李長生 曹鼎洪 苗苗 張艷艷 王紅艷（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

近年來，葡萄花油田逐步加大非常規(guī)舉升工藝試驗力度，積極尋找節(jié)能效果好、使用可靠、操作維護(hù)方便的舉升工藝新技術(shù)。2020年，該油田在10口井上小規(guī)模試驗了一種直接平衡式抽油機(jī)，穩(wěn)定性、可靠性均較好，并見到了顯著的節(jié)能效果。

1 系統(tǒng)組成與原理

1.1 系統(tǒng)組成

該抽油機(jī)系統(tǒng)主要由水泥基礎(chǔ)、底座、主塔架、上平臺、配電及控制系統(tǒng)組成。核心部件位于上平臺，包括電動機(jī)、傳動鏈輪、大小滾筒和皮帶，皮帶通過皮帶夾，一端連接配重箱及配重，另一端通過懸繩器連接光桿系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 系統(tǒng)組成

1.2 工作原理

供電后，電動機(jī)啟動，通過傳動鏈輪將動力傳遞給大滾筒，大滾筒依靠摩擦力驅(qū)動皮帶，與此同時，配重下行驅(qū)動皮帶，電動機(jī)和配重一同驅(qū)動皮帶使其沿著配重下行方向運(yùn)動，皮帶另一端通過懸繩器帶動光桿上行。達(dá)到預(yù)設(shè)沖程后，電動機(jī)自動換向[1]，電動機(jī)和光桿一同驅(qū)動皮帶使其沿著配重上行方向運(yùn)動，達(dá)到預(yù)設(shè)沖程后電動機(jī)再次換向。如此，完成一個上下沖程，循環(huán)往復(fù)實現(xiàn)舉升原油。

2 節(jié)能效果與節(jié)能機(jī)理

2.1 節(jié)能效果

有功功率實測數(shù)據(jù)顯示較好的節(jié)電效果。應(yīng)用直接平衡式抽油機(jī)前后，對機(jī)采井相近井況下的能耗情況進(jìn)行了測試[2]，直接平衡式抽油機(jī)與游梁抽油機(jī)能耗對比表見表1。測試結(jié)果顯示，在基本相同的井況條件下，直接平衡式抽油機(jī)較游梁式抽油機(jī)平均節(jié)電25.78%，日均節(jié)電達(dá)到29.92kWh，最低節(jié)電率20.3%，最低日節(jié)電達(dá)14.04kWh。最高節(jié)電率29.80%，最高日節(jié)電達(dá)39.94kWh。直接平衡式抽油機(jī)表現(xiàn)出十分明顯的節(jié)能效果，單井全年約可節(jié)電1.05×104kWh。電價按0.6381元/kWh計算，單井年可節(jié)約電費(fèi)6700元，效益十分可觀。

裝機(jī)功率降低，有效降低電網(wǎng)供電。與原游梁式抽油機(jī)相比，直接平衡式抽油機(jī)電動機(jī)裝機(jī)功率降低，平均降低幅度達(dá)23.1%。裝機(jī)功率的降低，可有效降低電網(wǎng)的供電量，舉升系統(tǒng)總用電自然減少。與此同時，裝機(jī)功率降低，提高了電動機(jī)功率利用率，避免了游梁式抽油機(jī)普遍存在的“大馬拉小車”問題，舉升系統(tǒng)運(yùn)行更加高效合理。

對兩種舉升工藝的系統(tǒng)效率[3]情況進(jìn)行了測試、分析與對比，直接平衡式抽油機(jī)同樣顯示出高效性。利用儀器儀表對油壓、套壓、動液面進(jìn)行測試，采用罐車方式對日產(chǎn)液量進(jìn)行量取。利用原油舉升系統(tǒng)的效率[4]公式計算兩口井舉升方式改變前后的系統(tǒng)效率值。計算結(jié)果表明，葡萄花油田的地質(zhì)條件下[5]，機(jī)采井正常生產(chǎn)時，直接平衡式抽油機(jī)系統(tǒng)的效率平均值可達(dá)35.36%，最高可達(dá)57.52%，較游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)的效率平均值高出約12.87個百分點。

表1 直接平衡式抽油機(jī)與游梁抽油機(jī)能耗對比

2.2 節(jié)能機(jī)理

直接平衡式抽油機(jī)具有顯著的節(jié)能效果，對其節(jié)能機(jī)理進(jìn)行了分析，主要體現(xiàn)在兩個方面。

2.2.1 動力系統(tǒng)設(shè)計

直接平衡式抽油機(jī)采用永磁電動機(jī)作為動力系統(tǒng)，與普通異步電動機(jī)需要電網(wǎng)提供無功建立磁場即供電勵磁后方可運(yùn)行不同的是，永磁電動機(jī)的轉(zhuǎn)子利用永磁材料制作，無需勵磁即無需電網(wǎng)提供無功即可實現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)。無功功率雖然不對外做功，但其仍然會有一部分熱量散失掉。因此，永磁電動機(jī)較同類型的普通異步電動機(jī)更節(jié)省電能。與此同時，直接平衡式抽油機(jī)應(yīng)用的永磁電動機(jī)采用同步跟隨技術(shù)，可自動偵測轉(zhuǎn)子磁鐵磁力強(qiáng)弱和抽油機(jī)運(yùn)行所需功耗大小，動態(tài)分配扭矩，使其產(chǎn)生與功耗相匹配的磁力，不做無用功，進(jìn)一步降低電能消耗并提高功率因數(shù)。

從永磁電動機(jī)與普通異步電動機(jī)的功率因數(shù)對比、效率對比見圖2、圖3，普通異步電動機(jī)在負(fù)載率大于50%時，其運(yùn)行效率和功率因數(shù)大幅度下降，永磁電動機(jī)在負(fù)載率25%~120%時，其運(yùn)行效率和功率因素變化不大，且運(yùn)行效率大于90%，功率因數(shù)大于0.85，輕負(fù)載、變負(fù)載、滿負(fù)載均具有顯著的節(jié)能效果[6]。

圖2 永磁與普通異步電動機(jī)功率因數(shù)對比

圖3 永磁與普通異步電動機(jī)效率對比

2.2.2 總體架構(gòu)設(shè)計

直接平衡式抽油機(jī)系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計簡單[7]，傳動少，效率高。在相同井下負(fù)載條件下，該舉升系統(tǒng)輸出能量少，節(jié)約電能。其架構(gòu)設(shè)計節(jié)能主要體現(xiàn)在以下三個方面：

1）傳動設(shè)計。直接平衡式抽油機(jī)動力及傳動部分設(shè)計簡單，傳動環(huán)節(jié)少，且電動機(jī)與大滾筒之間為鏈條傳動，效率更高，相同井況條件下所需扭矩及功率更少。首先，電動機(jī)通過鏈條將扭矩傳遞給大滾筒，大滾筒通過皮帶將扭矩傳遞給井下負(fù)荷[8]。游梁式抽油機(jī)的電動機(jī)動力需經(jīng)過傳動皮帶、減速器、四連桿后傳遞給井下負(fù)荷。相比較之下，在能量傳遞過程中，直接平衡式抽油機(jī)實現(xiàn)了配重與井下負(fù)荷通過皮帶直接相連，耗能點大幅較少，因此效率更高；其次，理論研究表明，鏈條傳動的效率一般為96%，較皮帶傳動高出4%~5%。以上兩點表明，在動力傳遞設(shè)計上，直接平衡式抽油機(jī)較游梁式抽油機(jī)更簡單，能量損耗更少，因此在提升相同負(fù)荷的情況下，前者用能更少。

相對于游梁式抽油機(jī)復(fù)雜的四連桿機(jī)構(gòu)，直接平衡式抽油機(jī)系統(tǒng)的簡單結(jié)構(gòu)更容易得出配重重量及電動機(jī)所需功率。下面進(jìn)一步給出直接平衡式抽油機(jī)系統(tǒng)配重重量及電動機(jī)所需功率的計算方法，深入明了其節(jié)能機(jī)理。

直接平衡式抽油機(jī)配重重量計算一般以上、下沖程電動機(jī)輸出扭矩相等為依據(jù)，配重計算示意圖見圖4。

圖4 配重計算示意圖

對上沖程有：

對下沖程有：

式中：Gp、Ggy、Gg為配重、桿柱與液柱重、桿柱重，kN；R、r為大、小滾筒直徑，m；M電上、M電下為上、下沖程電動機(jī)輸出扭矩，kN。

上、下沖程應(yīng)有M電上=M電下，整理得：

在得知桿柱、液柱重以及大小滾筒的半徑后，利用該式可計算配重的重量，作為機(jī)采井初次配重選擇的依據(jù)。配重計算完成后，再利用下列公式計算電動機(jī)功率：

式中：M為電動機(jī)扭矩，N·m；P為為電動機(jī)功率，kW；n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

2）負(fù)載運(yùn)動特性。光桿運(yùn)行過程中，直接平衡式抽油機(jī)基本屬于勻速直線運(yùn)動，游梁式抽油機(jī)屬于類正弦運(yùn)動。該點不同使得前者較后者更節(jié)能。

游梁式抽油機(jī)曲柄運(yùn)動屬于圓周運(yùn)動，整個圓周周期內(nèi)，其各點的速度不同，變化較大。體現(xiàn)在懸點載荷上，會表現(xiàn)出動載荷較大；體現(xiàn)在電動機(jī)功率上，會表現(xiàn)出輸出功率不均勻且變化較大。直接平衡式抽油機(jī)配重箱運(yùn)動除短暫的電動機(jī)換向外基本為勻速直線運(yùn)動，且與光桿運(yùn)動狀態(tài)基本保持同步，因此其動載荷基本消失，電動機(jī)功率也較為平穩(wěn)[9]。

3#井游梁式抽油機(jī)示功圖見圖5，3#井直接平衡式抽油機(jī)示功圖見圖6，直接平衡式抽油機(jī)功圖形狀平滑、動載荷小，最大負(fù)載僅為62.81kN，較游梁式抽油機(jī)低16.02kN。游梁式抽油機(jī)帶有明顯的“波紋”，直接平衡式抽油機(jī)基本沒有。

圖5 3#井游梁式抽油機(jī)示功圖

圖6 3#井直接平衡式抽油機(jī)示功圖

同時，對該井進(jìn)行了光桿速率、電動機(jī)電流、電動機(jī)功率情況對比見圖7、圖8、圖9。結(jié)果顯示，與游梁式抽油機(jī)相比，直接平衡式抽油機(jī)的光桿速率曲線除在換向某一時間段內(nèi)為勻變速外，其余時間段均為勻速；電流和功率曲線更加穩(wěn)定、平滑，無峰谷出現(xiàn)，更不存在負(fù)功狀態(tài)。

圖7 光桿速度曲線對比

圖8 電動機(jī)電流曲線對比

圖9 電動機(jī)功率曲線對比

3）超長沖程設(shè)計。直接平衡式抽油機(jī)為塔架式結(jié)構(gòu)，擁有8m的理論沖程設(shè)計[10]，這使得機(jī)采井在相同產(chǎn)量要求情況下，其沖次參數(shù)可大幅減小，從而減少抽汲過程中的動載荷及慣性載荷，能耗更低。

3 結(jié)論

1）相同地質(zhì)條件及井況下，直接平衡式抽油機(jī)較游梁式抽油機(jī)節(jié)能約25.78%，日節(jié)電量可達(dá)29.92kWh，節(jié)能效果遠(yuǎn)高于游梁式抽油機(jī)。

2）直接平衡式抽油機(jī)的節(jié)能效果顯著主要源于其皮帶直接平衡、傳動環(huán)節(jié)少、超長沖程的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及負(fù)載運(yùn)行特性。實測功圖載荷線、電動機(jī)電流曲線、電動機(jī)功率曲線、光桿速度曲線可以驗證直接平衡式抽油機(jī)的節(jié)能效果。

3）與游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)相比，直接平衡式抽油機(jī)系統(tǒng)年可節(jié)約電費(fèi)約6700元，效益十分可觀。

4）葡萄花油田地質(zhì)條件下，直接平衡式抽油機(jī)系統(tǒng)效率平均可達(dá)35.36%，較游梁式抽油機(jī)高出12.87%，最高系統(tǒng)效率達(dá)到57.52%。舉升工藝的高效率取得又一突破，油田開發(fā)選擇高效舉升工藝多了一種渠道。

5）直接平衡式抽油機(jī)關(guān)鍵參數(shù)配重重量及電動機(jī)功率的計算方法可通過結(jié)構(gòu)與原則得出。這不僅進(jìn)一步深化了對節(jié)能機(jī)理的認(rèn)識，也有利于使用單位依據(jù)井況條件高效選擇該舉升工藝的類型。