某油田機(jī)采節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用分析

王健（中國石油天然氣集團(tuán)有限公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評價中心）

1 拖動裝置

某油田目前已進(jìn)入特高含水期開發(fā)階段，高含水、高能耗的問題日趨嚴(yán)峻。低產(chǎn)井供液不足是機(jī)采系統(tǒng)效率偏低的主要原因之一。為降低低產(chǎn)井運(yùn)行能耗，提高系統(tǒng)效率，應(yīng)用了永磁半直驅(qū)拖動裝置、機(jī)采井不停機(jī)間抽控制裝置等多項措施，取得了較好地節(jié)能效果[1-3]。

1.1 永磁半直驅(qū)拖動裝置

常規(guī)游梁式抽油機(jī)有電動機(jī)、皮帶、齒輪箱三個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動環(huán)節(jié)。電動機(jī)通常為異步電動機(jī)，但由于抽油機(jī)每一個沖次內(nèi)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不均衡，而電動機(jī)輕載時的效率及功率因數(shù)很低，因此平均效率和平均功率因數(shù)不高。

1.1.1 工作原理

永磁半直驅(qū)[4]同步拖動裝置是專為油田游梁式抽油機(jī)設(shè)計的低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機(jī)，永磁半直驅(qū)同步電動機(jī)利用超薄機(jī)身，直接安裝在減速箱上，直接驅(qū)動抽油機(jī)減速箱的輸入軸，取消皮帶傳動系統(tǒng)，可以最低至0.1次/min，同時，免去了皮帶等傳動部件，提高了機(jī)采效率，有效的降低故障率及維修維護(hù)成本。

1.1.2 技術(shù)特點

1）運(yùn)行能耗低。采用高效稀土永磁半直驅(qū)同步電動機(jī)，不存在滑差，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，低負(fù)載率時的運(yùn)行效率明顯高于異步電動機(jī)。

2）傳動效率高。電動機(jī)直接安裝在減速箱輸入軸上，取消了傳統(tǒng)的皮帶傳動，解決了皮帶運(yùn)行過程中打滑、易磨損等一系列問題，從而消除了皮帶傳動損失，提高了傳動效率。

3）維護(hù)費(fèi)用低。無需更換皮帶，無需調(diào)節(jié)皮帶松緊度，無需通過更換皮帶輪調(diào)整舉升運(yùn)行參數(shù)，降低了工人勞動強(qiáng)度與運(yùn)行維護(hù)成本。

4）參數(shù)調(diào)整方便。永磁半直驅(qū)同步拖動裝置，可以通過調(diào)整電動機(jī)頻率來調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次，實現(xiàn)沖次的任意調(diào)整，最低沖次可以達(dá)到0.1次/min，解決了低產(chǎn)低效油井地面參數(shù)調(diào)整困難的問題，為油井的參數(shù)優(yōu)化調(diào)整提供了保障。

5）提高系統(tǒng)壽命。皮帶減速機(jī)構(gòu)最大的危害是皮帶會給減速機(jī)施加一個單邊拉力，使得減速機(jī)軸承及支撐件出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象，降低零部件壽命，永磁半直驅(qū)避免了這些問題，有效提高系統(tǒng)壽命。

1.1.3 技術(shù)適應(yīng)性

永磁半直驅(qū)拖動裝置適用于所有常規(guī)型游梁抽油機(jī)井節(jié)能升級改造。安裝采用現(xiàn)場焊接的安裝方式，將電動機(jī)支架焊接在減速箱側(cè)面。結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，可根據(jù)現(xiàn)場需求定制電動機(jī)性能與外形尺寸。

1.1.4 應(yīng)用情況及效果

截至目前，油田對638口機(jī)采井實施永磁半直驅(qū)拖動裝置技術(shù)應(yīng)用。按照標(biāo)準(zhǔn)對5口機(jī)采井進(jìn)行節(jié)能測試評價，改造前后對比，有功功率降低0.52 kW，平均系統(tǒng)效率提高5.7%，平均有功節(jié)電率達(dá)到14.12%，綜合節(jié)電率為14.13%。永磁半直驅(qū)裝置應(yīng)用測試前后對比見表1、永磁半直驅(qū)總體節(jié)能效果見表2。

表1 永磁半直驅(qū)裝置應(yīng)用測試前后對比Tab.1 Comparison before and after application test of permanent magnet semi-direct drive device

表2 永磁半直驅(qū)總體節(jié)能效果Tab.2 Overall energy-saving effect of permanent magnet semidirect drive

1.2 不停機(jī)間抽裝置

針對外圍油田間抽井控制管理及冬季夜間停機(jī)易發(fā)生凍堵、突然起機(jī)導(dǎo)致的人員傷亡等問題，開展了不停機(jī)間抽[5]控制理論及控制方法的設(shè)計，形成了曲柄擺動定位技術(shù)和柔性驅(qū)動技術(shù)，隨后開展了低能耗、無沖擊驅(qū)動技術(shù)研究，研制了不停機(jī)間抽裝置，驗證了技術(shù)可行性和節(jié)能效果。“十三五”以來，通過不斷優(yōu)化完善，解決了曲柄擺動過程中皮帶易磨損等問題，增強(qiáng)了裝置的適應(yīng)性和可靠性，并進(jìn)一步擴(kuò)大了試驗應(yīng)用規(guī)模。

1.2.1 工作原理

不停機(jī)間抽技術(shù)運(yùn)行過程中，抽油機(jī)曲柄以整周運(yùn)行與擺動運(yùn)行組合方式工作，整周運(yùn)行采用工頻驅(qū)動，擺動運(yùn)行采用變頻驅(qū)動，將長時間停機(jī)的常規(guī)間抽工藝改為曲柄低耗擺動、井下泵停抽的不停機(jī)短周期間抽工藝。

1.2.2 技術(shù)特點

1）運(yùn)行效率高。停抽時曲柄做低能耗小角度擺動，擺動時桿柱運(yùn)動控制在彈性變形范圍內(nèi)，桿柱在井筒中擾動井液，防止凍井口和井筒結(jié)蠟，井下柱塞保持不動；到設(shè)定間隔，電動機(jī)自動柔性啟動，抽油機(jī)連續(xù)運(yùn)行抽油，井下動液面基本穩(wěn)定、地面抽汲參數(shù)合理匹配。

2）控制成本低。整周運(yùn)行采用工頻驅(qū)動，擺動運(yùn)行采用變頻驅(qū)動，由于擺動運(yùn)行負(fù)載低，降低運(yùn)行成本。

3）曲柄無沖擊低能耗擺動。變頻驅(qū)動器控制電動機(jī)，在負(fù)載最低點附近利用曲柄勢能與動能的轉(zhuǎn)換，以柔性加載斷續(xù)供電的方式實現(xiàn)曲柄低能耗擺動。

4）調(diào)參范圍大，有利于供排協(xié)調(diào)。不停機(jī)間抽在不改變抽油機(jī)其他參數(shù)的條件下，僅通過間歇運(yùn)行時間調(diào)整即可實現(xiàn)理論排量大范圍調(diào)整。

5）無人值守。實現(xiàn)了間抽井停抽不停機(jī)，有效減少了間抽井的人為啟停工作量。

6）延長檢泵周期。泵況明顯改善，充滿度大幅提高，消除供液不足帶來的液擊及干磨問題，減少桿管磨損。

表3 不停機(jī)間抽裝置應(yīng)用測試前后對比Tab.3 Comparison before and after application test of pumping device in non-stop room

表4 不停機(jī)間抽裝置總體節(jié)能效果Tab.4 Overall energy-saving effect of pumping unit in non-stop room

1.2.3 應(yīng)用情況及效果

截至目前，油田對6 259口抽油機(jī)實施不停機(jī)間抽裝置技術(shù)應(yīng)用。按照標(biāo)準(zhǔn)對10口抽油機(jī)進(jìn)行節(jié)能測試評價，不停機(jī)間抽裝置應(yīng)用測試前后對比見表3、系統(tǒng)效率提高3%，節(jié)電率能夠達(dá)到13%，單井年節(jié)電為9 258 kWh。據(jù)此測算，油田對638口抽油機(jī)實施不停機(jī)間抽裝置技術(shù)應(yīng)用，不停機(jī)間抽裝置總體節(jié)能效果見表4、年節(jié)電為5 794.58×104kWh，折標(biāo)煤19 347 t，兩種拖動裝置的的節(jié)能效果對比見表5。

表5 兩種拖動裝置的的節(jié)能效果對比Tab.5 Comparison of energy-saving effect of two kinds of driving devices

由表5可知，永磁半直驅(qū)拖動裝置的單臺年節(jié)電量明顯高于不停機(jī)間抽裝置。

2 節(jié)能電動機(jī)類型

近年來，某油田積極選用了各種類型的節(jié)能電動機(jī)。某油田在用節(jié)能電動機(jī)主要有高轉(zhuǎn)差電動機(jī)[6]、永磁同步電動機(jī)[7]、高啟動轉(zhuǎn)矩電動機(jī)[8]等。節(jié)能電動機(jī)的廣泛使用，對抽油機(jī)井節(jié)能降耗起到了積極的作用。

2.1 高轉(zhuǎn)差電動機(jī)

節(jié)能原理：該電動機(jī)利用啟動過程中轉(zhuǎn)差率范圍大的優(yōu)勢獲得較大的啟動轉(zhuǎn)矩，有效降低裝機(jī)功率。

應(yīng)用范圍：該類電動機(jī)適合工況多變的油井或抽油機(jī)要求沖次范圍大、單速電動機(jī)無法滿足要求的井。

節(jié)電效果：截至目前，油田對100口抽油機(jī)實施高轉(zhuǎn)差電動機(jī)技術(shù)應(yīng)用。按照標(biāo)準(zhǔn)對20口抽油機(jī)進(jìn)行節(jié)能測試評價，改造前后對比，系統(tǒng)效率提高4.21%，平均有功節(jié)電為10.56%。

2.2 永磁同步電動機(jī)

節(jié)能原理：永磁同步電動機(jī)為同步工作方式，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場完全同步，與異步電動機(jī)相比，無轉(zhuǎn)差損耗。

應(yīng)用范圍：永磁電動機(jī)具有運(yùn)行效率高、功率因數(shù)高、啟動扭矩大、過載能力強(qiáng)等特點，應(yīng)用廣泛，適合作為老化、低效、高耗能的常規(guī)電動機(jī)的替代電動機(jī)。

節(jié)電效果：截至目前，油田對80口抽油機(jī)實施高轉(zhuǎn)差電動機(jī)技術(shù)應(yīng)用。按照標(biāo)準(zhǔn)對16口抽油機(jī)進(jìn)行節(jié)能測試評價，改造前后對比，無功節(jié)電率達(dá)60%以上，有功節(jié)電率達(dá)20%。

2.3 高扭矩節(jié)能電動機(jī)

節(jié)能原理：高扭矩電動機(jī)Y-Δ混合繞組，可減少諧波磁勢[9]，從而減少電動機(jī)的雜散損耗，與同功率等級的Y系列電動機(jī)相比，雜損降低了2/3以上，提高了電動機(jī)的運(yùn)行效率。

應(yīng)用范圍：較適合應(yīng)用在負(fù)載大、電動機(jī)功率利用率低的抽油機(jī)井，可在降低裝機(jī)功率的同時保證電動機(jī)的正常啟動。

節(jié)電效果：截至目前，油田對120口抽油機(jī)實施高扭矩節(jié)能電動機(jī)技術(shù)應(yīng)用。按照標(biāo)準(zhǔn)對24口抽油機(jī)進(jìn)行節(jié)能測試評價，改造前后對比，平均有功節(jié)電率可達(dá)到13.79%。

由以上分析可知，永磁同步電動機(jī)的有功節(jié)電率明顯高于高轉(zhuǎn)差電動機(jī)、高扭矩節(jié)能電動機(jī)[10]。

3 結(jié)論

1）當(dāng)選擇具體的節(jié)能拖動裝置時，建議選用永磁半直驅(qū)拖動裝置；對于供液不足的低產(chǎn)井，建議選用不停機(jī)間抽裝置。

2）高轉(zhuǎn)差電動機(jī)適合工況多變的油井或抽油機(jī)要求沖次范圍大、單速電動機(jī)無法滿足要求的井。

3）永磁同步電動機(jī)適合作為老化、低效、高耗能的常規(guī)電動機(jī)的替代電動機(jī)。

4）高扭矩節(jié)能電動機(jī)適合應(yīng)用在負(fù)載大、電動機(jī)功率利用率低的抽油機(jī)井。