達(dá)到最高水平，然后根據(jù)裝機(jī)功率選擇對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)型號(hào)。通過對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)輸入功率Nmi，對(duì)電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)輸入功率Nmi進(jìn)行積分計(jì)算，得到電動(dòng)機(jī)輸入功率[3]。

其中雙功率的兩個(gè)功率P1和P2(P1＜P2)分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)效率值ηm1和ηm2。當(dāng) Nmo＜P1時(shí)，電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)效率 ηmx=ηm1；當(dāng) P2＞Nmo＞P1時(shí)，電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)效率為 ηmx=ηm2。電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)輸入功率 Nmi計(jì)算方法如式（1）所示[4]。

式中：Nmo——電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)輸出功率，kW；

Nmi——電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)輸入功率，kW；

ηmx——電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)效率，%。

針對(duì)不同控制方式，根據(jù)節(jié)能控制技術(shù)原理，對(duì)于其系統(tǒng)能耗的計(jì)算主要可分為以下兩類：

1）連續(xù)供電。該類控制方式主要適用于普通控制箱、星角調(diào)壓、變頻調(diào)速控制箱的控制方式，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)能耗的計(jì)算方法如式（2）所示[5]。

式中：P0——電動(dòng)機(jī)空載損耗功率，kW；

θ——曲柄轉(zhuǎn)角，（°）。

2）斷續(xù)供電。該類控制方式主要適用于斷續(xù)供電的控制方式，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)能耗的計(jì)算方法如式（3）所示。

1）僅節(jié)能電動(dòng)機(jī)的輸入功率算法為：功率曲線上正負(fù)功絕對(duì)值和的平均值作為電動(dòng)機(jī)輸入功率計(jì)算得到，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)能耗計(jì)算方法如式（4）所示。

2）節(jié)能電動(dòng)機(jī)+節(jié)能控制技術(shù)+超越離合器的輸入功率算法為

3）節(jié)能電動(dòng)機(jī)+斷續(xù)供電+無超越離合器的輸入功率算法為

2 節(jié)能技術(shù)組合效果模擬

建立各種技術(shù)組合條件下的能耗計(jì)算模型后，以表1的生產(chǎn)參數(shù)為例，進(jìn)行節(jié)能技術(shù)組合優(yōu)化的分析計(jì)算。多種技術(shù)組合模擬計(jì)算效果見表2。

多種節(jié)能技術(shù)的模擬組合為抽油機(jī)+電動(dòng)機(jī)+控制方式+超越離合器。計(jì)算結(jié)果見表3。

計(jì)算表明，在“抽油機(jī)+電動(dòng)機(jī)+控制技術(shù)(超越離合器)”的組合計(jì)算中，高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)+變頻+超越離合器的組合節(jié)能效果最好。

通過示功圖和電動(dòng)機(jī)輸入功率曲線預(yù)測，與實(shí)測示功圖和電動(dòng)機(jī)輸入功率曲線基本一致，反映了實(shí)際油井的載荷和功率變化情況[6]。同時(shí)對(duì)30 m3/d和80 m3/d產(chǎn)液量進(jìn)行模擬。對(duì)于30 m3/d的低載荷井，永磁電動(dòng)機(jī)配星角轉(zhuǎn)換控制效果較好；對(duì)于80 m3/d的較高載荷井，雙功率電動(dòng)機(jī)配變頻效果較好。

3 節(jié)能技術(shù)組合現(xiàn)場試驗(yàn)

從現(xiàn)場試驗(yàn)看，兩種及兩種以上節(jié)能技術(shù)疊加使用后，還有繼續(xù)提高的節(jié)能空間。以常規(guī)抽油機(jī)+超高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)+變頻控制為例，應(yīng)用高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)有功節(jié)電率為10.93%，再組合變頻技術(shù)后，有功節(jié)電率提高到16.16%（表4）。

高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)與星角轉(zhuǎn)換控制技術(shù)的組合設(shè)計(jì)（表5），既能滿足抽油機(jī)柔性運(yùn)行的需要，還能通過星角轉(zhuǎn)換技術(shù)彌補(bǔ)電動(dòng)機(jī)承受大負(fù)載、高電流的不足。

表1 模擬計(jì)算井生產(chǎn)參數(shù)

表2 多種技術(shù)組合模擬計(jì)算效果

表3 多種技術(shù)組合模擬計(jì)算效果

表4 1#井高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)+變頻控制技術(shù)組合應(yīng)用效果

表5 2#井高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)+星角轉(zhuǎn)換控制技術(shù)組合應(yīng)用效果

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）抽油機(jī)井應(yīng)用節(jié)能技術(shù)效果的最大化不是多種技術(shù)的簡單疊加，從噸液單耗變化看不顯示直線增加趨勢，仿真計(jì)算及試驗(yàn)表明，必須依據(jù)節(jié)能技術(shù)的原理特點(diǎn)進(jìn)行組合應(yīng)用。

2）節(jié)能技術(shù)組合應(yīng)用與油井載荷水平高低有較大關(guān)系。通過高中低產(chǎn)液水平油井模擬結(jié)果看，低載荷井應(yīng)用永磁電動(dòng)機(jī)配星角轉(zhuǎn)換型控制技術(shù)效果較好，中等載荷油井則高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)+變頻的節(jié)能效果最好，對(duì)于較高載荷油井，雙功率電動(dòng)機(jī)配變頻效果較好。

3）動(dòng)液面較深時(shí)，下偏杠鈴抽油機(jī)比常規(guī)抽油機(jī)節(jié)能效果好；動(dòng)液面較淺時(shí)，常規(guī)抽油機(jī)比下偏杠鈴抽油機(jī)節(jié)能效果好。