張云釗 王桂林 姚慶童 和改英（中國石油華北油田分公司第五采油廠）

隨著油田開發(fā)進入中后期，地層能量也逐漸下降，大多數(shù)油井開采速度大于地層供液能力。為了提高單井產(chǎn)量，部分油井加快了抽汲速度，但是過快的抽汲速度并沒有帶來產(chǎn)量的提高，反而提高了耗能并降低了系統(tǒng)效率；同時，由于井下供液能力不足，致使井下抽油泵的充滿程度不足、充滿系數(shù)低，導致抽油機上行時泵筒不能完全充滿，使游動閥到泵內(nèi)流體液面的空間內(nèi)形成一個低壓區(qū)。在抽油機下行時，游動閥在低壓區(qū)無法打開，當遇到泵內(nèi)流體后，游動閥迅速打開，載荷從抽油桿柱轉移到油管柱上并產(chǎn)生液擊現(xiàn)象，導致系統(tǒng)壽命降低、能耗增加[1]。

隨著油田開采技術的發(fā)展，變頻技術已在油田上廣泛應用，趙來軍提出變頻器向閉環(huán)控制、智能診斷方向發(fā)展的思路[2]。為使油井達到供排平衡，降低油井因供液不足而造成的產(chǎn)量下降和能量浪費，閉環(huán)控制技術開始在多家油田應用，并取得了一定的節(jié)能效果[3-4]。2011年，柔性控制技術在游梁式抽油機上應用，達到了抽油機變速運行降低油井能耗的目的：在單周期運行過程中，通過改變曲柄運動的周向加速度，自適應調整曲柄軸承受的扭矩值和扭矩分布的變速策略，實現(xiàn)降低扭矩峰值和峰谷差值[5]。多數(shù)專家學者對變速運行在油田現(xiàn)場應用情況進行了分析評價和運行理論的研究，均得出變速運行有利于改善抽油機系統(tǒng)運行和能耗的結論[6-10]。

為了解決油田低效井的能耗問題，在華北油田推廣應用了變速智能控制技術，并根據(jù)各單井目前生產(chǎn)狀況及地面設備情況對閉環(huán)柔性控制裝置后期調試重點進行分類：一類井，泵效低，重點進行閉環(huán)控制，合理動態(tài)調整沖速；二類井，有一定供液能力，綜合采用閉環(huán)+柔性控制；三類井，供液能力較好，重點采用柔性閉環(huán)，優(yōu)化工況。

1 抽油機變速運行的技術特點

1.1 技術方案

通過閉環(huán)控制技術實現(xiàn)抽油機井運行沖速的實時調節(jié)，達到供排協(xié)調；通過柔性控制技術控制電動機轉速實現(xiàn)抽油機井運行的“按需輸出”，優(yōu)化單抽汲周期內(nèi)系統(tǒng)的運行速度及加速度，提高泵的充滿程度，提高泵效及油井系統(tǒng)效率。抽油機井變速運行智能控制系統(tǒng)構架見圖1。

1.2 技術原理

閉環(huán)控制技術原理：閉環(huán)控制器直接與工控RTU進行通訊，獲取抽油機井最新一組的載荷位移數(shù)據(jù)，計算得到抽油機井的當前泵效，并與預設目標值進行對比。如果該計算值大于預設目標值，則抽油機井保持當前的抽汲參數(shù)繼續(xù)生產(chǎn)；如果該計算值小于預設目標值，閉環(huán)控制器則以閉環(huán)控制算法計算出新的抽汲工作制度參數(shù)，并控制抽油機井進行調參。重復上述步驟，直至抽油機井的泵效達到預設目標值為止。

圖1 抽油機井變速運行智能控制系統(tǒng)構架

柔性控制技術原理：根據(jù)懸點載荷變化，結合光桿運行速度與加速度的控制，消除桿柱慣性載荷的影響，通過降速增加電動機輸出扭矩實現(xiàn)功率輸出曲線“削峰填谷”的形態(tài)，通過載荷隨動控制實現(xiàn)抽油機電動機的柔性輸出，從而改善桿柱受力狀況，提高井下泵的充滿系數(shù)。

2 現(xiàn)場應用

2018年2月，篩選Y油田泵效低于70%、沉沒度不小于300 m、具有一定供液能力的油井17口，并實施變速運行智能控制技術。

現(xiàn)場對其中任意4口井在工頻和柔性運行狀態(tài)下，以及不同運行參數(shù)下的系統(tǒng)效率、日耗電、泵效等多方面進行測試對比（表1）。

從表1可以看出，在油井保持抽油機井生產(chǎn)參數(shù)不變的情況下，抽油機由工頻運行轉變到變速運行的模式，單井泵效平均增加2.73個百分點，系統(tǒng)效率平均增加1.47個百分點，最大載荷平均降低2.8 kN，最小載荷平均增加3.08 kN，日耗電量不降反增，平均增加14.75 kWh。

在保證油井產(chǎn)量不降的情況下，調小抽油機井的工作制度。由表1可知，油井在低沖速的工作制度下，較工頻運行泵效平均提高23.27個百分點，系統(tǒng)效率平均提高8.14個百分點，最大載荷平均降低3.4 kN，最小載荷平均增加3.7 kN，日耗電量平均下降39.25 kWh，平均節(jié)電率為17.6%。

表1 抽油機在不同運行方式下的參數(shù)對比

表2 13口井抽油機在不同運行方式下的參數(shù)對比

根據(jù)4口油井測試數(shù)據(jù)對比結果，對Y油田實施的其余13口抽油機井進行生產(chǎn)參數(shù)的調整（表2）。綜合17口油井數(shù)據(jù)跟蹤測試，平均泵效提高12.38個百分點，系統(tǒng)效率提高6.63個百分點，平均單井日節(jié)電17.95 kWh。

3 結論

1）相比工頻下的常規(guī)運行，抽油機在變速運行模式下可實時調節(jié)電動機轉速，實現(xiàn)抽油機井“按需輸出”運行，起到“削峰填谷”的作用，有效改善油井桿柱的受力狀況，提高井下泵的充滿程度，提高油井泵效和系統(tǒng)效率，降低油井能耗。

2）變速運行控制系統(tǒng)適合用于低沖速油井上，在低沖速運行方式下，節(jié)能效果更加顯著，油井節(jié)電率由-3.9%提高到17.6%。