周志平，李大建*，何 淼，劉 濤，熊小偉，石海霞

1中石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安

2低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安

3中石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏 銀川

1. 引言

機(jī)采系統(tǒng)是油田能耗大戶，機(jī)采井系統(tǒng)效率指標(biāo)反映了油井技術(shù)管理與生產(chǎn)水平，也是油田節(jié)能降耗、降本增效的主要技術(shù)途徑。以長慶油田為例，截至2016年初，開井?dāng)?shù)已達(dá)4.5萬余口，90%采用游梁式抽油機(jī)生產(chǎn)，機(jī)采系統(tǒng)效率僅為21.6%，年用電量達(dá)到23.81 × 108kW?h；系統(tǒng)效率若提高1個(gè)百分點(diǎn)，年耗電可減少1 × 108kW?h，節(jié)約電費(fèi)6200萬元。

為了有效提高機(jī)采井系統(tǒng)效率，國內(nèi)學(xué)者從不同方面開展了提效技術(shù)研究應(yīng)用，總結(jié)起來主要有 3個(gè)方面：一是對機(jī)采系統(tǒng)輸入功率進(jìn)行分解，建立數(shù)學(xué)計(jì)算公式，確定了能耗最低機(jī)采參數(shù)方法，建立最經(jīng)濟(jì)采油、系統(tǒng)高效運(yùn)行理論模型，指導(dǎo)現(xiàn)場提效措施的開展[1] [2] [3] [4]；二是開展機(jī)采系統(tǒng)效率主要影響因素分析，提出機(jī)采系統(tǒng)效率評價(jià)模型，構(gòu)建系統(tǒng)效率提升潛力評價(jià)方法，針對性開展提效措施[1] [5] [6]；三是開展提效關(guān)鍵技術(shù)研究應(yīng)用[1] [7] [8]。

以上油井提效技術(shù)研究應(yīng)用主要將機(jī)采系統(tǒng)作為一個(gè)整體考慮，針對性不強(qiáng)，忽略了不同機(jī)采設(shè)備差異對機(jī)采效率的影響，例如不同類型抽油機(jī)傳動效率差異明顯，不同電動機(jī)在不同負(fù)載條件下運(yùn)行效率差異很大，采用不同類型電動機(jī)、抽油機(jī)時(shí)，抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動軌跡不同，進(jìn)而影響抽油泵運(yùn)行效率的高低。為此選擇普遍應(yīng)用的三相異步電動機(jī)拖動游梁式抽油機(jī)油井，從機(jī)采系統(tǒng)輸入功率的傳遞變化、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)運(yùn)動規(guī)律特征分析入手，歸納分析該類油井提高機(jī)采系統(tǒng)效率的要點(diǎn)，提出針對性提效技術(shù)對策，從礦場試驗(yàn)情況來看，提效效果明顯，為油田機(jī)采系統(tǒng)效率提升提供了新的思路和借鑒。

2. 游梁式抽油機(jī)井系統(tǒng)效率分析

游梁式抽油機(jī)運(yùn)動過程可以看作四連桿的杠桿運(yùn)動和平衡配重圓周運(yùn)動的疊加(圖1)。

Figure 1. The structure diagram of beam pumping unit system圖1. 游梁式抽油機(jī)井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示

按照機(jī)采系統(tǒng)能量傳遞過程，電網(wǎng)電能傳遞給電動機(jī)，電動機(jī)輸出扭矩給抽油機(jī)，抽油機(jī)驢頭光桿往復(fù)上下運(yùn)動將能量傳遞給抽油桿柱、抽油泵，舉升井筒內(nèi)液體至地面，一定時(shí)間內(nèi)舉升至地面的液體所做有用功與電動機(jī)控制柜總輸入功率比值即為機(jī)采系統(tǒng)效率。整個(gè)機(jī)采系統(tǒng)效率可分解為電動機(jī)運(yùn)行效率、抽油機(jī)運(yùn)行效率及井下效率，電動機(jī)效率為電動機(jī)輸出功率與總輸入功率之比，抽油機(jī)運(yùn)行效率為抽油機(jī)懸點(diǎn)(驢頭)光桿功率與電動機(jī)輸出功率之比，井下效率為井口產(chǎn)液量折算的有效功率與光桿功率之比；當(dāng)抽油機(jī)電動機(jī)、井下管、桿、泵確定以后，井口產(chǎn)液量折算的有效功率大小主要受到抽油泵泵效高低影響，所以在一定生產(chǎn)參數(shù)條件下，要提高機(jī)采系統(tǒng)運(yùn)行效率，一是如何降低電動機(jī)自身能耗，并提高電動機(jī)運(yùn)行效率；二是根據(jù)游梁式抽油機(jī)驢頭光桿運(yùn)動規(guī)律，如何有效降低驢頭光桿及電動機(jī)輸出峰值功率，從而在滿足抽油機(jī)啟動、運(yùn)行前提下，降低電動機(jī)裝機(jī)功率；三是提高抽油泵泵效。

2.1. 電動機(jī)運(yùn)行效率分析

目前油田在用游梁式抽油機(jī)拖動裝置主要為第四代節(jié)能三相異步電動機(jī)，其主要運(yùn)行特征為：一是近恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行，且轉(zhuǎn)速不可調(diào)，此時(shí)驢頭光桿速度呈正弦曲線變化(由游梁式抽油機(jī)四連桿運(yùn)行特性決定)；二是為適應(yīng)抽油機(jī)大幅度交變載荷運(yùn)行特點(diǎn)，電動機(jī)輸出扭矩呈大范圍正零負(fù)周期性變化(圖2)，根據(jù)電動機(jī)輸出功率計(jì)算公式(1)，電動機(jī)輸出功率曲線同樣呈大范圍正零負(fù)周期性變化，電動機(jī)功率存在負(fù)功區(qū)，意味著電動機(jī)在特定時(shí)間段內(nèi)被抽油機(jī)拖動運(yùn)行而產(chǎn)生倒發(fā)電現(xiàn)象，無用能耗增加，同時(shí)產(chǎn)生電網(wǎng)諧波，影響電網(wǎng)電源質(zhì)量。另外依據(jù)長慶油田2357口井現(xiàn)場測試資料發(fā)現(xiàn)，對于低液量(2.37～5.23m3/d)油井，由于電動機(jī)實(shí)際負(fù)載率低(21.8%～30.2%)，導(dǎo)致了電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率低下，主要是由于三相異步電動機(jī)運(yùn)動特性決定的，即常用的三相異步電動機(jī)只有高效點(diǎn)，沒有高效區(qū)(圖3)。

Figure 2. The motor output torque, speed and power curve (τ as the rotor rotation angle)圖2. 電動機(jī)的輸出扭矩、轉(zhuǎn)速、功率曲線(τ轉(zhuǎn)子整周轉(zhuǎn)角)

Figure 3. The operation efficiency curve of three phase asynchronous motor圖3. 三相異步電動機(jī)運(yùn)行效率曲線

式中：P為電動機(jī)輸出功率，W；T為電動機(jī)輸出扭矩，N?m；n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)三相異步電動機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行情況分析，提高電動機(jī)運(yùn)行效率主要有3個(gè)方向：一是有效降低電動機(jī)自身能耗損失；二是改變電動機(jī)近恒轉(zhuǎn)速為變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，當(dāng)電動機(jī)輸出扭矩高時(shí)降低轉(zhuǎn)速，電動機(jī)輸出扭矩低時(shí)提高轉(zhuǎn)速，從而降低輸出功率峰值，進(jìn)而降低電動機(jī)裝機(jī)功率；三是提高電動機(jī)高效運(yùn)行區(qū)間，滿足電動機(jī)在寬負(fù)載范圍區(qū)間內(nèi)高效運(yùn)行(即能夠在不同液量油井上實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行)。

2.2. 抽油機(jī)運(yùn)行效率分析

抽油機(jī)安裝以后，在保障良好設(shè)備管理?xiàng)l件下，其傳動環(huán)節(jié)的能耗損失基本固定，這時(shí)抽油機(jī)運(yùn)行效率的高低主要受到電動機(jī)輸出功率與光桿功率變化的影響。

電動機(jī)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，驢頭光桿運(yùn)動速度呈正弦曲線變化；依據(jù)抽油機(jī)驢頭光桿扭矩曲線特征(圖4)可知，光桿功率曲線同樣呈大范圍正零負(fù)周期性變化，所以說提高抽油機(jī)運(yùn)行效率的關(guān)鍵是改善驢頭光桿運(yùn)行速度曲線，削峰填谷，減弱驢頭光桿功率曲線變化幅度；其前提條件是電動機(jī)變速運(yùn)行控制，這與提高電動機(jī)運(yùn)行效率的方向是一致的。

Figure 4. The pumping unit polishing rod and counterweight torque curve in the horsehead in pumping unit圖4. 抽油機(jī)驢頭光桿、配重轉(zhuǎn)矩曲線

2.3. 抽油泵運(yùn)行效率

抽油泵泵效影響因素很多，但在油井生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化，井下管、桿柱、抽油泵優(yōu)選定型條件下，抽油泵泵效的高低主要取決于光桿運(yùn)動規(guī)律特征的變化。礦場實(shí)踐證明，當(dāng)光桿運(yùn)行速度曲線呈正弦曲線變化時(shí)，抽油泵泵效往往偏低；當(dāng)光桿運(yùn)行曲線呈近似平頂波曲線變化時(shí)，抽油泵泵效能夠顯著提高，類似于直線電動機(jī)運(yùn)行時(shí)的抽油泵泵效，其主要原因是當(dāng)光桿運(yùn)行曲線呈近似平頂波曲線變化時(shí)，抽油泵柱塞上、下行程速度加快，抽油桿柱伸縮變形對沖程損失影響減弱；同時(shí)由于柱塞上下行程時(shí)間變短，抽油泵漏失降低，最終導(dǎo)致抽油泵泵效提高。而要實(shí)現(xiàn)光桿運(yùn)行速度曲線平頂波變化，同樣需要實(shí)時(shí)改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速，這與提高電動機(jī)運(yùn)行效率方向相一致。

3. 提高游梁式抽油機(jī)井系統(tǒng)效率要點(diǎn)與技術(shù)對策

根據(jù)游梁式抽油機(jī)井系統(tǒng)效率分析不難看出，提高油井系統(tǒng)效率關(guān)鍵點(diǎn)有3個(gè)：一是在油井單個(gè)沖程沖次周期內(nèi)，依據(jù)抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷變化，改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速由近恒轉(zhuǎn)速為變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)光桿運(yùn)行速度呈近似平頂波曲線變化，達(dá)到有效降低電動機(jī)輸出功率曲線、光桿功率曲線峰值的目的，為降低電動機(jī)裝機(jī)功率、抽油機(jī)受大幅度交變載荷沖擊提供前提條件。

主要實(shí)現(xiàn)方式：依據(jù)光桿速度計(jì)算公式(2)，當(dāng)電動機(jī)為近恒定轉(zhuǎn)速時(shí)，其光桿速度呈正弦曲線變化，所以對電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，將電動機(jī)近恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行設(shè)計(jì)為呈余弦變化的變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，公式(3)，如此可實(shí)現(xiàn)光桿速度曲線由正弦曲線變?yōu)榻巾敳ㄇ€(圖5)。二是選用高效節(jié)能電動機(jī)，要求電動機(jī)自身效率高，啟動扭矩大，高效運(yùn)行區(qū)間寬，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)能夠適應(yīng)游梁式抽油機(jī)重載啟動、輕載運(yùn)行特性，并能夠在不同負(fù)載條件下(即不同液量油井)具有高的運(yùn)行效率；三是電動機(jī)負(fù)功的合理利用，消除電動機(jī)倒發(fā)電對電網(wǎng)電源質(zhì)量的影響。針對電動機(jī)負(fù)功利用，目前主要有3種方式，分別是將倒發(fā)電能量回饋到電網(wǎng)、負(fù)功消耗到制動電阻中、將電動機(jī)負(fù)功轉(zhuǎn)化為動能；其中倒發(fā)電能量回饋電網(wǎng)、負(fù)功消耗到制動電阻的方式，顯然無用能耗增加，且增加成本，所以將電動機(jī)負(fù)功轉(zhuǎn)化為抽油機(jī)平衡配重的動能，在抽油機(jī)上下沖程中進(jìn)行儲存、釋放，能夠有效降低能耗，機(jī)采系統(tǒng)總輸入功率最小，是負(fù)功利用的最佳方式。

Figure 5. The comparison of motor speed curve with constant speed and variable speed with polishing rod圖5. 電動機(jī)恒轉(zhuǎn)速、變轉(zhuǎn)速運(yùn)行對應(yīng)光桿速度曲線對比

式中：vgg為抽油機(jī)光桿速度，m/s；r為電動機(jī)皮帶輪半徑，m；nddj為電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；θ為電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，(?)；n0為電動機(jī)初始設(shè)定轉(zhuǎn)速，r/min；n為電動機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速常數(shù)，r/min。

對應(yīng)游梁式抽油機(jī)井提高機(jī)采系統(tǒng)效率3個(gè)要點(diǎn)，提出如下技術(shù)對策：一是電動機(jī)變轉(zhuǎn)速控制功率優(yōu)化技術(shù)研究應(yīng)用，目前該技術(shù)已經(jīng)在不同油田開展了現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用[9] [10]。二是優(yōu)選高效區(qū)間寬、過載系數(shù)大的節(jié)能電動機(jī)，如開關(guān)磁阻電動機(jī)高效驅(qū)動技術(shù)，良好匹配游梁式抽油機(jī)運(yùn)行特性，實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)系統(tǒng)高效運(yùn)行。三是電動機(jī)負(fù)功的合理利用，主要是通過電動機(jī)變轉(zhuǎn)速控制運(yùn)行將負(fù)功轉(zhuǎn)為平衡配重動能，在抽油機(jī)運(yùn)行過程中進(jìn)行儲存、釋放，減少無用能耗，提高電動機(jī)運(yùn)行效率。

4. 礦場試驗(yàn)效果

4.1. 電動機(jī)變轉(zhuǎn)速控制功率優(yōu)化技術(shù)

2015年10月在長慶油田第三采油廠開展了5口井三相異步電動機(jī)變轉(zhuǎn)速控制功率優(yōu)化技術(shù)礦場試驗(yàn)，通過控制電動機(jī)在單個(gè)沖程沖次周期內(nèi)的速度變化，有效降低了電動機(jī)、光桿峰值功率，實(shí)現(xiàn)了機(jī)采設(shè)備柔性運(yùn)行，延長了機(jī)采設(shè)備使用壽命；同時(shí)將電動機(jī)負(fù)功有效轉(zhuǎn)為抽油機(jī)平衡配重的動能，在抽油機(jī)運(yùn)行過程中進(jìn)行儲存與釋放，降低了系統(tǒng)能耗，解決了電動機(jī)倒發(fā)電問題(圖6)。試驗(yàn)效果統(tǒng)計(jì)顯示，有功功率下降8.82%，平均峰值功率下將66.2%，綜合能耗下降15.6%，系統(tǒng)效率提升3.3個(gè)百分點(diǎn)(圖7)。

Figure 6. The contrast curve of measured output power before and after variable speed control in Well Qi 07-28圖6. 旗07-28井電動機(jī)變轉(zhuǎn)速控制前后輸出功率實(shí)測對比曲線

Figure 7. The histogram of application effect of motor speed control technology圖7. 電動機(jī)變轉(zhuǎn)速控制技術(shù)應(yīng)用效果柱狀圖

4.2. 開關(guān)磁阻電動機(jī)高效驅(qū)動技術(shù)

開關(guān)磁阻電動機(jī)轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，耐高溫、抗震動、皮實(shí)耐用，無繞組、自損耗小，轉(zhuǎn)動慣量小，為同級電動機(jī)50%，易控速；定子集中繞組，端部繞組短，發(fā)熱低，銅耗少，降低相間絕緣失效短路風(fēng)險(xiǎn)(圖8)。主要運(yùn)行特性為空載電流小、自身效率高(自身結(jié)構(gòu)決定)；起動電流小、扭矩大，運(yùn)行電流小，啟動電流僅為額定電流的1/3，運(yùn)行電流為額定電流的1/2，起動扭矩達(dá)到額定扭矩的2.5倍，適合抽油機(jī)帶載啟動；高效區(qū)間寬，不同轉(zhuǎn)速、負(fù)載率情況下，開關(guān)磁阻電動機(jī)均具有80%以上的運(yùn)行效率，且電動機(jī)運(yùn)行效率 ≥ 80%的運(yùn)行區(qū)間達(dá)72.6%。開關(guān)磁阻電動機(jī)的基本運(yùn)行特性與游梁式抽油機(jī)運(yùn)行工況匹配性良好，能夠提高電動機(jī)運(yùn)行效率。

2016年在長慶油田采油三廠、采油九廠開展170口井的現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)井系統(tǒng)效率提高3.1個(gè)百分點(diǎn)，功率因數(shù)提高了0.63，平均單井日耗電減少19.5 kW?h，有功節(jié)電率21.8% (圖9)，推算年節(jié)約用電116 × 104kW?h，節(jié)省電費(fèi)72萬元。

Figure 8. The picture of stator and rotor in the switched reluctance motor圖8. 開關(guān)磁阻電動機(jī)定轉(zhuǎn)子照片

Figure 9. The histogram of application effect of switch reluctance motor圖9. 開關(guān)磁阻電動機(jī)應(yīng)用效果柱狀圖

5. 結(jié)論

1) 從游梁式抽油機(jī)油井系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)運(yùn)行效率分析看，提高機(jī)采系統(tǒng)效率要點(diǎn)是電動機(jī)變轉(zhuǎn)速控制運(yùn)行、高效節(jié)能電動機(jī)應(yīng)用、電動機(jī)負(fù)功的合理利用。

2) 礦場實(shí)踐表明，電動機(jī)變轉(zhuǎn)速控制功率優(yōu)化技術(shù)、開關(guān)磁阻電動機(jī)高效驅(qū)動技術(shù)的試驗(yàn)應(yīng)用以及電動機(jī)負(fù)功動能轉(zhuǎn)化是提高游梁式抽油井的主要途徑。

3) 開關(guān)磁阻電動機(jī)基礎(chǔ)上的變轉(zhuǎn)速控制運(yùn)行技術(shù)將是游梁式抽油機(jī)井提效的主要挖潛方向。

中國石油天然氣股份有限公司重大專項(xiàng)(1602-1)。

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