鄒潤發(fā)

（大慶油田有限責任公司試油試采分公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

某油田采油區(qū)近40 年一直使用游梁式抽油機采油，游梁式抽油機的工作原理是使用高轉差電機、永磁電機等設備通過有桿泵采油，其優(yōu)點是能夠有效節(jié)能，存在的弊端是操作不便、對相關參數(shù)的優(yōu)化及開發(fā)節(jié)能技術等一系列問題，其中最明顯的問題出現(xiàn)在上下沖程這一環(huán)節(jié)中，速度不能根據(jù)實際桿管偏磨來確定。將有桿泵作為一個完整的系統(tǒng)進行綜合測評，通過分析其工作過程找出影響采油能耗的因素，最終選擇抽油機多功能調(diào)速裝置。

1 機械采油能耗影響因素分析

針對抽油機有桿泵的工作特點，將采油的整個過程進行劃分，一般情況下，分別對地面和井下劃分出4 個節(jié)點，共8 個節(jié)點，將每個節(jié)點存在的問題進行相應的研究和優(yōu)化。將地面使用的拖動裝置改造作為首要任務，采用具有耐磨強度高、方便檢查等特點的節(jié)能設備，此做法的優(yōu)點是提高驅動效率，在一定情況下能夠有效改善設備覆蓋率低的現(xiàn)象。但由于采用的拖動裝置工作時的速度無法和預期的相匹配，稱為固定轉速，因此該系統(tǒng)效率無法達到預期目標。

1.1 抽油機井能耗分析

由于抽油機井消耗的總能量為光桿功率和輸入電能總和，通過抽油機井的不同節(jié)點，針對性分析井下和地面能源消耗的分布情況。通過探究批量井能耗分布狀態(tài)，借助油井功圖載荷分析得出抽油機井光桿的工作功率，分別統(tǒng)計抽油機井地面和井下能耗，如圖1 所示，井下消耗的能量為總耗能量的3/5 左右。

圖1 抽油井功圖載荷分析

1.2 抽油機井井下能耗影響因素分析

有桿泵工作時，向上升起時的耗能等于在該環(huán)節(jié)作業(yè)時損失的能量和舉升液體所產(chǎn)生能量的疊加。地面損失能量和井下?lián)p失能量之和等于損失能量。一般情況下，地面損失的能量包括拖動裝置耗能與連桿摩阻耗能兩個方面，從摩阻耗能角度來說，因為該技術發(fā)展較為完善，所以不做考慮。井下耗能包括：滑動摩阻耗能、粘滯摩阻耗能、水擊耗能。由于水擊發(fā)生的時間短、頻率低，在進行能耗分析時通常不做考慮。

抽油機作業(yè)時，從電機輸入功率角度分析主要包括：桿柱損失功率、滑動損失功率、地面損失功率、粘滯損失功率和有效功率。

（1）粘滯損失功率。粘滯損失功率是指在有桿泵工作的過程中，由于被舉升的液體油會和抽油桿和油管產(chǎn)生摩擦，在摩擦過程中損耗的功率。粘滯損耗功率主要取決于油管直徑、液體黏度、抽油桿直徑、沖程、泵掛深度和沖次等6 個方面。

粘滯損失功率:

式中，Pr是粘滯損失功率，kW；s 是沖程，m；n 是沖次，次/min；μi為第i 段液體黏度，MPa·s；li是第i 段油管長度，m；m 是管徑桿徑比。

（2）滑動損失功率。抽油機井由于井斜導致泵柱塞和泵筒之間的摩擦與抽油桿和油管之間摩擦損耗的功率。其功率的大小主要取決于桿管材質、抽油桿重度、井斜的水平軌跡長度、沖程以及沖次等5 個方面的影響。

滑動損失功率:

式中，Pk是滑動損失功率，kW；fk是桿與管的磨擦因數(shù)；L 是井斜的水平軌跡長度，m；qr是桿重度，N/m；g 是重力加速度。

（3）桿柱損耗功率。有桿泵作業(yè)時，由于其產(chǎn)量不是一個穩(wěn)定的值，導致靜載荷上升，功率消耗加大。

式中，Wr是桿柱損耗功率，kW；fr是桿截面積，m2；ρs是抽油桿密度，kg/m3；L 是抽油桿長，m。

粘滯消耗的功率和沖次和沖程的平方呈正相關，與滑動消耗的功率相同。由于井下相關的參數(shù)包括桿截面積和沖次，因此，優(yōu)化時應該將目標產(chǎn)液量作為條件，先降低沖次，然后再使抽油機井參數(shù)與目標值相符合。

1.3 電機損失能量

抽油機工作過程中，電機產(chǎn)生動力，因為其特殊的要求，必須實現(xiàn)拖動裝置符合最大條件，也就是最大沖程、最大沖次、最大允許掛重。另外，對于克服啟動時靜態(tài)的不平衡問題，要有較高的堵轉轉矩。因此，在分析后進行設計時，初步設定的容量裕度值較高。作業(yè)的環(huán)境下，由于受到交變載荷的影響，在啟動時所消耗的功率為普通的3～5 倍，該特點的影響導致抽油機井只能采用負載率低的電機。

在額定負荷下工作時，電機運轉處在功率消耗最低的范圍，但實際工作與理想情況不同，通常是輕載運行。

臨界負荷率βa是指效率即點a 對應的負荷率。當βa＜β，其效率變化沒有較大的波動，然而，在負荷率小于0.7 時，功率因數(shù)下降非常明顯，圖2是效率和功率因數(shù)隨負荷率變化曲線。

圖2 效率和功率因數(shù)隨負荷率變化曲線

電機節(jié)能技術在油田使用中主要從3 個方面實施：①高轉差或者超高轉差電機，對電機的機械特性進行改變，使抽油機和電機能夠很好地匹配；②采用變頻類控制裝置，改變電機的機械特性進而改善舉升系統(tǒng)效率；③雙功率或者三功率電機，提升電機的功率因數(shù)和負荷率，以達到節(jié)能的目的。

2 抽油機多功能調(diào)速裝置的應用

2.1 技術原理

抽油機多功能調(diào)速裝置包括變頻器、傳感器等。傳感器識別上下沖程的位置信號，將識別信息傳遞到分析儀進行信號整理后傳遞到變頻器；變頻器接受信號后，控制電機轉速不停機調(diào)整等功能。

2.1.1 沖次精細調(diào)整

配套使用的電機為感應式電機，由電機的級數(shù)和頻率決定感應交流電機的旋轉速度。電機的極數(shù)值是2 的倍數(shù)，且是動態(tài)的固定值，因此，通常采用改變供電頻率的方式改變電機的轉速。和采用改變級數(shù)的方式不同，當電機通電后，其頻率作為一個電信號，頻率調(diào)節(jié)后使電機按需要調(diào)節(jié)轉速。

電機轉速調(diào)整的基本原理：

式中，p 表示同步轉速，r/min；f1是電機匹配的定子供電電源頻率，Hz；p 是電機運行過程中的磁極對數(shù)。

式中，n 是異步電機轉速，r/min；s 是異步電機轉差率。

從式（5）可以看出，n1和n 存在一個滑差關系。若需要完成電機的調(diào)速功能，則需要將p、s、f1的值進行相應的調(diào)整，改變頻率進而實現(xiàn)異步電機轉速控制的措施為頻率的調(diào)整與修改。

2.1.2 實現(xiàn)上快下慢運行模式

實際工作過程中，采油油井通過設置電流平衡度、累計電量、在線時實監(jiān)測抽油機的電參數(shù)、抽油機多功能調(diào)速裝置運行模式（表1）等，在進行相應的計算后，對位于曲柄總承和減速箱輸出軸之間的傳輸感應設備進行監(jiān)測，分析抽油機在工作過程中的上下沖程位置，發(fā)出相應的信號，將開關信號傳輸給分析儀，從而對抽油機在工作環(huán)境下，對沖程頻率開始監(jiān)測，能夠有效地在上下沖程位置之間穩(wěn)定進行，最終達到在不停機的情況下，能夠對其進行不間斷調(diào)節(jié)，達到工作要求。抽油機井在工作周期內(nèi)實現(xiàn)上快下慢的方式，能夠有效提高泵效和充滿度。

表1 抽油機多功能調(diào)速裝置運行模式

2.1.3 實現(xiàn)功率隨動運行模式

抽油機帶負載時，電機負載監(jiān)測電路通過節(jié)能處理，CPU 根據(jù)負載下的抽油機進行計算，通過模糊控制器將所需要的相關數(shù)據(jù)分析整理，將整理后的數(shù)據(jù)傳送給功率調(diào)節(jié)器、節(jié)能模塊修復后，改善PWM 驅動模塊，對調(diào)節(jié)電機的供給電壓進行跟蹤后，降低電機工作過程中銅和鐵的損耗，使得電機處于功率因數(shù)較高、高效和經(jīng)濟的情況下工作。此外，對該設備采用多個監(jiān)測裝置進行實時監(jiān)控，使抽油機能夠一直保持高效、穩(wěn)定的工作環(huán)境。

2.2 應用效果

在現(xiàn)有的使用環(huán)境中，抽油機多功能調(diào)速裝置的應用，使該種類型的抽油機能夠很好地解決調(diào)參困難、啟動困難等問題。變頻控制電機技術在相關作業(yè)區(qū)域應用后，年創(chuàng)經(jīng)濟效益1602.76萬元，年節(jié)電2516.1×104kW·h。

2.2.1 沖次任意調(diào)節(jié)

抽油機多功能調(diào)速裝置采用的電機型號為YCHD250-8/6，其頻率為30 Hz 時，運行平穩(wěn)沖次為3.14 次/min，頻率為40 Hz時，運行平穩(wěn)沖次為5.31 次/min，頻率為50 Hz 時，運行平穩(wěn)沖次為6.34 次/min，節(jié)電率達到7.86%。

2.2.2 提高功率因數(shù)

對10 口老井、更新井連續(xù)監(jiān)測10 d 生產(chǎn)動態(tài)參數(shù)和電參數(shù)，對比多功能調(diào)速裝置安裝前的數(shù)據(jù)，測得的功率因數(shù)由0.46提高到0.97，無功功率由12.22 kVar 下降至1.20 kVar。

2.2.3 抽油桿受力狀況得到改善

抽油桿作業(yè)時，沖次對其造成的影響需要重點關注。優(yōu)化抽油桿受力的方式有很多種，比如：通過變頻器對沖次做出調(diào)整、采用上快下慢或者是下快上慢措施。在研究中選擇12 口井進行分析，連續(xù)記錄10 d 運行過程總的工頻和變頻，數(shù)據(jù)分析顯示，抽油桿受力狀態(tài)明顯得到改善。

2.2.4 提高系統(tǒng)效率

油井作業(yè)時，在泵的充滿程度提升的情況下，井下的驅動效率也會增加，從而有效地使四連桿機構耗能減小，大幅提高了工作過程中的系統(tǒng)效率。

2.2.5 減少負功影響

為了減少出現(xiàn)負功的現(xiàn)象，應用自動調(diào)節(jié)的方式進行針對性的解決，相比之前的電機無功損耗，該措施能夠明顯減小這一損耗，使得電機一直保持高倍功率因數(shù)、高效的情況下工作。

2.6 熱洗清蠟效果提高

在對抽油機井進行熱洗時，可以通過變頻器實現(xiàn)沖次調(diào)大，使得含水恢復期減短，理論排量在短時間內(nèi)提升，從而減少對產(chǎn)油量的負面影響。

3 結語

（1）采用變頻器的方式實現(xiàn)無極調(diào)速，符合抽油機井地面井下的參數(shù)精準優(yōu)化。

（2）該設備段速使用6+1 形式，可以在6 中段速中任意選擇一種形式，1 種恒速的選擇，方便對沖次調(diào)參的穩(wěn)定性。

（3）在一個沖程周期中，抽油機井工作過程中實現(xiàn)變速運行和變頻調(diào)速，并且實現(xiàn)泵充滿程度的有效增加，從而進一步降低桿管偏磨的頻率。

（4）采用非節(jié)能電機節(jié)能技術，相比傳統(tǒng)方式，能夠有效使用現(xiàn)有的設備資源。