鄭煥軍（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

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變速運(yùn)行優(yōu)化在抽油機(jī)井上的應(yīng)用

鄭煥軍（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

在抽油機(jī)井參數(shù)優(yōu)化中，沖速對(duì)抽油機(jī)井能耗影響較大，低沖速油井能耗低，無(wú)法滿足產(chǎn)能需求。根據(jù)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立抽油機(jī)井優(yōu)化運(yùn)行控制模型，提出一種抽油機(jī)井變速優(yōu)化運(yùn)行理論，可在同等沖速下確定抽油機(jī)井最佳的變速比，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試抽油機(jī)井變速運(yùn)行的能耗變化，確定調(diào)節(jié)抽油機(jī)井變速運(yùn)行參數(shù)的合理范圍，確定其變化規(guī)律，達(dá)到提高系統(tǒng)效率，降低油井能耗的目標(biāo)。

抽油機(jī)變速運(yùn)行動(dòng)液面變速比

抽油機(jī)作為最常用的機(jī)械采油設(shè)備，具有可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、維修方便等優(yōu)勢(shì)，但是由于運(yùn)行過(guò)程中負(fù)載具有沖擊性的周期交變特點(diǎn)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，曲柄的角度時(shí)刻變化，因此也存在著高能耗的缺點(diǎn)。常規(guī)的游梁平衡抽油機(jī)，在平衡率接近1時(shí)，上下沖程耗時(shí)一致；而異形抽油機(jī)則在平衡的條件下上沖程時(shí)間短于下沖程時(shí)間，會(huì)產(chǎn)生節(jié)能的效果。分析表明，通過(guò)調(diào)節(jié)抽油機(jī)井變速比（上下沖程速度比），可以提高原油在泵中的充滿度；適當(dāng)提高上沖程的速度，可以減少在提升過(guò)程中的漏失量，有效地提高單位時(shí)間內(nèi)的原油產(chǎn)量，達(dá)到節(jié)電效果［1］。對(duì)于黏度大的油井，因原油黏度上升，驢頭、光桿等部件會(huì)運(yùn)行不暢，通過(guò)調(diào)節(jié)沖程頻次和選用“上快下慢”的開(kāi)采工藝，能保證抽油機(jī)井的有效運(yùn)行，確保油井長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)［2］。

1　曲柄運(yùn)動(dòng)中變速度計(jì)算

抽油機(jī)井變速運(yùn)行計(jì)算主要對(duì)抽油機(jī)井桿柱瞬時(shí)速度進(jìn)行計(jì)算，從而保證抽油機(jī)井產(chǎn)量的計(jì)算［3-4］準(zhǔn)確。根據(jù)抽油機(jī)生產(chǎn)參數(shù)，其理論產(chǎn)量的計(jì)算主要涉及抽油泵柱塞截面積、沖程、沖速。其中，等效的懸點(diǎn)沖速可按下式計(jì)算：

式中：

n——等效的懸點(diǎn)沖速，min-1；

ωup、 ωdown——上、下沖程時(shí)，電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的

旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；

θup、θdown——上、下沖程時(shí)，曲柄對(duì)應(yīng)所轉(zhuǎn)過(guò)

的角度，rad。

當(dāng)抽油機(jī)勻速運(yùn)行時(shí)的沖速為n，對(duì)應(yīng)的每個(gè)沖程一個(gè)循環(huán)所用的時(shí)間t為

則可推導(dǎo)上、下沖程中曲柄角速度的計(jì)算方法，如式（3）、式（4）：

式中：

x——上沖程所用時(shí)間，s；

y——下沖程所用時(shí)間，s；

z——上沖程曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度，°。

2　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)的擬合情況，分別在3口油井上進(jìn)行了變速運(yùn)行試驗(yàn)，油井生產(chǎn)參數(shù)見(jiàn)表1。

依據(jù)試驗(yàn)井實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)的理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，繪制出百米噸液耗電與變速比的關(guān)系如圖1。試驗(yàn)與理論模擬表明，對(duì)于生產(chǎn)參數(shù)不同的抽油機(jī)井，均存在一個(gè)最佳變速比，在該點(diǎn)抽油機(jī)井變速運(yùn)行的百米噸液耗電低于常規(guī)勻速運(yùn)行能耗。同時(shí)，理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)均相同，說(shuō)明理論模擬較為準(zhǔn)確，理論計(jì)算結(jié)果也表明存在最佳變速比，“上快下慢”的變速設(shè)計(jì)使油井能耗低于常規(guī)勻速運(yùn)行時(shí)的能耗。

表1　變速運(yùn)行試驗(yàn)抽油機(jī)井?dāng)?shù)據(jù)

圖1　不同變速比下試驗(yàn)井百米噸液耗電變化

試驗(yàn)表明，雖然能耗與變速比變化的趨勢(shì)相同，但3口井能耗最低值點(diǎn)不同，為進(jìn)一步確定在不同生產(chǎn)參數(shù)下的變速運(yùn)行最佳點(diǎn)，分別調(diào)整3口井動(dòng)液面深度，動(dòng)液面為800m、500m和300m時(shí)，變速比在1.1～1.2之間變化，計(jì)算百米噸液耗電值，繪制出百米噸液耗電與變速比的函數(shù)關(guān)系（圖2）。

由圖2可知，動(dòng)液面在800m、500m，變速比在1.1～1.2之間時(shí)，抽油機(jī)井百米噸液耗電較低。液面在300m，變速比在1.7～1.8之間時(shí)，百米噸液耗電較低。

計(jì)算表明，抽油機(jī)井變速運(yùn)行時(shí)，盡管抽油機(jī)井能耗的最低值點(diǎn)對(duì)應(yīng)變速比始終大于1.0，但最低值并不固定，而是隨動(dòng)液面由深到淺的變化而發(fā)生變化。

圖2　不同動(dòng)液面下百米噸液耗電與變速比的關(guān)系

3　結(jié)論

1）通過(guò)建立抽油機(jī)井采油系統(tǒng)能耗及效率計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，包括對(duì)曲柄軸運(yùn)行速度、懸點(diǎn)運(yùn)行規(guī)律分析、系統(tǒng)能耗及系統(tǒng)效率等的計(jì)算，建立了抽油機(jī)井變速運(yùn)行計(jì)算方法，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，驗(yàn)證了計(jì)算方法的合理性。

2）計(jì)算表明，抽油機(jī)井變速度運(yùn)行，能耗最低值點(diǎn)并不唯一，而是隨油井動(dòng)液面的變化逐漸變化。但在喇嘛甸油田的油藏物性及條件下，選擇“上快下慢”變速運(yùn)行時(shí)，油井的能耗較低，變速比的范圍在1.1～2.0之間。

［1］劉學(xué)成.抽油機(jī)專用變頻器在抽油機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用［J］.變頻器世界，2005（10）：73-75.

［2］肖朝明.開(kāi)發(fā)稠油長(zhǎng)沖程上快下慢抽油機(jī)可行性分析［J］.石油機(jī)械，1996，24（12）：33-35.

［3］趙洋.抽油機(jī)井優(yōu)化運(yùn)行理論研究［D］.大慶石油學(xué)院：朱君，2009.

［4］姜民政，王慧.變速驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)井運(yùn)行參數(shù)變化規(guī)律研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（10）：4-7.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.09.003

2015-05-21）

鄭煥軍，高級(jí)工程師，2012年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，從事油氣田采油工程技術(shù)工作，E-mail：zhenghuanjun@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)第六采油廠，163114。