塔河油田抽油機(jī)效能提升技術(shù)研究與應(yīng)用*

劉玉國(guó) 楊利萍 彭振華 曹暢 丁保東

（1.中國(guó)石油化工集團(tuán)公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司）

塔河油田埋藏深度達(dá)5 300~7 000 m，油藏流體性質(zhì)變化大，原油從凝析油、輕質(zhì)油到重質(zhì)油、超重質(zhì)油均有分布，稠油井主要采用摻稀生產(chǎn)[1-2]。塔河油田主要采用抽油機(jī)生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)[3-4]，現(xiàn)有抽油機(jī)井1 400 余口，綜合含水率56.3%，平均動(dòng)液面744 m。根據(jù)SY/T 5264—2012《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測(cè)試和計(jì)算方法》[5]，實(shí)測(cè)的抽油機(jī)井地面效率為65.6%，系統(tǒng)效率平均為28.6%，均較低。

由于抽油機(jī)井占比高，其能耗直接決定了油田的耗能水平。系統(tǒng)效率分為地面效率與井下效率[6]，目前抽油機(jī)井系統(tǒng)效率與中石化平均水平尚有差距。通過(guò)分析塔河油田抽油機(jī)的能耗狀況，重點(diǎn)研究其地面效率提升方法，對(duì)于提升塔河油田抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率水平具有重要意義。

1 運(yùn)行現(xiàn)狀與問(wèn)題分析

塔河油田機(jī)采主要以游梁機(jī)-有桿泵、抽稠泵為主，為滿(mǎn)足深抽長(zhǎng)沖程、低沖次需要，抽油機(jī)以14 型節(jié)能游梁式抽油機(jī)為主[7]，抽油桿全部采用了H 級(jí)超高強(qiáng)度抽油桿，應(yīng)用的抽油泵包括管式泵和液力反饋泵。

1.1 運(yùn)行現(xiàn)狀

塔河油田機(jī)抽井應(yīng)用最廣泛的是CYJQ14-5-73HY型抽油機(jī)(含Ⅱ），共738 口，占比67.5%；其次是CYJ16-5.5-89HPF 型抽油機(jī)，共115 口井；其他型號(hào)抽油機(jī)僅是小范圍的試驗(yàn)。其中，大沖程抽油機(jī)系統(tǒng)效率相對(duì)較高，但主力機(jī)型CYJQ14-5-73HY（含Ⅱ） 平均地面效率53.3%、系統(tǒng)效率15.76%，明顯較低，且低效井比例大，因此主力機(jī)型低效井的治理是降低抽油機(jī)能耗的關(guān)鍵。

1.2 地面效率測(cè)試分析

對(duì)1 094 井次開(kāi)展了系統(tǒng)效率測(cè)試，近3 a 不同電動(dòng)機(jī)負(fù)載率下的抽油機(jī)效率平均值匯總見(jiàn)表1。其中，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率是指抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)實(shí)際（實(shí)測(cè)）輸入功率與電動(dòng)機(jī)額定功率之比。

表1 近3 a 不同電動(dòng)機(jī)負(fù)載率下的抽油機(jī)效率平均值匯總Tab.1 Summary of pumping unit efficiency averages at different motor load rates in recent three years

以上統(tǒng)計(jì)表明：抽油機(jī)地面效率、系統(tǒng)效率、功率因數(shù)均與電動(dòng)機(jī)負(fù)載率密切相關(guān)。隨著電動(dòng)機(jī)負(fù)載率的降低，抽油機(jī)地面效率等指標(biāo)明顯降低，因此提高電動(dòng)機(jī)負(fù)載率對(duì)于提升抽油機(jī)效率、系統(tǒng)效率、節(jié)能等將有明顯效果。

1.3 能效影響因素分析

影響抽油機(jī)能效的因素主要包括皮帶傳動(dòng)、減速箱、四連桿和電動(dòng)機(jī)四個(gè)部分[8]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般各節(jié)點(diǎn)能耗損失占整體損耗的比例：電動(dòng)機(jī)損耗約占8%～30%，皮帶損耗約占2%～10%，四連桿機(jī)構(gòu)損耗約占5%，減速箱損耗約占10%～15%。其中主要影響因素是電動(dòng)機(jī)效率，次要影響因素是皮帶傳動(dòng)效率、減速箱效率、四連桿機(jī)構(gòu)效率及管理水平（如平衡度的檢查與調(diào)節(jié)）等[9-10]。由于系統(tǒng)效率測(cè)試時(shí)并未單獨(dú)對(duì)皮帶傳動(dòng)、減速箱、四連桿機(jī)構(gòu)的效率進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)皮帶傳動(dòng)效率、減速箱效率、四連桿機(jī)構(gòu)效率的提升空間較小，因此抽油機(jī)效能（地面效率）適宜用電動(dòng)機(jī)效能進(jìn)行表征。由于電動(dòng)機(jī)效能與電動(dòng)機(jī)負(fù)載率密切相關(guān)，因此以電動(dòng)機(jī)負(fù)載率為主要研究對(duì)像對(duì)抽油機(jī)效能進(jìn)行分析。

1.4 抽油機(jī)運(yùn)行中存在的主要問(wèn)題

1）抽油機(jī)配置偏大，空載消耗大。原油埋藏深，為滿(mǎn)足地層能量下降后的深抽需要，抽油機(jī)主要為大型抽油機(jī)，配置的電動(dòng)機(jī)功率較大。但油田實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，注采關(guān)系的不斷變化導(dǎo)致原有配置的機(jī)型、電動(dòng)機(jī)配置偏大，空載消耗大，地面效率與系統(tǒng)效率低。

2）電動(dòng)機(jī)負(fù)載率低。由于電動(dòng)機(jī)額定功率偏大，載荷過(guò)低，造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率較低。在使用過(guò)程中普遍存在電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率高、功率因數(shù)低、平衡度差、啟動(dòng)扭矩大、“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象嚴(yán)重等諸多問(wèn)題。

3） 抽油機(jī)的平衡度低。當(dāng)抽油機(jī)不平衡時(shí)，上沖程中電動(dòng)機(jī)承受著極大的負(fù)荷，下沖程中抽油機(jī)反而帶著電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而造成功率的浪費(fèi)，增加能源的消耗。塔河油田以大型抽油機(jī)為主，泵掛深度大，載荷大，抽油機(jī)不平衡問(wèn)題更為突出。

2 效能提升潛力與方案

2.1 提升潛力

1）抽油機(jī)地面效能理論值。游梁式抽油機(jī)效能由電動(dòng)機(jī)、皮帶傳動(dòng)、減速箱和四連桿機(jī)構(gòu)的效率決定。根據(jù)以上分項(xiàng)構(gòu)成，運(yùn)行良好的抽油機(jī)效能約55%~74%左右。

2） 塔河油田抽油機(jī)效能目標(biāo)值與提升潛力。根據(jù)塔河油田抽油機(jī)地面效率測(cè)試基本數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率大于或等于35%的井平均地面效率為69.91%，結(jié)合節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范，推薦塔河油田抽油機(jī)井效能目標(biāo)值為70%。

因此，塔河油田抽油機(jī)效能的提升，應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率小于25%的井，此類(lèi)井占比較大。尤其是電動(dòng)機(jī)負(fù)載率小于20%的井，其提升潛力可達(dá)6%以上；電動(dòng)機(jī)負(fù)載率小于10%的井，其提升潛力可達(dá)10%以上，是塔河油田抽油機(jī)效能提升的重點(diǎn)井。

2.2 地面效能主要提升方案

1）實(shí)測(cè)系統(tǒng)效率并分析電動(dòng)機(jī)負(fù)載率，篩選電動(dòng)機(jī)負(fù)載率低于25%、地面效率低于60%的井作為主要目標(biāo)井。

2） 更換電動(dòng)機(jī)、換小抽油機(jī)或改變電源接法，解決抽油機(jī)選型過(guò)大的問(wèn)題。其中，電源由三角形接法改為星形接法后，電動(dòng)機(jī)降壓運(yùn)行（-5%左右）能夠節(jié)電并提高電動(dòng)機(jī)效率。該方案不消耗功率，節(jié)電效果明顯，在塔河油田的完全可對(duì)比井中，地面效率分別提高8.3%和9.6%。

3） 推廣使用節(jié)能型抽油機(jī)（如皮帶式抽油機(jī)、直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)）、節(jié)能控制柜（姿態(tài)控制器、四功能控制箱、變頻控制柜）等設(shè)備。

3 抽油機(jī)智能姿態(tài)控制增效系統(tǒng)研制

3.1 工作原理

抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)姿態(tài)控制器包括主回路、信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理、位置檢測(cè)電路以及逆變電路等部分。其矢量控制的基本思想是在交流電動(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律，在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成產(chǎn)生磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩分量互相垂直、彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)矩方程如式（1）所示：

式中：Td為轉(zhuǎn)矩N?m；p為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，兩極為一對(duì)，四極為兩對(duì)，如此類(lèi)推；ψr為轉(zhuǎn)子磁鋼在定子上的耦合磁鏈，Wb；Ld為電動(dòng)機(jī)的軸d主電感，H；Lq為電動(dòng)機(jī)的軸q主電感，H；id為定子電流矢量的d軸分量，A；iq為定子電流矢量的q軸分量，A。

由式（1）可見(jiàn)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩基本上取決于定子軸電流d-q軸分量。抽油機(jī)矢量控制算法中考慮整體的效率，將每個(gè)沖程分段控制并進(jìn)行反饋優(yōu)化。將抽油機(jī)每個(gè)沖次的運(yùn)行分為10 個(gè)時(shí)間段，通過(guò)控制軟件，可設(shè)置驢頭上（下） 行速度、上（下）行加減速時(shí)間、止點(diǎn)附近低速運(yùn)行時(shí)間、上（下） 行時(shí)間等參數(shù)。以實(shí)時(shí)計(jì)算懸點(diǎn)位置，綜合外部輸入的光桿每個(gè)沖次的基準(zhǔn)信號(hào)，自動(dòng)計(jì)算出驢頭運(yùn)行的上下止點(diǎn)，作為變速運(yùn)行的依據(jù)，從而自動(dòng)控制驢頭上下止點(diǎn)附近平穩(wěn)的加、減速及低速運(yùn)行，進(jìn)而減少?zèng)_程損失，提高泵效，減小抽油桿沖擊載荷。抽油機(jī)姿態(tài)控制增效系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 抽油機(jī)姿態(tài)控制增效系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of attitude control and efficiency system of pumping unit

通過(guò)系統(tǒng)軟件自動(dòng)計(jì)算出驢頭運(yùn)行的上下止點(diǎn)，作為變速運(yùn)行的依據(jù)。根據(jù)油井生產(chǎn)需要，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中全程變速運(yùn)行。在上下止點(diǎn)段內(nèi)，抽油機(jī)懸點(diǎn)在上下止點(diǎn)附近時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)低速(V1，V3)運(yùn)行，減小懸點(diǎn)的超前量，盡力使柱塞與驢頭同步運(yùn)行，從而減少?zèng)_程損失，增加有效沖程及減少抽油桿的沖擊載荷或拉伸載荷，提高泵效，減少桿管的偏磨、斷脫現(xiàn)象。在上下行過(guò)程中電動(dòng)機(jī)緩慢加速（ΔV1，ΔV3）或減速(ΔV2，ΔV4)，平穩(wěn)時(shí)高速(V2，V4)運(yùn)行，達(dá)到驢頭和抽油泵活塞同步的目的。

3.2 主要功能

抽油機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)姿態(tài)控制器、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器及傳動(dòng)比定位校正傳感器三部分，通過(guò)軟件控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自動(dòng)接收、處理以及運(yùn)行姿態(tài)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。抽油機(jī)節(jié)能增效系統(tǒng)集成見(jiàn)圖2。

圖2 抽油機(jī)節(jié)能增效系統(tǒng)集成Fig.2 Energy conservation and efficiency enhancement system of pumping unit

姿態(tài)實(shí)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)異步/同步電動(dòng)機(jī)的速度、位置、電流、扭矩、電壓等電參數(shù)獨(dú)立的閉環(huán)控制，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)抽油機(jī)懸點(diǎn)在上下止點(diǎn)附近低速運(yùn)行，其他行程中高速運(yùn)行，減少?zèng)_程損失及抽油桿的沖擊載荷；根據(jù)油井供液能力及示功圖的變化，優(yōu)化工作沖次，使泵保持合理的沉沒(méi)度，避免空抽現(xiàn)象；通過(guò)控制軟件，按預(yù)設(shè)程序自動(dòng)調(diào)節(jié)“峰-平-谷”不同時(shí)段的抽油沖次，在供采匹配、節(jié)能降耗的同時(shí)，提高經(jīng)濟(jì)效益；改變傳統(tǒng)的依靠調(diào)節(jié)皮帶輪調(diào)沖次的方法，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；安裝簡(jiǎn)單，無(wú)需更換原異步電動(dòng)機(jī)，不需改造機(jī)械結(jié)構(gòu)。

同時(shí)該系統(tǒng)還具有電子剎車(chē)、通訊和平穩(wěn)低速啟動(dòng)等輔助功能。通過(guò)電子剎車(chē)功能，可讓驢頭極方便地停在任意位置，便于示功圖測(cè)試、抽油機(jī)檢查等工作；其通訊功能兼容現(xiàn)有的數(shù)字化油田通訊，能夠快速傳遞信息，及時(shí)了解抽油井工況；低速啟動(dòng)，大力矩運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，皮帶所受力矩更均勻，有效減少皮帶的抖動(dòng)、打滑現(xiàn)象，提高皮帶傳動(dòng)效率。

4 姿態(tài)控制器應(yīng)用效果

目前該控制器應(yīng)用3 口井，3 口井姿態(tài)控制器應(yīng)用前后主要參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。應(yīng)用后懸點(diǎn)最大載荷降低3%~10%，載荷差降低10%~25%，電動(dòng)機(jī)輸入功率降低20%~30%，節(jié)電20%以上。姿態(tài)控制器可以明顯降低上下沖程電流、懸點(diǎn)最大載荷與載荷差，從而降低電動(dòng)機(jī)輸入功率4.1~6.8 kW，節(jié)電22%~36%，顯著提升抽油機(jī)效能。

表2 3 口井姿態(tài)控制器應(yīng)用前后主要參數(shù)對(duì)比Tab.2 Main parameters comparison of three wells before and after the application of the attitude controller

以S**-1 為例， 該井為三疊系井， 產(chǎn)層4 391~4 394 m，原油密度0.828 4 g/cm3，地面原油黏度6 mPa·s。2022 年7 月13 日18:30 停機(jī)更換姿態(tài)控制節(jié)能柜，23:00 啟抽計(jì)量。試驗(yàn)采用44 mm管式抽油泵，泵掛2 000.02 m，沖程3.3 m，沖次3.2 min-1，動(dòng)液面1 998.4 m，氣油比25。該井存在沉沒(méi)度很小、供液不足的情況，更換姿態(tài)控制節(jié)能柜前后的示功圖對(duì)比見(jiàn)圖3。使用前供液不足、氣體影響明顯，使用后供液不足及氣體影響基本消除。

5 結(jié)論

1）影響塔河油田抽油機(jī)井地面效率的主要因素是抽油機(jī)型號(hào)偏大及電動(dòng)機(jī)負(fù)載率偏低，換小功率電動(dòng)機(jī)、將電源從三角形接法改為星形接法、更換較小型號(hào)的抽油機(jī)均可有效提高抽油機(jī)效率。

2）抽油機(jī)姿態(tài)控制器可自動(dòng)控制驢頭上下止點(diǎn)附近平穩(wěn)的加、減速及低速運(yùn)行，減少?zèng)_程損失，提高泵效，減小抽油桿沖擊載荷。應(yīng)用表明，姿態(tài)控制器可顯著降低上下沖程電流，降低懸點(diǎn)最大載荷，減小上下沖程載荷差，從而減小電動(dòng)機(jī)輸入功率，提升抽油機(jī)地面效率與系統(tǒng)效率。

3）塔河油田抽油機(jī)井效能目標(biāo)值為70%，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率低于25%井地面效率提升潛力4%～5%，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率低于20%井地面效率提升潛力6%～7%，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率低于10%井地面效率提升潛力10%以上。