段志剛，葉 紅，司志梅，王 志

（中國石化江蘇油田分公司工程技術(shù)研究院，江蘇，揚州225009）

游梁式抽油機以其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、可靠性高、耐久性好、維修方便［1］等優(yōu)點，在采油機械中占有舉足輕重的地位，但現(xiàn)場生產(chǎn)中存在以下幾方面的問題：

（1）常規(guī)的調(diào)參范圍有限，實施強度大，調(diào)整周期間隔長，難以及時適應(yīng)井下工況的變化，從而導(dǎo)致生產(chǎn)參數(shù)偏大，泵筒充滿度低，噸液能耗高；

（2）電機的勻速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致抽油桿的變速運行，使得抽油桿承受較大的慣性載荷和振動載荷，影響了泵效和檢泵周期；

（3）抽油機啟動的扭矩大，正常運行的扭矩小，在配備電機時，一般都會以滿足啟動扭矩為基本條件，因此，生產(chǎn)中存在“大馬拉小車”［2］，導(dǎo)致電能浪費，影響系統(tǒng)效率。

針對以上存在的生產(chǎn)問題，從抽油機自動跟蹤地層產(chǎn)能并智能調(diào)整沖數(shù)、開發(fā)變速拖動控制曲線和優(yōu)化控制柜結(jié)構(gòu)等三個方面進行了技術(shù)研究，形成了抽油機自適應(yīng)柔性控制技術(shù)， 并在江蘇油田、西北局等推廣應(yīng)用，取得了不錯的效果。

1 抽油機智能調(diào)整沖數(shù)技術(shù)

通過現(xiàn)場調(diào)研分析，研制了流量趨勢監(jiān)測儀（見圖1）。該儀器包括監(jiān)測模塊和信號處理器。監(jiān)測模塊由精密電源、發(fā)熱元件、溫度傳感器和溫度變送器組成， 精密電源為發(fā)熱元件提供穩(wěn)定的電壓，發(fā)熱元件單位時間內(nèi)發(fā)出的熱量恒定，并將熱量從流程管線外壁傳遞給管道壁及其內(nèi)部的流體。 溫度傳感器用于實時測量發(fā)熱元件的溫度，溫度變送器用于將溫度傳感器的溫度信號轉(zhuǎn)換成電流信號。 信號處理器根據(jù)電流信號的變化，判定流程管線的流量變化趨勢。

圖1 流量趨勢監(jiān)測儀

根據(jù)流量趨勢監(jiān)測儀判斷產(chǎn)量的變化趨勢，并編制了智能調(diào)整沖數(shù)的程序（見圖2），通過PLC和變頻器控制電機的運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)智能調(diào)整沖數(shù)的目的。

圖2 智能調(diào)整沖數(shù)的程序框圖

為驗證該調(diào)沖技術(shù)的準確性，特優(yōu)選了S10井、X29、M45井、Y28等4口井為試驗井，該4口井都是單井產(chǎn)液直接進井場的計量單罐，通過刻度直接讀數(shù)計量。 調(diào)沖前后分別統(tǒng)計了10天的平均油井產(chǎn)量，結(jié)果表明，智能優(yōu)化沖數(shù)后，油井的產(chǎn)量基本無變化（微小差異是由于計量時的讀數(shù)誤差引起的），數(shù)據(jù)見表1。

表1 智能調(diào)沖前后產(chǎn)量對比

2 抽油機柔性運行控制技術(shù)

抽油機柔性控制技術(shù)［3］主要是通過對變頻器加載不同的拖動方式，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的實時控制。通過電機的變速運轉(zhuǎn)，改變抽油機曲柄角速度及角加速度、懸點速度、光桿載荷等系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)，進而改變抽油桿的振動載荷、慣性載荷以及柱塞在泵筒中的運動速度分布等參數(shù)，對抽油桿的應(yīng)力變化實現(xiàn)“削峰填谷”，降低抽油桿的應(yīng)力變化，從而延長抽油桿的使用壽命，延長油井的檢泵周期［4］。

研究分析大量的運轉(zhuǎn)控制曲線，優(yōu)化了一種M控制曲線，與圓拖動方式進行對比，分析兩種拖動方式下抽油桿的運行速度和所受應(yīng)力。

2.1 速度特征對比分析

從兩種方式的速度曲線看，M曲線拖動下的抽油桿的最大速度是圓拖動下的最大速度的77.9%，抽油桿的運行相對更加平穩(wěn)（見圖3）。

圖3 兩種特征下的Y方向速度曲線

2.2 中和點對比分析

抽油桿向下運動時，在桿柱系統(tǒng)所受的各種力的綜合作用下，抽油桿上部受到的是拉力，下部受到的是壓力，在這個壓力的作用下，抽油桿在井內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形。 隨著上下沖程往復(fù)，使抽油桿與油管相互摩擦，造成管桿偏磨［5］。以現(xiàn)場的一口油井為例，選取上時刻點位置、下時刻點位置、最大加速度時刻位置以及最大速度時刻位置的數(shù)據(jù)，計算兩種不同拖動方式下的抽油桿柱中和點（見表2），可以看出，在下沖程中，M曲線拖動方式的中和點位置有一定程度的下移，這對油井的防偏磨將起到積極的作用。

表2 下沖程中各時刻對應(yīng)的抽油桿中和點位置

2.3 桿柱應(yīng)力對比分析

根據(jù)邊界條件，利用ANSYS仿真軟件，分析光桿在上死點、下死點、下行程加速度最大、上行程加速度最大、 下行程速度最大和上行程速度最大等6個主要位置的受力（見圖4），并對比分析了光桿在兩種不同的拖動情況下受力特征（見表3），總體來說，M曲線拖動的最大應(yīng)力， 比圓拖動的最大應(yīng)力小，光桿的受力更加均衡。

圖4 光桿受力仿真

表3 不同拖動方式下的光桿最大應(yīng)力對比

表4 抽油桿疲勞壽命對比

2.4 桿柱壽命對比分析

抽油桿的使用壽命主要與應(yīng)力疲勞有關(guān)，可以用應(yīng)力壽命曲線來表示載荷與偏勞失效的關(guān)系，應(yīng)力壽命曲線圖表示出承受循環(huán)載荷后的循環(huán)次數(shù)，循環(huán)次數(shù)高的，則壽命越長。 因為主要仿真單軸疲勞， 所以利用Fatigue tool中的疲勞敏感性曲線來仿真抽油桿的疲勞壽命， 根據(jù)實際部件存在一定缺陷，所以將損傷因子設(shè)為0.8，并利用Goodman理論對材料進行修正，載荷類型指定為ratio，得到抽油桿的疲勞壽命對比數(shù)據(jù)（見表4）。 從對比數(shù)據(jù)來看，除了上死點外，M曲線拖動的循環(huán)次數(shù)均優(yōu)于圓拖動，且在上行程加速度最大時（即應(yīng)力最大點），M曲線拖動比圓拖動的循環(huán)次數(shù)多了845 600次，說明在抽油桿壽命最短的時刻點，M曲線拖動方式的壽命更長。因此，M曲線拖動方式下的抽油桿使用壽命將更長。

通過以上對比分析，顯示出M曲線拖動的優(yōu)勢?？梢姡琈曲線控制的柔性運行技術(shù)能延長抽油桿的使用壽命，延長油井的檢泵周期。

3 抽油機智能控制柜的優(yōu)化

智能控制柜主要應(yīng)用了變頻控制技術(shù)［6］，實時調(diào)整沖數(shù)和柔性控制抽油機的運行。

針對目前通用型變頻器的控制電路和信號電路大多采用軟件控制、抗電磁干擾能力弱、故障率高的問題，研發(fā)了全部硬件化的控制電路和信號電路，提高了抗電磁干擾能力，延長了變頻器壽命。

抽油機在下沖程中存在反拖發(fā)電的情況，利用制動電阻消耗反拖發(fā)電，保護了變頻器設(shè)備。 同時，優(yōu)化了控制線路，抑制了電源諧波，控制了變頻器產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的干擾，現(xiàn)場應(yīng)用表明，諧波低于5%。

表5 抽油機自適應(yīng)柔性控制技術(shù)應(yīng)用效果統(tǒng)計表

4 現(xiàn)場應(yīng)用

抽油機自適應(yīng)柔性控制技術(shù)，在江蘇油田應(yīng)用30井次，在西北局應(yīng)用2井次，應(yīng)用后，平均單井沖數(shù)下降了49%，節(jié)能40.5%，抽油機示功圖變得飽滿，提高了泵效。 同時，該柔性控制技術(shù)，能延長抽油桿的使用壽命，延長油井的檢泵周期。 表5統(tǒng)計了部分油井的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

（1）流量趨勢監(jiān)測儀能有效地分析井口產(chǎn)量的變化趨勢，為抽油機自動優(yōu)化調(diào)整沖數(shù)提供了技術(shù)支持。

（2）M曲線控制的拖動方式，相比常規(guī)的圓形拖動，在抽油桿的應(yīng)力分布、疲勞壽命等方面，都具有優(yōu)勢。

（3）抽油機自適應(yīng)柔性控制技術(shù)，對于低產(chǎn)油井具有很好的適應(yīng)性， 能大幅提高低產(chǎn)油井的泵效，綜合節(jié)能率高。