黃書生（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

隨著外圍油田開發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，油井的產(chǎn)量不斷下降，含水上升，將出現(xiàn)大量的低產(chǎn)低效井，這部分油井，在抽油機(jī)參數(shù)最小時(shí)，還是存在供液不足的情況，就是利用變頻調(diào)速裝置進(jìn)行減速，也無(wú)法滿足供排關(guān)系[1]，為了實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行，節(jié)約成本，這部分油井現(xiàn)在主要通過(guò)間抽方式進(jìn)行采油，2015年共實(shí)施間抽3017井次。然而，間抽方式采油存在長(zhǎng)時(shí)間停井啟動(dòng)困難易卡井、液面波動(dòng)大、冬季井口易凍、人工啟機(jī)管理難度大等問(wèn)題。通過(guò)間抽井自動(dòng)啟停技術(shù)[2]可使這些問(wèn)題得到有效控制。然而，目前大部分油田因抽油機(jī)井在村屯附近，為了保證附近民眾和牲畜的安全，間抽井不能使用自動(dòng)啟停技術(shù)，還是需要人工啟停。經(jīng)過(guò)多年研究摸索，總結(jié)出間抽井曲柄小范圍擺動(dòng)與整周期正常運(yùn)行模式切換的運(yùn)行方式，可使抽油機(jī)井在不停井的情況下，能夠連續(xù)、安全、穩(wěn)定、合理、高效的運(yùn)行，并達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 不停井間抽裝置原理

不停井間抽節(jié)能技術(shù)是在多功能調(diào)速裝置的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)硬件設(shè)備：輔助控制裝置和位置傳感器，輔助控制裝置將控制指令傳送給變頻器的主控芯片，變頻器按照控制指令進(jìn)行整周期正常運(yùn)行，同時(shí)將運(yùn)行狀態(tài)反饋給輔助控制裝置。當(dāng)整周期運(yùn)行時(shí)間達(dá)到設(shè)定的時(shí)間時(shí)，輔助控制裝置向變頻器發(fā)送一個(gè)擺動(dòng)運(yùn)行指令，變頻器接收到指令后，抽油機(jī)曲柄運(yùn)行到位置傳感器附近時(shí)，運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換為擺動(dòng)運(yùn)行，并將當(dāng)前擺動(dòng)頻率和擺動(dòng)角度等信息回饋給輔助控制裝置，當(dāng)正向擺動(dòng)角度到達(dá)所設(shè)定的角度時(shí)，輔助控制器發(fā)出反轉(zhuǎn)指令，變頻器通過(guò)主控芯片處理控制逆變模塊的工作狀態(tài)，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)反轉(zhuǎn)到達(dá)所設(shè)定的角度時(shí)，輔助控制器發(fā)出正轉(zhuǎn)指令，變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，直到擺動(dòng)時(shí)間到達(dá)設(shè)定時(shí)間后重新切換到整周期正常運(yùn)行。

2 曲柄擺動(dòng)角度確定

抽油機(jī)井曲柄擺動(dòng)運(yùn)行后要滿足兩方面要求：一是曲柄擺動(dòng)后，抽油泵活塞不移動(dòng)；二是電動(dòng)機(jī)能耗最低。

2.1 抽油機(jī)井桿柱彈性形變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

合理優(yōu)化曲柄擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)的光桿位移量是有效控制擺動(dòng)運(yùn)行能耗的關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)抽油機(jī)井理論示功圖分析可以看出，在抽油機(jī)井驢頭下死點(diǎn)和上死點(diǎn)剛剛受力時(shí)，桿、管發(fā)生彈性形變，這時(shí)活塞并沒(méi)有跟著光桿發(fā)生位移，這段變形量稱為沖程損失（桿損）。抽油機(jī)井曲柄擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)，假如光桿運(yùn)行的位移量在桿損的范圍內(nèi)，此時(shí)既保證了抽油機(jī)井桿柱有效位移量，解決了抽油機(jī)井冬季長(zhǎng)時(shí)間停井易卡井的問(wèn)題，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)抽油泵活塞不移動(dòng)，電動(dòng)機(jī)消耗功率最小，所以抽油機(jī)井曲柄擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)的位移量應(yīng)小于或等于桿損。抽油桿彈性形變所引起的桿損[3]可由下式表示：

式中：λ1——桿損，m；

ρm——井液密度，kg/m3;

g——重力加速度，m/s2;

AP——泵柱塞橫截面積，m2;

Lf——折算動(dòng)液面深度，m;

Er——抽油桿彈性模量，N/m2;

Lri——各級(jí)抽油桿的長(zhǎng)度，m;

nr——抽油桿級(jí)數(shù)。

以B井為例，該區(qū)塊油密度為849.7 kg/m3，該井抽油泵泵徑為38 cm，動(dòng)液面為999.4 m，碳鋼彈性模量為2.0×105～2.1×105MPa，?28光桿長(zhǎng)9.2 m，?22抽油桿總長(zhǎng)231.3m，?19抽油桿總長(zhǎng)906.7 m。

將抽油機(jī)井各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入式（1）可以得出桿損為0.172 m。因此抽油桿彈性形變所引起的桿損為0.172 m，抽油機(jī)井?dāng)[動(dòng)運(yùn)行時(shí)，將光桿直線位移距離設(shè)計(jì)為小于或等于0.172 m，這時(shí)抽油泵活塞并未移動(dòng)，光桿及桿柱實(shí)現(xiàn)了有效的位移量，電動(dòng)機(jī)所做的功也較小，同時(shí)節(jié)能效果也較好。

2.2 抽油機(jī)井曲柄擺動(dòng)角度優(yōu)化設(shè)計(jì)

在忽略抽油機(jī)井運(yùn)行中皮帶拉伸量的前提下，曲柄擺動(dòng)角度的大小就反映為抽油機(jī)井光桿的最大位移量，因此知道抽油機(jī)井實(shí)際沖程最大量和擺動(dòng)運(yùn)行光桿最大位移量，就可計(jì)算出抽油機(jī)井曲柄允許最大擺動(dòng)角度，同時(shí)也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)井實(shí)際擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)要求的桿柱位移量計(jì)算出抽油機(jī)井曲柄所需設(shè)計(jì)的擺動(dòng)角度。

其中擺動(dòng)運(yùn)行光桿最大位移量即為桿柱損失量，所以抽油機(jī)井曲柄允許最大擺動(dòng)角度[3]可由下式表示：

式中：φmax——允許最大擺動(dòng)角度，°；

Smax——實(shí)際運(yùn)行中最大沖程，m。以B井為例，該井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中最大沖程2.1 m，桿損為0.172 m，代入式（2）可以得出φmax為±15°。

因此抽油機(jī)井允許最大擺動(dòng)角度為±15°，所以抽油機(jī)井?dāng)[動(dòng)角度在±15°以內(nèi)時(shí)，這時(shí)抽油泵活塞并未移動(dòng)，擺動(dòng)運(yùn)行節(jié)能效果較好，在實(shí)際運(yùn)行中可以根據(jù)該井實(shí)際情況，通過(guò)設(shè)計(jì)光桿位移量，合理制定擺動(dòng)角度，該井?dāng)[動(dòng)角度不超過(guò)±15°即可，后期電動(dòng)機(jī)采用隨動(dòng)控制方式控制擺動(dòng)運(yùn)行，擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)未對(duì)泵筒做功，因此在允許最大擺動(dòng)角度內(nèi)，擺動(dòng)角度大小基本不影響節(jié)能效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 抽油機(jī)井曲柄擺動(dòng)運(yùn)行方式優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)輔助控制器可以實(shí)現(xiàn)抽油井曲柄多種方式擺動(dòng)運(yùn)行，在以抽油機(jī)井穩(wěn)定性和節(jié)電率為基礎(chǔ)前提條件時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)主要試驗(yàn)了三種運(yùn)行方式：第一種是反向曲柄自重?cái)[動(dòng)運(yùn)行[4]；第二種是變頻器直流制動(dòng)擺動(dòng)運(yùn)行[5]；第三種是電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)控制擺動(dòng)運(yùn)行。

3.1.1 反向曲柄自重?cái)[動(dòng)運(yùn)行

反向曲柄自重?cái)[動(dòng)運(yùn)行是在擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)，由輔助控制裝置只給變頻器發(fā)送正轉(zhuǎn)和停止命令，當(dāng)平衡塊正轉(zhuǎn)到達(dá)指定位置后，控制器發(fā)送給變頻器停止命令，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，這時(shí)完全依靠平衡塊與抽油桿自身重量關(guān)系使平衡塊反方向運(yùn)行，當(dāng)反向運(yùn)行一段時(shí)間后，輔助控制裝置再發(fā)送一個(gè)正向轉(zhuǎn)動(dòng)命令給變頻器，變頻器控制電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)行，抽油機(jī)曲柄按照這個(gè)模式往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)行，直到擺動(dòng)運(yùn)行結(jié)束后，由控制裝置發(fā)送整周期正常運(yùn)行指令給變頻器，抽油機(jī)井恢復(fù)正常運(yùn)行。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種方式曲柄擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)只需要正方向運(yùn)行時(shí)做功，節(jié)電效果較好，但抽油機(jī)井平衡率差時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致平衡塊反轉(zhuǎn)無(wú)法到達(dá)指定位置。

3.1.2 變頻器直流制動(dòng)擺動(dòng)運(yùn)行

變頻器直流制動(dòng)擺動(dòng)運(yùn)行是在擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)，由輔助控制裝置給變頻器發(fā)送正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)命令，變頻器實(shí)時(shí)監(jiān)控電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)將要達(dá)到擺動(dòng)最大角度時(shí)，變頻器通過(guò)逆變直流輸出一個(gè)相反的力矩，使曲柄停止運(yùn)動(dòng)，并控制電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)行，當(dāng)反向?qū)⒁竭_(dá)擺動(dòng)最大角度時(shí)，變頻器再輸出一個(gè)相反的力矩，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機(jī)井曲柄反復(fù)擺動(dòng)運(yùn)行。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種方式曲柄擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)，變頻器對(duì)停止位置控制比較精確，運(yùn)行中基本不需要調(diào)整擺動(dòng)位置，運(yùn)行穩(wěn)定性較好，但擺動(dòng)速度過(guò)快時(shí)，每次反向制動(dòng)為了及時(shí)減速，抽油機(jī)井曲柄制動(dòng)過(guò)程都會(huì)有頓挫感，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)加劇抽油機(jī)井減速箱齒輪的磨損，同時(shí)也會(huì)增大有功能耗。

3.1.3 電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)控制擺動(dòng)運(yùn)行

電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)控制擺動(dòng)運(yùn)行是在擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)，由輔助控制裝置給變頻器發(fā)送正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)命令，變頻器給電動(dòng)機(jī)設(shè)定一個(gè)恒定的擺動(dòng)頻率運(yùn)行，并根據(jù)設(shè)定的擺動(dòng)角度和輸出功率大小，以位置傳感器為中心自動(dòng)判定變換方向的時(shí)間和位置，因運(yùn)行頻率一定，擺動(dòng)時(shí)平衡塊角度誤差較小，同時(shí)通過(guò)位置傳感器對(duì)平衡塊位置進(jìn)行周期性校正，完全避免了擺動(dòng)時(shí)角度累計(jì)的誤差，這樣使整個(gè)擺動(dòng)運(yùn)行過(guò)程更加平穩(wěn)，節(jié)能效果也較好。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，反向曲柄自重?cái)[動(dòng)運(yùn)行節(jié)能效果雖然明顯，但對(duì)抽油機(jī)井要求較好，穩(wěn)定性較差；變頻器直流制動(dòng)擺動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定性較好，但在擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)增加了抽油機(jī)井減速箱的磨損，節(jié)能效果一般；電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)控制擺動(dòng)運(yùn)行方式能夠廣泛適用于游梁式抽油機(jī)井，采用隨動(dòng)控制，使擺動(dòng)運(yùn)行方向轉(zhuǎn)換過(guò)程更加順暢，能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠運(yùn)行，節(jié)能效果較好。

3.2 抽油機(jī)井運(yùn)行周期優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)區(qū)塊和油井的不同，抽油機(jī)井運(yùn)行周期會(huì)有不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但主要宗旨是以油井壓力恢復(fù)曲線為基礎(chǔ)，參照該曲線制定相應(yīng)間抽制度，并根據(jù)相應(yīng)的間抽制度來(lái)制定組合運(yùn)行周期，同時(shí)也可根據(jù)原有間抽制度制定相應(yīng)組合運(yùn)行周期。以0.5 h、1 h為界限，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)設(shè)置不同的擺動(dòng)運(yùn)行和整周期運(yùn)行時(shí)間組合，對(duì)每個(gè)組合進(jìn)行生產(chǎn)情況進(jìn)行連續(xù)測(cè)試、跟蹤，以功圖、液面正常的時(shí)間組合為該井的生產(chǎn)方式。

3.3 應(yīng)用效果

3.3.1 單井應(yīng)用效果

1）單井優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)對(duì)比。對(duì)FF隊(duì)5口試驗(yàn)井產(chǎn)液量和動(dòng)液面進(jìn)行單井跟蹤，措施后產(chǎn)液量、動(dòng)液面基本保持穩(wěn)定，泵效有明顯好轉(zhuǎn)（表1），示功圖曲線趨于正常（圖1）。

2）單井機(jī)采能耗前后對(duì)比。以B井為例，工作模式以30 min為一個(gè)周期，整周期運(yùn)行15 min，擺動(dòng)運(yùn)行15 min，擺動(dòng)角度為15°，與原運(yùn)行模式能耗對(duì)比可以看出，主要生產(chǎn)參數(shù)基本未變，泵效提高2.79個(gè)百分點(diǎn)，系統(tǒng)效率提高3.2個(gè)百分點(diǎn)，通過(guò)運(yùn)行時(shí)間可以計(jì)算出單井日節(jié)電31.7 kWh，有功節(jié)電率38.8%（表2）。

表1 5口試驗(yàn)井單井生產(chǎn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表2 B井試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

下圖為B井現(xiàn)場(chǎng)擺動(dòng)運(yùn)行與整周期正常運(yùn)行轉(zhuǎn)換過(guò)程能耗測(cè)試曲線圖（圖2），實(shí)測(cè)擺動(dòng)運(yùn)行有功功率為0.76 kWh，整周期正常運(yùn)行有功功率為3.4 kWh，根據(jù)運(yùn)行周期可以計(jì)算出組合運(yùn)行時(shí)有功功率為2.1 kWh，同時(shí)可以看出整周期運(yùn)行功率遠(yuǎn)大于擺動(dòng)運(yùn)行有功功率。

圖1 B井措施前后示功圖對(duì)比

圖2 B井組合運(yùn)行能耗測(cè)試曲線

3.3.2 整體應(yīng)用效果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)合理優(yōu)化設(shè)計(jì)制定試驗(yàn)井運(yùn)行周期和組合運(yùn)行方式，通過(guò)一年的實(shí)際運(yùn)行，使5口試驗(yàn)井泵效和動(dòng)液面都有較好的改善，平均動(dòng)液面降低15.5 m，平均泵效提高6.6個(gè)百分點(diǎn)，平均有功功率下降1.04 kW，平均系統(tǒng)效率提高2.5個(gè)百分點(diǎn)，平均日節(jié)電24.9 kWh，平均有功節(jié)電率35.5%，5口井年可節(jié)電4.36×104kWh，年可節(jié)約電費(fèi)2.78萬(wàn)元。

4 結(jié)論

1）新型間抽裝置通過(guò)合理設(shè)計(jì)擺動(dòng)運(yùn)行的時(shí)間和角度，使低產(chǎn)低效間抽井能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，解決了間抽井長(zhǎng)時(shí)間停井，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難、井口易凍、易卡井的問(wèn)題。

2）能夠改善低產(chǎn)低效井供排關(guān)系，減少燒泵現(xiàn)象的發(fā)生，使沉沒(méi)度更加趨于穩(wěn)定，有效提高泵效，同時(shí)大大減少抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)頻次，降低現(xiàn)場(chǎng)操作員工工作強(qiáng)度，為間抽井制度全面開展提供有利保證。

[1]胥晉.薩中油田抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置功能試驗(yàn)和應(yīng)用界限研究[J].石油石化節(jié)能，2017（2）：17-18.

[2]李英湛.葡萄花油田低產(chǎn)低效井間抽自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能，2013（3）：13-15.

[3]陳濤平，胡靖邦.石油工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，1999：295-307.

[4]秦曾煌.電工學(xué)（上冊(cè)）[M].第五版.北京：高等教育出版社，1999：285-286.

[5]李方園，黃培.變頻器控制技術(shù)[M].第二版.北京：電子工業(yè)出版社，2015：3-5.