孫東 唐述凱 牟蕾

（1.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術(shù)檢測中心；2.勝利油田東勝精攻石油開發(fā)集團股份有限公司；3.中國石化集團勝利石油管理局高級人才培訓(xùn)中心黨校）

抽油機系統(tǒng)是油田企業(yè)從事日常生產(chǎn)的主要裝備，同時也是油田的用電大戶，因此，一直以來，抽油機系統(tǒng)都是油田進行節(jié)能改造的重點。在實施節(jié)能改造之前，要結(jié)合抽油機節(jié)能技術(shù)及特點，對現(xiàn)有的抽油機地面系統(tǒng)進行節(jié)能潛力評價，對于節(jié)能潛力不大的抽油機系統(tǒng)要避免盲目投資，對于節(jié)能潛力較大的抽油機系統(tǒng)要做到有的放矢，確保以最少的投入獲得最大的節(jié)能效益。

考慮到油井的配產(chǎn)額度、原油物性、地質(zhì)情況及含水率等因素，采油廠對每口油井的生產(chǎn)工藝參數(shù)均有較嚴格的要求。因此，大部分的抽油機地面系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)在實施時均盡量不改變或者少改變油井的運行工況。SY/T 6422—2008《石油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》中規(guī)定，“對于未改變運行工況下的測試，在測試工程中，油井產(chǎn)液量和動液面變化不應(yīng)超過±5%；抽油機平衡度在規(guī)定范圍內(nèi)變化不應(yīng)超過±10%，沖次的變化不應(yīng)超過±0.3%，沖程應(yīng)保持不變”。目前，大部分針對抽油機的節(jié)能技術(shù)（直接更換新型抽油機除外），都是對抽油機地面系統(tǒng)的某一個節(jié)點進行改造，包括節(jié)能型電機、節(jié)能型控制柜、輔助平衡技術(shù)、高效傳動技術(shù)等，僅能夠在一定程度上減少抽油機地面系統(tǒng)中某一個或某幾個節(jié)點的損耗，而無法改變抽油機井地下系統(tǒng)的效率［1］。

抽油機地面系統(tǒng)的能量損耗主要由傳動系統(tǒng)損耗和拖動系統(tǒng)損耗兩部分組成，其中，傳動系統(tǒng)損耗包括四連桿、減速箱、皮帶等傳動副的損耗；拖動系統(tǒng)損耗包括電機、控制柜的損耗。各個節(jié)點都有其損耗的最小值，進而可以得到整個抽油機地面系統(tǒng)的能量損耗最小值，與地面系統(tǒng)的實際損耗值對比后，就能夠得到抽油機地面系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

1 抽油機地面系統(tǒng)節(jié)能潛力的概念

對抽油機地面系統(tǒng)進行節(jié)能改造，往往能為抽油機井提液系統(tǒng)帶來較快的節(jié)能效果。然而，對于節(jié)能技改目標(biāo)，如何評價抽油機井的節(jié)能潛力，以及節(jié)能技術(shù)的選擇方法一直沒有標(biāo)準(zhǔn)可依。按照SY/T 5264—2006《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》，系統(tǒng)效率是評價抽油機井系統(tǒng)的重要參數(shù)。系統(tǒng)效率的高低在一定程度上反映了抽油機井節(jié)能潛力的高低，但是，無法給出量化的節(jié)能潛力評價［2］。本文提出“系統(tǒng)降損率”的概念，可具體量化一口抽油機井的系統(tǒng)節(jié)能效率潛力。系統(tǒng)降損率計算公式為：

式（1）中：R——系統(tǒng)降損率，%；Plosstest——當(dāng)前正常運行狀態(tài)下的實測系統(tǒng)損耗功率，kW；——在確?，F(xiàn)有生產(chǎn)狀態(tài)和抽油機機型不變的情況下，通過優(yōu)化計算得到的系統(tǒng)最小損耗功率，kW。R值的范圍為0～100%，R越小，該井的地面系統(tǒng)節(jié)能潛力越小；R越大，該井的地面系統(tǒng)節(jié)能潛力越大；當(dāng)R為0時，其節(jié)能潛力為零。

系統(tǒng)降損率是抽油機井地面系統(tǒng)自身狀況的比較，是對節(jié)能技改效果的預(yù)測。本文重點討論的計算方法。

2 抽油機地面系統(tǒng)節(jié)點損耗分析

受抽油機平衡系統(tǒng)的平衡作用制約，抽油機地面系統(tǒng)的能量傳遞過程可分為四連桿系統(tǒng)和拖動傳動系統(tǒng)兩部分。四連桿的傳動過程是一個能量往復(fù)吞吐的過程，其損耗大小與懸點載荷的幅值密切相關(guān)，同時，四連桿系統(tǒng)的損耗基本不受抽油機平衡情況的影響。傳動系統(tǒng)在平衡度不佳的情況下也存在一個面向電網(wǎng)的能量吞吐過程，并且，其損耗的大小與其綜合負載率密切相關(guān)。

2.1 四連桿機構(gòu)的損耗

2.1.1 上沖程階段

在上沖程階段，驢頭向上運動，抽油機通過光桿向井下系統(tǒng)傳遞能量。光桿的上行功率為，方向垂直向上，由抽油機曲柄軸經(jīng)四連桿換向后傳遞至光桿的功率定義為。光桿上行功率及上沖程中四連桿損耗功率計算式為：

將式（2）代入式（3）得到：

式（2）、式（3）、式（4）中：——光桿的上行功率，kW；PT1——提供光桿功率的抽油機曲柄軸功率，kW；ηF——四連桿傳動效率，%，最高值為95%［3］；——上沖程四連桿損耗功率，kW。

2.1.2 下沖程階段

在下沖程階段，驢頭向下運動，在重力作用下，井下系統(tǒng)通過抽油機光桿向地面部分傳遞能量。光桿的下行功率為，經(jīng)四連桿換向后傳遞至抽油機曲柄軸，則傳遞至抽油機曲柄軸的功率及下沖程中四連桿損耗功率計算式為：

將式（5）代入式（6）得到：

式（5）、式（6）、式（7）中：——由光桿傳遞至抽油機曲柄軸的功率，kW；——光桿的下行功率，kW；——下沖程四連桿損耗功率，kW。

2.2 拖動傳動系統(tǒng)的損耗

曲柄軸凈扭矩由光桿載荷扭矩與平衡扭矩疊加而成，曲柄扭矩曲線見圖 1。根據(jù)曲柄軸凈扭矩的變化，拖動傳動系統(tǒng)包括由電機輸入側(cè)至減速箱輸出軸的抽油機拖動系統(tǒng)與減速傳動系統(tǒng)，其能量傳遞模式可分為2種工況。

圖1 曲柄扭矩曲線

2.2.1 工況一

當(dāng)曲柄軸凈扭矩為正值時，曲柄軸軸功率也為正值，即P1T＞ 0，電動機的輸入有功功率為正值，即P1M＞ 0，電動機處于負載運行狀態(tài)，電網(wǎng)向電動機輸送功率。電網(wǎng)輸送給電動機的功率P1M包括曲柄軸軸功率P1T及電機輸入側(cè)至減速箱輸出軸的各種損耗功率，即：

式（8）中： P1M——電動機的輸入有功功率，kW；

P1T——工況一狀態(tài)下的曲柄軸軸功率，kW；

工況一條件下，拖動傳動系統(tǒng)的損耗可分為拖動傳動系統(tǒng)固有損耗和隨負載率增加而增加的動態(tài)損耗，即：

固有損耗功率包括電機的空載損耗功率、皮帶的空載傳動損耗功率及減速箱的空載傳動損耗功率。目前，抽油機上最普遍使用的三相異步電機的空載損耗值一般為其額定功率的 4%～5%［4］，抽油機拖動電機的額定功率一般不低于 22kW，因此，電機的空載損耗功率不低于0.88kW。皮帶的空載傳動損耗功率與減速箱的空載傳動損耗功率主要考慮其摩擦與形變造成的損耗。根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)并結(jié)合相關(guān)文獻［5］的綜合分析，固有損耗功率保守估計為1kW。動態(tài)損耗功率定義為與曲柄軸軸功率呈比例關(guān)系的量，其計算式為：

式（10）中：β——損耗比，其極小值取 0.1［5，6］。

因此，在工況一狀態(tài)下，拖動傳動系統(tǒng)損耗值的計算式為：

2.2.2 工況二

當(dāng)曲柄軸凈扭矩為負值時，曲柄軸軸功率也為負值，即 P2T＜ 0，能量由曲柄軸傳遞到減速箱，此時，若電動機的輸入有功功率為正值，即 P2M＞ 0，則電動機處于負載運行狀態(tài)，電網(wǎng)向電動機輸送功率。在這種情況下，電網(wǎng)輸送給電動機的功率 P2M與減速箱輸出軸的輸出功率 P2T共同提供了工況二條件下電機輸入側(cè)至減速箱輸出軸的各種損耗，包括電機的空載損耗功率、皮帶的空載傳動損耗功率及減速箱的空載傳動損耗功率，其值取1kW。計算式為：

當(dāng)曲柄軸凈扭矩為負值時，若電動機的輸入有功功率也為負值，即 P2M＜ 0，則電動機處于發(fā)電運行狀態(tài)，電機向電網(wǎng)輸送功率。在這種情況下，減速箱輸出軸的功率包括電機向電網(wǎng)輸送的功率與電機輸入側(cè)至減速箱輸出軸的各種損耗功率，即。與工況一類似，此時的能量損耗包括靜態(tài)損耗與動態(tài)損耗。靜態(tài)損耗為各個傳動副空載損耗之和，其值取1kW；動態(tài)損耗定義為與電機發(fā)電功率呈比例關(guān)系的量，其計算式為：

3 最小損耗功率計算方法

當(dāng)已知抽油機懸點的位移—載荷時間序列，以及抽油機的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)后，即可進行抽油機地面系統(tǒng)損耗的極限值計算，計算步驟為：

第一步，設(shè)等時間間隔采集到的抽油機懸點的位移—載荷時間序列為（F,S），采樣過程從光桿下死點開始，總點數(shù)為N，采樣時間間隔為t，光桿的上沖程平均功率與下沖程平均功率計算式為：

式（15）、式（16）中：N——總點數(shù)；t——采樣時間間隔，s；nup——上沖程的采樣點數(shù)；F——懸點載荷，kN；Tup——上沖程時間，s；vup——上沖程速度，m/s；S——懸點位移，m；Tdown——下沖程時間，s；vdown——下沖程速度，m/s。

第二步，根據(jù)式（4）與式（7）可得到四連桿機構(gòu)的上沖程損耗功率與下沖程損耗功率，則在一個完整沖程周期內(nèi)，四連桿機構(gòu)的平均損耗功率為：

第三步，利用獲取的抽油機懸點位移—載荷時間序列，結(jié)合抽油機結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括四連桿的扭矩因數(shù)、抽油機結(jié)構(gòu)不平衡重、曲柄及平衡塊的最大平衡轉(zhuǎn)矩等），設(shè)定曲柄平衡游梁式抽油機的曲柄勻速轉(zhuǎn)動，同時，不考慮抽油機慣性能量，得到上下沖程的曲柄軸瞬時軸功率［7］：

式（18）、式（19）中：PiT——上下沖程的曲柄軸瞬時軸功率，kW；——四連桿的扭矩因數(shù)；Bw——抽油機結(jié)構(gòu)不平衡質(zhì)量，kg；Mc——曲柄平衡系統(tǒng)的最大平衡轉(zhuǎn)矩，kN·m；τ——曲柄平衡質(zhì)量偏置角，°；ω——曲柄旋轉(zhuǎn)角速度，°/s；θi——曲柄轉(zhuǎn)角，°。

為了計算抽油機地面系統(tǒng)的損耗最小值，設(shè)定其平衡度為1，即，上下沖程的軸功率最大值相等。式（18）、式（19）中，只有Mc為可調(diào)整量，其他參數(shù)在現(xiàn)有設(shè)備條件下均無法再調(diào)整，因此，在計算時，適當(dāng)調(diào)整Mc，使抽油機平衡度為1，獲得曲柄軸瞬時軸功率曲線。

第四步，在得到曲柄軸瞬時軸功率曲線后，抽油機拖動傳動系統(tǒng)的最小損耗值可分2個階段進行計算。綜合式（11）和式（14）可以得到：

則在一個完整沖程周期內(nèi)，拖動傳動系統(tǒng)的最小平均損耗功率為：

式（20）、式（21）中：——拖動傳動系統(tǒng)的最小損耗功率，kW；——拖動傳動系統(tǒng)的最小平均損耗功率，kW。

第五步，得到抽油機地面系統(tǒng)最小平均損耗功率為：

4 實例分析

采用抽油機示功圖與電參數(shù)同步測試儀器，對勝利油田的5口油井進行了同步測試，獲得了完整沖程周期內(nèi)抽油機示功圖與電參數(shù)同步有效值數(shù)據(jù)。利用本文提出的方法，對抽油機井地面系統(tǒng)節(jié)能潛力進行評價，計算結(jié)果見表1。

表1 抽油機井地面系統(tǒng)節(jié)能潛力評價計算結(jié)果

由表1可知，就地面系統(tǒng)而言，這5口抽油機井均具有一定的節(jié)能潛力。根據(jù)評價結(jié)果，對這些油井采取了相應(yīng)的節(jié)能措施，油井損耗均有所下降，但是，均未低于最小損耗功率。

5 結(jié)語

在分析抽油機地面系統(tǒng)能量傳遞途徑的基礎(chǔ)上，給出了抽油機地面系統(tǒng)最小損耗功率的計算方法，并最終得到抽油機地面系統(tǒng)降損率。該方法能夠客觀、量化地評價抽油機井地面系統(tǒng)的節(jié)能潛力，數(shù)據(jù)獲取相對容易，具有較好的可操作性，可為油田機械采油系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)改造與優(yōu)化設(shè)計提供最直接的參考依據(jù)。

[1] 范鳳英.提高抽油機井系統(tǒng)效率技術(shù)[M].東營: 石油大學(xué)出版社,2002.

[2] 鄭海金,鄧吉彬.抽油機井系統(tǒng)效率潛力評價與分布規(guī)律研究[J].節(jié)能技術(shù),2008,26(2): 116-119.

[3] 崔愛玉,史浩,杜永軍.游梁式抽油機四桿機構(gòu)平均運行效率的計算機仿真分析[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報,2001,25(4): 73-75.

[4] 潘成林.實用中小型電機手冊[M].上海: 上海科學(xué)技術(shù)出版社,2007: 75-77.

[5] 張和生.游梁式抽油機分節(jié)點效率分析與平衡狀態(tài)測試儀的研制[D].東營: 中國石油大學(xué),2009.

[6] 鄭海金.有桿泵抽油系統(tǒng)地面損失功率計算方法的探索[J].小型油氣藏,2007,12(4): 61-63.

[7] 董世民,李海琴,閆新明,等.抽油機井系統(tǒng)效率極限值的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2008,20(13):2533-2537.