張東東（大慶油田有限責任公司第八采油廠）

抽油機其運行參數(shù)（沖程沖速）對抽油機高效生產(chǎn)起著重要作用。與沖程相比，調整沖速簡單，容易實現(xiàn)。采油廠油井具有產(chǎn)液量低、井深、泵效低、系統(tǒng)效率低的特點。隨著地下原油的不斷采出，油井動液面不斷下降，存在泵效率低井越來越多，供液不足井占比較大的問題。抽油機變頻技術的大規(guī)模應用，使調整沖速更加容易。為此研究變頻狀態(tài)抽油機沖速與有功功率的關系，實現(xiàn)優(yōu)化沖速，提高系統(tǒng)效率，延長抽油桿壽命，達到降本增效的目的。

1 沖速與抽油機有功功率關系

1.1 有功功率計算公式

對變頻狀態(tài)下的抽油機沖速進行研究，抽油機的有功功率計算公式為

式中：P——有功功率，W；

U——運行時電壓，V；

I——負載電流，A；

cosφ——功率因數(shù)。

1.2 電壓與頻率

三相異步電動機定子每相電動勢的有效值計算公式為

式中：E1——定子每相由氣隙磁通感應的電動勢的有效值，V；

N1——定子每相繞組有效匝數(shù)；

f1——定子頻率，Hz；

φm——每極磁通量，Wb。

由式（2）中可知，三相異步電動機4.44 N1為定值，φm為一次函數(shù)，所以E1/f1為正比例關系。在電動勢較高時，可忽略定子阻抗壓降，而用定子項電壓U1代替。即U1/f1始終為定值，可知電壓與頻率成正比例關系。

1.3 頻率與沖速

1）電動機轉速與頻率的關系。電動機轉速與頻率的關系公式為

式中：n0——電動機的轉速，r/min；

f——電源頻率，Hz；

p——電動機的極對數(shù)。

由式（3）可知電動機轉速與頻率成正比例關系。

2）電動機轉速與沖速的關系。常規(guī)抽油機沖速計算公式為

式中：n——抽油機沖速，min-1；

n0——電動機轉速，r/min；

i減——抽油機減速箱傳動比；

d1——電動機皮帶輪直徑，m；

D——減速箱大皮帶輪直徑，m。

由式（4）可知電動機轉速與沖速成正比。

通過式（3）、（4）分析頻率與沖速成正比。綜合以上分析有功功率與沖速成正比例關系，即P=kn，k為有功功率與沖速的比值。抽油機的井況（含水、井深、含蠟、平衡度等）因素決定負載，電動機的有功功率是隨負載變化的。因此即使同種機型抽油機有功功率也會呈現(xiàn)出較大差異。即同口井k值相同，不同井的k值不同。

現(xiàn)場通過多口井進行試驗，與推導結果基本一致。頻率與有功功率關系曲線見圖1。

圖1 頻率與有功功率關系曲線

2 沖速過大對抽油機系統(tǒng)的影響

2.1 懸點載荷

抽油機沖速越大其上下載荷差越大，桿承受的交變載荷幅度越大。沖速越高循環(huán)次數(shù)越多和應力變化幅度越大，加重了抽油桿的疲勞破壞，降低抽油桿使用壽命。某井不同沖速下功圖測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 某井不同沖速下功圖測試數(shù)據(jù)

2.2 有功功率和抽油桿

過大的沖速會導致抽油泵供液不足。供液不足時本應平滑的功率曲線出現(xiàn)突變，有功功率反應動力的變化，抽油機減速箱、抽油桿都會受到突變力的沖擊。沖速過大，加重了抽油桿的疲勞破壞，同時從示功圖上看載荷延遲卸載，供液不足會產(chǎn)生液擊，加快了抽油桿的疲勞損壞。沖速調整前后功率曲線變化見圖2、沖速調整前后示功圖變化見圖3。

圖2 沖速調整前后功率曲線變化

圖3 沖速調整前后示功圖變化

由圖2可知沖速調前有功功率曲線因抽油桿突然卸載出現(xiàn)突變(見圈點處），沖速調后突變的有功功率曲線變得平滑，通過調整得到修正。由圖3可知沖速調前抽油機下沖程抽油桿出現(xiàn)延遲卸載（見圈點處），沖速調后抽油桿下沖程延遲卸載得到修正，避免了出現(xiàn)液擊加重抽油桿疲勞損壞。

2.3 調整沖速方法

充分利用變頻調沖速的方法進行系統(tǒng)調試?，F(xiàn)場根據(jù)示功圖、動液面、產(chǎn)液量等資料綜合分析，結合井況生產(chǎn)經(jīng)驗確定最佳沖速值，并在實施中跟蹤調整。對于抽油機沖速已達到最小參數(shù)的引進抽油機減速器及應用間抽恢復井底流壓提高泵效。

3 降低沖速潛力分析

對采油廠某小隊193口生產(chǎn)井進行分析，其中供液不足井99口，占統(tǒng)計井總數(shù)的51%。對這部分井進行潛力預測。

3.1 供液不足井統(tǒng)計

對供液不足井按沖速分三類進行統(tǒng)計，沖速在5 min-1以上有20口井，沖速4 min-1有45口井，沖速在3 min-1以下有28口井。并統(tǒng)計其參數(shù)平均值，供液不足井參數(shù)（平均值）統(tǒng)計見表2。

表2 供液不足井參數(shù)（平均值）統(tǒng)計

3.2 節(jié)能預測

根據(jù)文中論證：有功功率與沖速成正比例關系( p=kn)，來確定參數(shù)k值，進而預測沖速降低一次后有功功率變化。不同沖速節(jié)能效果預測統(tǒng)計見表3。

表3 不同沖速節(jié)能效果預測統(tǒng)計

節(jié)能效果預測：由于供液不足井占全隊井的51%，針對供液不足降低沖速有功功率平均節(jié)約比例為29%，優(yōu)化后預計可降低機采能耗15%。

4 結論

1）抽油機的有功功率與沖速、頻率成正比例關系，其系數(shù)與含水、井深、含蠟、平衡度等因素有關。同口井系數(shù)相同，可預測降低沖速后有功功率數(shù)值變化。

2）沖速過大出現(xiàn)供液不足后，會導致系統(tǒng)受力突變，加重減速箱機械磨損和抽油桿的疲勞損壞，縮短使用壽命。沖速應根據(jù)生產(chǎn)情況進行優(yōu)化調整，經(jīng)測算調整后預計機采能耗可降低15%。

3）雖然減速裝置能量損失小，可進一步降低沖速，但畢竟又增加一個環(huán)節(jié)，增加了維護工作量。下步可研究在載荷小，功率小的抽油機上，實施更換減速箱皮帶輪方法降沖速的研究。