基于降低機采單耗的抽油機柔性運行技術研究與應用

＊周俁玒

（中國石油青海油田分公司采油三廠 青海 816400）

抽油機在實際運行時，受自身結構特性影響，電機與減速箱將會承受一定的負載，且這種負載會處于一種周期性變化狀態。尤其是電機和減速箱在實際運行時，扭矩峰值與交變整體的幅度比較大，這意味著電機輸入功率曲線將會出現較大幅度的波動。受此影響，電機會經常出現過載問題。減速箱輸出軸扭矩在進行方向轉換的過程中，齒輪會出現“背擊”問題。抽油機在正常的運動狀態下，懸點速度軌跡遵循的是準正弦規律，桿柱會受到不均衡振動的影響，承受一種慣性載荷，從而對抽油桿柱造成嚴重的沖擊。抽油機在運行過程中，曲柄裝置會呈勻速圓周轉動方式，這會導致泵柱塞運行速度無法均勻分布，產生較高的速度峰值。在少部分出油井中，供液因為不夠充足，還會引起泵燒壞問題。抽油機在啟動過程中，面臨的負載很大。為了保障啟動安全性，在抽油機中只能配置大功率電動機，同時對變送器裝置容量也有著較高的要求。雖然這種配置能夠確保抽油機安全啟動，但會導致電機負載利用率下降。因此為了降低抽油機的能耗，提升抽油機運行效果，近年來，在一些油田中會采用變頻控制技術。通過應用這種技術，可以調節電機轉速性能，提升電機啟動穩定性，有效解決電動機變速難、啟動電流大等問題，降低抽油機的整體能耗，提高抽油機的運行效率。但采用變頻控制技術，只能夠實現抽油機軟啟動。無法結合實際情況，做好上下沖程時間的合理分配，也無法在一個沖程周期內，實現變速調整，因此抽油機在能耗降低方面依然有很大的提升空間。為了有效降低抽油機的能耗，有必要加強抽油機柔性運行技術的研究分析。通過應用該項技術，可以促使抽油器整個運行過程實現柔性變更控制運行，從而顯著提升抽油系統的整體性能，顯著降低抽油機的能耗[1]。

1.抽油機柔性啟動運行技術及其特點

相較于普通的變頻控制技術，抽油機柔性啟動技術功能更加強大，該項技術在抽油機的電機與曲柄裝置之上安裝了傳感器，用于采集電信號，并對懸點位置進行智能分析，找出其與電機負荷之間具備的關系。最后，以上下沖程負載變化為依據，合理地進行電機轉速變化的調整，同時確保電機的轉矩、輸出功率等符合實際運行情況，實現抽油機系統運行軌跡動態調整。在柔性啟動技術的幫助下，還會充分利用抽油機系統的慣性，合理降低運行功率，并促使電機電流、扭矩峰值等處于一個最佳的狀態，提升抽油機驅動能量輸出的均衡性。在啟動時，電機轉速由零提升至所需要的轉速，期間不會出現大電流、啟動功率較大波動等問題，確保電機可以穩定、安全啟動[2]。

總之，柔性運行技術是一種比較實用的抽油機運行控制技術，這種技術有很多優勢特點，比如在不改變抽油機設備結構的前提下，可以通過調節電機運行速度，從而改變抽汲頻率，促使柱塞運動速度分布更加均衡，在提升抽油機運行效率的同時，顯著降低能耗。又如柔性運行技術的應用，還能夠有效降低抽油機因軸向壓力產生的徑向偏磨力，減少桿管疲勞，降低井下采油無功損耗，提升采油經濟性。再如在抽油機中應用柔性運行技術，還可以提升設備的使用壽命，減少停機時間以及維修作業，推動石油抽采實現更好的發展。

2.基于降低機采單耗的抽油機柔性運行技術研究

（1）變軌控制優化。這種技術可以從變速驅動入手，獲取抽油機的懸點速度軌跡。在抽油機運行的過程中，懸點速度如果發生改變，將會對柱塞運動造成嚴重的影響。這種影響除了表現在泵的漏失率方面，還表現在下沖程過程中，流體對柱塞阻尼頂托力的大小方面。當桿柱與液柱慣性力發生變化，則會影響桿柱的受力分布情況。

通過變軌控制技術的優化，可以有效抑制慣性作用。在這一過程中，柱塞啟動后，需要控制器加速過程，從而在上沖程階段，減少慣性對桿柱負載帶來的影響。與此同時，通過變軌控制技術的優化，還能夠對空氣影響起到一定的抑制作用。在這一過程中，需要立足上行全過程。加強對柱塞運行速度的控制，合理調整泵筒空間相對負壓，從而避免溶解氣溢出對柱塞運行造成負面影響。通過變軌控制技術的優化，還能對下行偏磨帶來抑制作用，通過立足下行全過程，加強對柱塞最大運行速度的控制，當液流通過游動凡爾時，可以對其壓頭差造成控制影響，最終有效減小下沖程帶來的動態偏磨影響。

（2）抽油機系統運行狀態診斷識別。對柔性運行技術而言，本身具有一定的智能性，可以利用相關算法，實現對井下抽油機運行工況狀態的診斷與識別。柔性運行技術的主要識別對象為光桿的速度和曲柄軸扭矩負荷。在這一過程中，采用模式特征識別方法，可以對系統運行工況進行診斷識別分析。抽油機在實際運行的過程中，自身的運行方式將會對下流壓穩定性、抽油泵功率、懸點最大載荷和交變載荷造成直接影響。而針對驅動裝置負荷峰值、地面系統的平衡率等，抽油機的運行也會產生間接的影響。通過對抽油機系統運行狀態進行診斷識別，針對上下行程時間比，可以在0.5～2范圍內，實現無級設定。如果井下油田供液高于采液，通過對抽油機系統運行狀態進行診斷識別，可以起到參數自主調節的作用。反之，通過對抽油機系統運行狀態進行診斷識別，可以避免出現液擊現象。

（3）柔性運行控制。通過應用柔性運行控制技術，在抽油機中配置傳感器，可以采集電機運行信號，對懸點位置與電機負荷之間的關系進行實時分析。從而根據懸點的實際負荷，制定出對應的電機轉速變化方案[3]。與傳統的變頻控制技術相比，柔性運行控制轉被動為主動，可以主動對電機變速驅動進行控制，從而能夠結合實際工況，合理地調整電機轉速。該項技術的應用，本身沒有改變能量消耗。而是基于抽油機不同的工況，合理地進行能量分配，從而顯著提升電能的利用率，降低了整體的能耗。

（4）負荷功率再分布技術。抽油機系統在實際運行的過程中，針對電機可以實現負荷功率的再分布，該項技術可以在不同工況下，改變調整電機的轉速，以此來實現曲柄運行速度、加速度的再分布。當電機轉速發展變化時，電機輸出功率也會隨之變化。通過負荷功率再分布，本質上是結合實際需求，提升電機功率變化的適應性。

3.基于降低機采單耗的抽油機柔性運行技術應用分析

（1）實驗測試內容。為了更好地評價抽油機柔性運行技術的應用效果，本次通過開展實驗，對電機啟動/運行電流、啟動/運行功率以及不同沉沒度井的示功進行分析。

（2）實驗測試方法。在本次實驗測試中，采用了專業的電力測量儀器作為測量工具。在測量的過程中，首先需要調整控制開關，使其處于工頻運行狀態。然后再利用測量工具，完成電機啟動/運行電流、啟動/運行功率的測量。電機運行時間為16min，期間需要完成電機運行數據的記錄。隨后，還需要通過調整控制開關，使其處于優化運行狀態。再利用測量工具，完成電機啟動/運行電流、啟動/運行功率的測量。電機運行時間為16min，期間需要完成電機運行數據的記錄。最后，還需要記錄沉沒井的功率信息。

（3）選井條件。本次實驗選擇在某采油廠開展，測井數量為6口，井號可以分別記錄為1～6號。不同采油井基本情況信息，如表1所示。

表1 不同采油井基本情況信息

4.結果分析

（1）啟動功率、電流對比分析。在本次實驗中，通過以上述6口井為研究對象，對應用柔性運行技術的啟動電流以及功率進行了對比分析。從中可知，在柔性運行技術的幫助下，電機的啟動功率與電流均得到了明顯的下降。通過數據對比分析可知，啟動功率的峰值比為9.62:1，啟動電流峰值比為17.93:1。之所以產生這一問題，可以采用公式（1）解釋背后的原因：

式中，M()?代表的是電機扭矩；P()?代表的電機功率；()?ω代表的轉速。抽油機在實際啟動的過程中，一般對啟動扭矩有著較高的要求。在實際工況要求下，啟動轉速會不斷地提升，一直提升到滿足實際工況要求的頻率。在柔性啟動模式下，需要應用變頻裝置。通過柔性運行技術的支持，在達到同樣的扭矩目標下，實際需要的功率更小，啟動電流也非常低，這意味著電機在啟動后，可以通過低轉速轉動獲得符合工況要求的大扭矩。在工頻狀態下，電機在啟動時，一般在極短時間內需要達到電機額定轉數，為了達到扭矩要求，必然需要提升電機功率，那么實際耗電量將會增加。通過上述對比可以發現，柔性運行技術下的電機對啟動功率、電流要求更低，實際能耗也更少。

（2）運行功率、電流對比分析。為了對柔性運行技術更好地進行評價，在本次實驗中，選擇了6口井，借助電力測量儀器作為測量工具，對工作電流以及功率進行了對比測試分析。從最終的結果來看，運行功率與運行電流下降比較明顯。其中電機的功率峰值比為2.61:1，電流的峰值比為2.58:1。抽油機實際運行時，在變頻控制模式下，工頻范圍是34～50Hz。并且在運行過程中，工頻變化具有一定的規律性。從而可以判斷，電機在面臨高負載時，依然可以在低功率模式下，提供較大的扭矩。保持高速轉動的同時，實現高功率運行。如此一來，可以顯著提升電機的有效功率，降低電機電能損耗。

（3）不同沉沒度下井泵工作狀況對比分析。從結果來看，沉沒度在100m以內的井，沖次得到了顯著提升，沉沒度下降，每天的耗電量降低，井泵效率得到了有效的提升。而沉沒度在100～300m的井，在應用柔性運行技術后，起到的效果與沉沒度在100m以內的井基本相同。其中電能節約效果表現得更加突出。沉沒度在300m以上的井，在應用柔性運行技術后，除了展現出較強的節電效果以外，沉沒度下降幅度更大。從中可知，在柔性運行技術的幫助下，采油井的沖次、產液量和沉沒度基本維持穩定，但抽采機的耗電量顯著降低，泵運行效率提升，由此可以更好地發揮出節能降耗的作用價值。

5.結束語

傳統抽油機在實際運行時，能耗過高，還會增加設備磨損，不利于抽油機設備使用壽命提升。因此需要通過加強柔性運行技術的應用，從而有效解決這一問題，促使抽油機的電機裝置在運行時可以實現轉速、功率的合理分配，有效降低抽油機能耗，提升抽油機的運行性能，降低石油生產成本，推動采油生產實現穩定順利發展。本次研究中，通過結合相關實驗，分析了柔性運行技術實際應用效果。結果表明，在柔性運行技術的應用下，電機對啟動功率、電流要求更低，有效降低了啟動能耗。在柔性運行技術的支持下，電機在面臨高負載情況時，依然可以在低功率運行模式下提供較大的扭矩。保持高速轉動的同時，實現高功率運行，從而提升電機的有效功率，降低電機電能損耗。不僅如此，在柔性運行技術的幫助下，采油井的沖次、產液量和沉沒度基本維持穩定，抽采機的耗電量顯著降低，泵運行效率提升，因此更有利于節約采油成本，推動油田開采實現更好的發展。