大慶外圍油田抽油機井“峰谷平”不停機間抽技術的試驗與應用

王智文（大慶油田有限責任公司第八采油廠）

1 背景介紹

近年來，大慶油田某外圍采油廠正處在由攻關上產向持續穩產過渡的關鍵時期，生產規模不斷擴大，操作成本也隨之增加，尤其前期油價低迷時期高投入低產出的矛盾尤為凸出。因此，如何在增產、穩產的同時，實現企業效益最大化，成為采油廠攻堅克難的主要問題。隨著規模不斷擴大，耗電量也在逐年正比上升，電費支出就越來越多；處于開發中后期的采油區塊，采出液含水量逐年升高，噸油采出成本也在逐年遞增，效益空間是越來越小，高成本低產出的客觀開發形勢逐漸凸顯出來。

因此，嚴格控制高峰時段用電，合理利用“谷平”時段用電，最大程度降低生產成本。高峰時段8h，低谷時段7h，平時段9h。全天共劃分了6個時間段，2021年某采油廠間抽井達到5416口，占到開井數的92.6%，若人工實施“峰谷平”間抽，前線工人勞動強度加大。因此，無法通過人工間抽進行錯峰優化運行。

為降低前線工人勞動強度，2018—2020年在間抽井上共安裝不停機間抽配電箱1296套。2021年利用不停機間抽配電箱試驗應用“峰谷平”不停機間抽運行模式，一方面確保地面設備不停機安全擺動運行，井下抽油泵間歇采油，實現油井供排協調，另一方面提高了抽油機的工作效率，實現了間抽井效益最大化。

2 “峰谷平”不停機間抽基本原理及應用效果

2.1 主要功能模塊組成

“峰谷平”不停機間抽是在常規不停機間抽技術基礎上進行升級改造，主要由曲柄位置傳感器、電機轉速傳感器、三相電監測傳感器、智能控制器、7寸觸摸液晶顯示屏和內置遠程模塊RS485接口等6部分組成，不停機間抽主要功能模塊安裝位置見圖1。

圖1 不停機間抽主要功能模塊安裝位置

曲柄位置傳感器：安裝在對應光桿下死點的曲柄位置處，監測每個沖程內下死點所對應的曲柄位置。

1）電動機傳感器：安裝在電機尾軸上，針對電動機轉速進行實時高精度監測。

2）電參監測傳感器：安裝在控制箱內部，實現電參靜態數據的采集。

3）智能控制器：實現數據采集處理、運行參數的運算處理以及運行指令的運算和下達等作用，能夠控制整周運行與擺動運行[1]。

4）采集的數據主要包括：三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、電流平衡度、功率平衡度、累計電量、故障報警、充滿度、頻率、沖次、搖擺幅度、“峰谷平”制度設置以及相關的數據圖表等等。

2.2 基本原理

該裝置以變頻控制為基礎，通過輔助控制裝置發送控制指令，在負載最低點附近處利用曲柄動能與勢能的交替轉換，以柔性加載的供電方式，控制曲柄低功率運行擺動，實現了抽油機井平衡塊小范圍往復擺動的運行模式，不停機間抽技術原理見圖2。

圖2 不停機間抽技術原理

這種往復擺動的運行模式是采用的曲柄擺動運行與整周運行相結合的方式，可以通過智能控制配電箱進行設定合理的運行時間以及曲柄擺動角度，使低產井供排關系趨于合理[2]。

搖擺運行時，進入非抽汲狀態時，曲柄位于減速箱負載最小點時，電機進行單向推動使曲柄擺動，擺動時，桿柱運動控制在彈性變形范圍內，桿柱在井筒中擾動井液，井下柱塞保持不動，防止井口凍以及井筒結蠟，到達設定的時間，電動機會自動柔性啟動，使得抽油機連續運行生產。

整周運行時，為保證效率，以工頻沖次為主，也可以通過變頻調整。抽油機啟動后先進入整周運行，進行采油工作。整周運行時間到達后進入擺動階段，擺動時間到達后再次進入整周運行階段，實現循環運行，不停機間抽模式邏輯圖見圖3。這樣，整個運行流程就實現了抽油機井不停機間抽運行能夠，實現間抽井連續、安全、穩定、高效生產[3]。

圖3 不停機間抽模式邏輯圖

2.3 技術理念

結合目前油公司提出的“峰谷平”電價，參考目前數字化建設情況，針對不停機間抽技術，進行改造和試驗，對整個配電箱顯示屏的操作端進行優化，實現快捷、準確性操作。圖4是軟件端可調控的部分參數。優化后的“峰谷平”不停機間抽制度見圖5。

圖4 “峰谷平”不停機間抽軟件部分顯示的參數

圖5 “峰谷平”不停機間抽制度

首次進入軟件首頁，輸入操作密碼完成登錄，然后進入搖擺功能界面，調整設置擺動幅度，并在“實際產液量”中輸入數據，抽油機即可按照對應制度實現“峰谷平”搖擺運行（運行時間和搖擺時間也可根據生產實際進行調整）。

2.4 “峰谷平”不停機間抽技術應用效果

以IPR生產曲線為依據，以穩定流壓生產、保證系統效率為基本原則，確定最佳的抽汲時間和搖擺時間，一般30min為一個周期，30min內任意可調，可根據單井情況采取不同的間抽制度，多樣化的間抽方式可實現節能效果最大化。

由于曲柄在抽油機的桿柱彈性變形范圍內擺動運行，擺動時電機的運行能耗非常低（平均有功功率1kW左右），通過電機轉速傳感器和位移傳感器能夠有效控制擺動幅度，在整周與擺動運行切換過程中，采用柔性軟啟動技術，避免頻繁啟動對整個抽油系統的沖擊[4]。

2.4.1 常規不停機間抽試驗效果

統計207口井應用效果：與原有24h正常生產相比較，采用不停機間抽技術的抽油機井，在平均日產液基本持平的情況下，平均日節電55kWh，有功節電率33.1%，系統效率提高3.0%，泵效提高4.2%，不同周期下的常規不停機間抽測試效果見表1。圖6為井1試驗初期示功圖變化情況（每周測試一次），反映不停機間抽井的示功圖充滿度比正常開井示功圖更好一些，說明不停機間抽技術可以有效改善油井供排關系，同時還能夠大幅降低機采單井能耗，同時提高抽油機系統效率，節能效果比較明顯[5-8]，功率變化曲線見圖7。

圖6 井1安裝前及擺動運行時示功圖變化情況

圖7 井1整周運行及不停機搖擺運行時功率變化曲線

表1 不同周期下的常規不停機間抽測試效果

2.4.2 “峰谷平”不停機間抽試驗效果

2021年3月17日在常規不停機間抽技術基礎上升級改造為“峰谷平”不停機間抽，改造后分時段進行運行參數優化，并進行了運行期間用電量、系統效率測試。

按日產液分級，結合“峰谷平”時間段，按照分六種制度執行，綜合考慮峰谷平電價，優化運行參數，高峰時段“運短擺長”，低谷時段“運長擺短”。根據不同產量，對6口井采用優化后的制度進行現場試驗[9-10]（表2）。

表2 “峰谷平”試驗6口井改造后運行制度

從試驗數據可知（表3），進行不停機間抽改造后，平均單井有功功率下降3kW，日節電71.9kWh，節電率達到42%，系統效率提高5.5%。

表3 “峰谷平”試驗6口井改造前后效果對比

3 效益分析

1）總投入方面：單套設備3.8萬元。

2）“峰谷平”效益：應用“峰谷平”錯峰運行后，在不停機間抽節電的基礎上，平均單井額外可日節約電費4.6元，“峰谷平”試驗井效益計算見表4。

表4 “峰谷平”試驗井效益計算

3）整體效益：不考慮“峰谷平”電價，按照單井日節電55kWh，單井年可節約電費1.26萬元；考慮峰谷平電價后，年節電效益提高1656元，全年單井預計節約電費1.43萬元。投資回收期2.66年。

4 結論

1）抽油機不停機間抽技術通過整周運行與擺動運行相結合的模式，將長周期的集中式人工間抽轉變成多輪次短周期分散式的不停機間抽，將各個短周期的合理流壓波動幅度控制在合理范圍內，在保證泵的充滿度情況下，確保抽油機井產能得到充分釋放。

2）不停機間抽不需要前線員工對抽油機進行頻繁起停，降低了人員安全和頻繁起停抽油機對設備造成的磨損。尤其對于結蠟嚴重井，有效降低油井因長時間停井造成蠟卡上作業的可能性。

3）“峰谷平”不停機技術一方面確保地面設備不停機安全擺動運行，另一方面實現操作成本最大程度的降低。同時，下步針對常規不停機間抽改造為“峰谷平”不停機間抽技術，建議該項改造工作需同油田數字化建設工作相結合，達到改造后可實現遠程數據采集、遠程參數自動優化及控制的目的。

4）不停機“峰谷平”電價間抽目前處于試驗起步階段，下步將繼續進行制度優化，宏觀調控“谷時”與“峰時”的運轉時間，實現間抽效益最大化。