劉鴻波，張玉冰，張能學，姜宏（中國石油青海油田分公司，甘肅 敦煌 736202）

1 理論基礎

抽油機沖次自動調節(jié)技術完全實現(xiàn)抽油機的閉環(huán)控制，其核心控制在電量采集模塊中進行，電量采集模塊根據(jù)現(xiàn)場井口RTU所采集的示功圖、電機運行參數(shù)等為依據(jù)，通過核心算法根據(jù)當前沖次、泵充滿系數(shù)以及電機上沖程最大輸出功率等參數(shù)計算當前工況下抽油機應該運行的合理優(yōu)化沖次，再將其轉換為對應的變頻輸出頻率來驅動現(xiàn)場電機以不同的轉速來運轉，從而實現(xiàn)抽油機運行沖次的改變。

抽油機沖次自動調節(jié)技術需滿足以下條件：一是單井采集裝置必須配備有電量采集模塊；二是抽油機現(xiàn)場所使用變頻柜必須具有RS485標準通訊接口，用于采集、設定頻率；三是抽油機必須在變頻狀態(tài)下工作；四是油井遠程自動化采集裝置數(shù)據(jù)采集、傳輸正常。

抽油機沖次自動調節(jié)技術需對油井遠程自動化采集裝置以及電量采集模塊中的程序進行升級，程序中主要嵌入了“抽油機沖次自動調節(jié)功能模塊”以及“與變頻器MODBUS RTU通信模塊”等。

電量采集模塊中的參數(shù)配置主要包括：

沖次變化范圍：1.5次/min～8次/min。

頻率變化范圍： 20Hz～50Hz，變化率：0.5Hz

示功圖充滿程度變化范圍：20%～80%，變化率：1%

沖次調節(jié)響應時間：60秒。

COM0 口參數(shù)設置：9600，N，8，1，通信地址01。該參數(shù)設置與變頻柜對應，不同的變頻柜設置也不同。

當所測示功圖充滿程度小于等于20%時，以最低頻率即20Hz運行，此時抽油機的沖次最小，當所測示功圖充滿程度大于等于80%時，以最高頻率即50Hz運行，此時抽油機的沖次最大，在此范圍內隨著示功圖充滿程度的變化，運行頻率隨之變化，沖次也相應變化。上述理論在仿真狀態(tài)下運行時，運行正常，能夠達到理論要求。

抽油機沖次自動調節(jié)系統(tǒng)平臺架構如圖1所示。

2 現(xiàn)場實驗

2012年5月初，抽油機沖次自動調節(jié)技術在青海油田采油三廠花土溝油田進行了7井次現(xiàn)場試驗，包括花H2、花N2-38-2、花S2-1-3斜、花S2-1-2斜、花新S1-9-3、花S3-04-3、花N10-1井，對抽油機沖次自動調節(jié)理論進行了現(xiàn)場驗證，其中部分油井已正常運行了一年左右。

圖1 抽油機沖次自動調節(jié)系統(tǒng)平臺架構圖

下面以花新S1-9-3為例，取2012年5月3日5: 00至7: 00實測數(shù)據(jù)，從沖次變化曲線圖以及實測功圖來分析抽油機沖次自動調節(jié)技術的現(xiàn)場應用情況。抽油機沖次變化圖如圖2所示，實測功圖如圖3所示。

從抽油機沖次變化圖及實測示功圖來看，在2小時的周期內，抽油機的沖次隨著實測示功圖的飽和程度（即充滿系數(shù)）的不同而做相應的自動調節(jié)，與“抽油機沖次自動調節(jié)理論”相吻合，當實測示功圖的充滿系數(shù)在50%左右時，抽油機沖次維持在2.5次/min左右，當實測示功圖的充滿系數(shù)大于75%時，抽油機沖次可以自動調節(jié)至4.49次/min左右。這一結果表明，抽油機的自動調節(jié)理論在現(xiàn)場得到了充分的驗證。

圖2 花新S1-9-3井抽油機沖次變化圖

圖3 花新S1-9-3井實測功圖

3 效益評價分析

抽油機沖次自動調節(jié)技術在青海油田采油三廠花土溝油田現(xiàn)場試驗了7井次，現(xiàn)場調試時間為2012年5月初，為進一步對抽油機沖次自動調節(jié)技術的應用做詳細分析，我們從數(shù)字化油田信息數(shù)據(jù)庫提取了2012年1月1日至2012年8月31日的數(shù)據(jù)做對比分析，其中2012年1月1日至2012年4月20日為措施前統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2012年5月11日至2012年8月31日為措施后統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2012年4月21日至2012年5月10日為現(xiàn)場調試階段，所有數(shù)據(jù)不做統(tǒng)計。除花N10-1井因抽油機原因未能正常運行，花S3-04-3效果不明顯外，其它五口井均取得了一定的效果，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

從表1中可以看出，抽油機沖次自動調節(jié)技術應用前后，五口井的平均沖次由5.44次/min下降至3.54次/min，平均下降34.51%，平均耗電量由97.52kW.H下降至69.68kW.H，平均下降31.39%，無功功率及有功功率節(jié)電率分別達到了61.53%和30.80%，而與之對應的功率因數(shù)則從0.3上升至了0.75，平均上升150.83%，隨著沖次的下降，在產(chǎn)液量變化不大的情況下，平均泵效由18.86%上升至29.15%，平均上升49.38%。

效益評價分析：

（1）單井耗電量

在實驗的五口油井中，平均耗電量下降31.39%，每天節(jié)約耗電大約30kW.H左右，則單井每年節(jié)約電費約：

30kW.H×0.97元/kW.H×30天×12月＝10476元

（2）油井抽油桿使用壽命

根據(jù)《抽油桿疲勞壽命計算研究》[1]，正常情況下，抽油桿的疲勞壽命為500萬次左右，在使用抽油機沖次自動調節(jié)技術前后，抽油桿的使用時間分別為：

表1 抽油機沖次自動調節(jié)技術措施前后數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

5000000 次÷5.44次/min÷60min÷24h≈638天（措施前）

5000000 次÷3.54次/min÷60min÷24h≈980天（措施后）

由此可以看出，在使用抽油機沖次自動調節(jié)技術后，正常情況下，抽油桿的使用壽命延長了350天左右。

目前，花土溝油田常用抽油桿價格為25元/米，平均井深900米左右，按此計算，單井每年節(jié)約抽油桿費用為：

25元/米×900米÷638天×365天－25元/米×900米÷980天×365天≈4492元

（3）油井檢泵周期

由于沖次的降低，泵的充滿程度增加，這在一定程度上大大減少了抽油桿的液面撞擊應力及振動次數(shù)。

另外，由于最大載荷與最小載荷之間差值減小，同樣以花新S1-9-3為例，在使用抽油機沖次自動調節(jié)技術前后（見圖4：花新S1-9-3井措施前后實測功圖對比），其最大最小載荷之間的差值由18kN/沖程降至12kN/沖程，這也減少了摩擦力和振動載荷，降低了桿管磨損，明顯延長了檢泵周期以及泵的使用壽命。

目前，花土溝油田平均檢泵周期為500天左右，根據(jù)平均沖次下降的幅度，按照檢泵周期延長30%計算，則檢泵周期為650天左右，單次檢泵費用為5.5萬元左右，則單井每年節(jié)約檢泵費用為：

55000 元/次÷500×365-55000元/次÷650×365≈8715元

綜上所述，使用抽油機沖次自動調節(jié)技術后，每口油井每年可節(jié)約費用2.3萬元左右，具有良好的經(jīng)濟效益。

圖4 花新S1-9-3井措施前后實測功圖對比

4 結語

抽油機沖次自動調節(jié)技術現(xiàn)場應用的硬件支撐包括北京安控科技股份公司生產(chǎn)的型號為ECHO-5318的油井遠程自動化采集裝置，以及哈爾濱世名達科技有限公司生產(chǎn)的型號為SMD-Z-22的抽油機變頻智能控制裝置。通過該技術應用前后對比分析，首先實現(xiàn)了“抽油機沖次自動調節(jié)技術理論”在現(xiàn)場的成功運用，改變了現(xiàn)場原有的被動變頻實現(xiàn)方式，原來需要人工根據(jù)油井在一段時間內的運行數(shù)據(jù)來分析其合理運行沖次，然后由人工到現(xiàn)場手動設定變頻運行頻率值?，F(xiàn)在系統(tǒng)將根據(jù)示功圖診斷法實時判斷出抽油機應該運行的合理沖次，然后在線式實時驅動變頻器改變其輸出頻率，實現(xiàn)變頻器的主動調頻功能，從而改變抽油機的運行沖次。

其次，通過檢測電機的實時運行數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)實現(xiàn)了電機的節(jié)能降耗，降低了日耗電量，功率因數(shù)大幅度提高，同時有效提高了泵效，真正起到了節(jié)能、降耗及增效作用。

最后，該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)系統(tǒng)來電自啟動、間抽智能控制、遠程啟停抽油機及啟動前語音報警提示等輔助功能，為現(xiàn)場油井的智能化控制提供強有力的技術支撐。

[1]林元華, 張德平等. 抽油桿疲勞壽命計算研究[J]. 石油鉆采工藝. 2005, 27, (6).