“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用試驗

易正昌（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

隨著大慶油田的不斷開發(fā)，地層供液能力不斷下降，油井產(chǎn)液量逐漸降低，機采井系統(tǒng)效率低、能耗高等問題日益突出，嚴重制約了油田的經(jīng)濟高效開發(fā)，節(jié)能降耗工作愈發(fā)重要。抽油機作為目前主要的舉升方式，更是節(jié)能降耗治理工作的重點對象。相比于常規(guī)抽油機系統(tǒng)，長沖程抽油機系統(tǒng)具有效率高、節(jié)能顯著等優(yōu)點[1]。近年來，在大慶油田開展的單機單井超長沖程舉升系統(tǒng)現(xiàn)場試驗均取得了良好的應(yīng)用效果[2-3]。

目前，大慶油田某采油廠有叢式井平臺632個，共1 873口井，占機采井的23.2%，仍沿用“一機一井”的生產(chǎn)模式。叢式井處于同一平臺、距離較近的特點沒有得到發(fā)揮，井與井之間的能量沒有綜合利用。針對這一問題，在現(xiàn)有超長沖程新型抽油機的基礎(chǔ)上開展了“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統(tǒng)現(xiàn)場試驗，完善相關(guān)配套技術(shù)，對今后平臺井高效節(jié)能開發(fā)具有重要意義。

1 “一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

“一拖二”互平衡式超長沖程抽油機由青島新盛石油機械有限公司研發(fā)與制造。該節(jié)能舉升系統(tǒng)主要由控制柜、電動機、滾筒減速器、柔性鋼絲繩、傳動輪、抽油桿、超長沖程抽油泵、主機架、基座等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。基座通過螺栓固定在井場水泥基礎(chǔ)上，電源控制柜和主機架直接用螺栓安裝在基座之上，滾筒減速器則經(jīng)滾筒座用螺栓連接到基座上。滾筒減速器由行星減速器和卷筒兩部分組成，行星減速器安裝于卷筒內(nèi)部。減速器的輸入軸通過聯(lián)軸器與電動機的輸出軸連接，卷筒上盤繞柔性鋼絲繩，鋼絲繩經(jīng)由兩側(cè)固定于主機架上的傳動輪，穿過井口與井下抽油桿柱上端連接，抽油桿柱下端與超長沖程抽油泵柱塞連接。

圖1 “一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

抽油機工作時，智能控制柜驅(qū)動電動機正、反轉(zhuǎn)，經(jīng)卷筒內(nèi)部的行星減速器將電動機輸出的高轉(zhuǎn)速變?yōu)榫硗驳牡娃D(zhuǎn)速。在卷筒轉(zhuǎn)動過程中，卷筒一端柔性鋼絲繩不斷盤繞在卷筒上，通過固定于主機架上的傳動輪，帶動與之相連的抽油桿柱和抽油泵柱塞向上運動；與此同時，卷筒另一端柔性鋼絲繩不斷釋放，經(jīng)另一側(cè)傳動輪帶動相連抽油桿柱和抽油泵柱塞向下運動，利用一上一下互平衡的方式實現(xiàn)1臺抽油機同時帶2口井運轉(zhuǎn)的目的。

1.3 性能特點

“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統(tǒng)通過智能控制柜實現(xiàn)電動機的柔性啟停，降低電動機的裝機功率，提高電動機的負載率和運行效率，同時減輕上下死點換向過程中抽油機懸點載荷的劇烈變化；在上下沖程運行過程中，由于其獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)測與調(diào)整，柔性鋼絲繩幾乎勻速運行，懸點加速度極小，因此慣性載荷和振動載荷也很小，有效地改善了柔性鋼絲繩和抽油桿柱的受力情況。此外，通過智能控制系統(tǒng)能夠方便快捷地調(diào)節(jié)沖程、沖速等抽汲參數(shù)，通過設(shè)置上下沖程死點滯留時間，還能實現(xiàn)油井智能間歇采油，大大降低現(xiàn)場操作人員的勞動強度。“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統(tǒng)采用直驅(qū)電動機驅(qū)動，省略常規(guī)抽油機皮帶輪、曲柄、連桿、游梁等傳動部件，簡化了傳動環(huán)節(jié)，能耗大幅度降低。該抽油機未配置平衡重，主要利用柔性鋼絲繩一下一上的運動方式實現(xiàn)系統(tǒng)互平衡，充分利用井與井之間的能量。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 柔性控制技術(shù)

針對“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統(tǒng)上下沖程換向點載荷變化大、振動大，導(dǎo)致柔性鋼絲繩易斷的問題，開發(fā)了柔性控制技術(shù)，通過智能控制柜實現(xiàn)抽油機的柔性啟停和勻速運行。由于抽油機屬于帶負荷啟動設(shè)備，其啟動過程需要較大的啟動扭矩[4]。柔性啟動通過變頻裝置使電動機在啟動過程中的轉(zhuǎn)速由零開始逐漸增大，直至變頻器所設(shè)置的頻率[5]。由式（1）可知，此時電動機達到相同扭矩時所需的功率較小，相應(yīng)電流也較低，避免了載荷的劇烈變化，載荷變化產(chǎn)生的振動也基本消除，運行更加平穩(wěn)，從而延長了柔性鋼絲繩等部件的使用壽命。

式中：P——電動機輸出軸功率，kW；

M——電動機輸出軸扭矩，N?m；

2.2 超長沖程抽油泵

超長沖程抽油泵主要由泵筒、柱塞、泵筒進油閥、柱塞出油閥、閥座和油管接箍等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

超長沖程抽油泵采用5級泵筒連接，泵筒全長50 m。多級泵筒通過細螺紋平扣連接，采用端面密封，泵筒間同軸度小于0.03 mm；泵筒內(nèi)壁鍍鉻處理，提高了耐磨及抗腐蝕性能；泵筒底部采用雙套固定閥總成，以降低固定閥漏失量；柱塞和泵筒配合間隙為1級，柱塞長度為1.2 m。超長沖程抽油泵增加了沖程長度，減小了漏失量，泵效較高[6]，有助于提高系統(tǒng)效率。

2.3 柔性鋼絲繩

“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統(tǒng)可實現(xiàn)超長沖程運行，主要是因為柔性鋼絲繩在滾筒內(nèi)盤繞與井下超長沖程抽油泵配套進行舉升。經(jīng)過對柔性鋼絲繩逐步優(yōu)化改進，采用直徑16 mm的鋼絲繩在外部編織成鋼絲網(wǎng)，并涂覆高分子改性材料，以提高耐磨、抗腐蝕性能，有利于井口密封。相比于普通抽油桿，柔性鋼絲繩具有線密度小的優(yōu)點，應(yīng)用柔性鋼絲繩替代部分抽油桿能夠降低抽油機運行載荷，提高系統(tǒng)效率。

3 現(xiàn)場應(yīng)用試驗

2017年，在大慶油田某采油廠的2口井上開展了“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用試驗。試驗前，2口試驗井的地面部分采用高轉(zhuǎn)差雙速電動機、變頻調(diào)速控制柜和偏置游梁式抽油機等節(jié)能設(shè)備。新安裝的“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備性能參數(shù)如下：10型抽油機，最大提拉力100 kN，額定提拉力80 kN，總傳動比235i；永磁同步電動機型號200L2-6-22，功率22 kW，轉(zhuǎn)速970 r/min；減速器型號GFT80-235，額定扭矩90 kN·m；卷筒直徑1 000 mm，長度800 mm，轉(zhuǎn)速4.1 r/min，容繩量78 m；柔性鋼絲繩直徑28 mm，額定速度0.22 m/s；抽油桿為?19+?16的組合桿柱，同時配套使用旋轉(zhuǎn)刮蠟扶正器；抽油泵為直徑57 mm的多級管式整筒泵。

圖2 超長沖程抽油泵結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，與試驗前應(yīng)用的節(jié)能設(shè)備對比，平均單井日增產(chǎn)液量5 t，泵效由58.1%提高到 83.2%，噸液百米耗電由 1.109 kWh/（t·100 m）下降到 0.748 kWh/（t·100 m），系統(tǒng)效率提升 11.8 個百分點，節(jié)電率達32.6%（表1），預(yù)計年節(jié)電1.9×104kWh，創(chuàng)造經(jīng)濟效益1.22萬元。

4 結(jié)論

1）對“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統(tǒng)開展現(xiàn)場試驗和效果跟蹤測試，平均單井日增產(chǎn)液量5 t，泵效提高25.1個百分點，系統(tǒng)效率提高11.8個百分點，節(jié)電率達到32.6%，節(jié)電效果十分明顯。

2）“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統(tǒng)滿足“大泵徑、長沖程、低沖速”節(jié)能優(yōu)化設(shè)計需求，能夠有效利用井與井之間的能量，在平臺井高效節(jié)能開發(fā)上具有良好的應(yīng)用前景。

表1 試驗井措施前后數(shù)據(jù)對比