劉玉國 楊利萍 彭振華 曹暢 丁保東

（1.中國石油化工集團公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點實驗室；2.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司）

塔河油田埋藏深度達5 300~7 000 m，油藏流體性質(zhì)變化大，原油從凝析油、輕質(zhì)油到重質(zhì)油、超重質(zhì)油均有分布，稠油井主要采用摻稀生產(chǎn)[1-2]。塔河油田主要采用抽油機生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)[3-4]，現(xiàn)有抽油機井1 400 余口，綜合含水率56.3%，平均動液面744 m。根據(jù)SY/T 5264—2012《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》[5]，實測的抽油機井地面效率為65.6%，系統(tǒng)效率平均為28.6%，均較低。

由于抽油機井占比高，其能耗直接決定了油田的耗能水平。系統(tǒng)效率分為地面效率與井下效率[6]，目前抽油機井系統(tǒng)效率與中石化平均水平尚有差距。通過分析塔河油田抽油機的能耗狀況，重點研究其地面效率提升方法，對于提升塔河油田抽油機井的系統(tǒng)效率水平具有重要意義。

1 運行現(xiàn)狀與問題分析

塔河油田機采主要以游梁機-有桿泵、抽稠泵為主，為滿足深抽長沖程、低沖次需要，抽油機以14 型節(jié)能游梁式抽油機為主[7]，抽油桿全部采用了H 級超高強度抽油桿，應(yīng)用的抽油泵包括管式泵和液力反饋泵。

1.1 運行現(xiàn)狀

塔河油田機抽井應(yīng)用最廣泛的是CYJQ14-5-73HY型抽油機(含Ⅱ），共738 口，占比67.5%；其次是CYJ16-5.5-89HPF 型抽油機，共115 口井；其他型號抽油機僅是小范圍的試驗。其中，大沖程抽油機系統(tǒng)效率相對較高，但主力機型CYJQ14-5-73HY（含Ⅱ） 平均地面效率53.3%、系統(tǒng)效率15.76%，明顯較低，且低效井比例大，因此主力機型低效井的治理是降低抽油機能耗的關(guān)鍵。

1.2 地面效率測試分析

對1 094 井次開展了系統(tǒng)效率測試，近3 a 不同電動機負(fù)載率下的抽油機效率平均值匯總見表1。其中，電動機負(fù)載率是指抽油機電動機實際（實測）輸入功率與電動機額定功率之比。

表1 近3 a 不同電動機負(fù)載率下的抽油機效率平均值匯總Tab.1 Summary of pumping unit efficiency averages at different motor load rates in recent three years

以上統(tǒng)計表明：抽油機地面效率、系統(tǒng)效率、功率因數(shù)均與電動機負(fù)載率密切相關(guān)。隨著電動機負(fù)載率的降低，抽油機地面效率等指標(biāo)明顯降低，因此提高電動機負(fù)載率對于提升抽油機效率、系統(tǒng)效率、節(jié)能等將有明顯效果。

1.3 能效影響因素分析

影響抽油機能效的因素主要包括皮帶傳動、減速箱、四連桿和電動機四個部分[8]。據(jù)統(tǒng)計，一般各節(jié)點能耗損失占整體損耗的比例：電動機損耗約占8%～30%，皮帶損耗約占2%～10%，四連桿機構(gòu)損耗約占5%，減速箱損耗約占10%～15%。其中主要影響因素是電動機效率，次要影響因素是皮帶傳動效率、減速箱效率、四連桿機構(gòu)效率及管理水平（如平衡度的檢查與調(diào)節(jié)）等[9-10]。由于系統(tǒng)效率測試時并未單獨對皮帶傳動、減速箱、四連桿機構(gòu)的效率進行測試，同時皮帶傳動效率、減速箱效率、四連桿機構(gòu)效率的提升空間較小，因此抽油機效能（地面效率）適宜用電動機效能進行表征。由于電動機效能與電動機負(fù)載率密切相關(guān)，因此以電動機負(fù)載率為主要研究對像對抽油機效能進行分析。

1.4 抽油機運行中存在的主要問題

1）抽油機配置偏大，空載消耗大。原油埋藏深，為滿足地層能量下降后的深抽需要，抽油機主要為大型抽油機，配置的電動機功率較大。但油田實際開發(fā)過程中，注采關(guān)系的不斷變化導(dǎo)致原有配置的機型、電動機配置偏大，空載消耗大，地面效率與系統(tǒng)效率低。

2）電動機負(fù)載率低。由于電動機額定功率偏大，載荷過低，造成電動機運行效率較低。在使用過程中普遍存在電動機無功功率高、功率因數(shù)低、平衡度差、啟動扭矩大、“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重等諸多問題。

3） 抽油機的平衡度低。當(dāng)抽油機不平衡時，上沖程中電動機承受著極大的負(fù)荷，下沖程中抽油機反而帶著電動機運轉(zhuǎn)，從而造成功率的浪費，增加能源的消耗。塔河油田以大型抽油機為主，泵掛深度大，載荷大，抽油機不平衡問題更為突出。

2 效能提升潛力與方案

2.1 提升潛力

1）抽油機地面效能理論值。游梁式抽油機效能由電動機、皮帶傳動、減速箱和四連桿機構(gòu)的效率決定。根據(jù)以上分項構(gòu)成，運行良好的抽油機效能約55%~74%左右。

2） 塔河油田抽油機效能目標(biāo)值與提升潛力。根據(jù)塔河油田抽油機地面效率測試基本數(shù)據(jù)，統(tǒng)計電動機負(fù)載率大于或等于35%的井平均地面效率為69.91%，結(jié)合節(jié)能監(jiān)測規(guī)范，推薦塔河油田抽油機井效能目標(biāo)值為70%。

因此，塔河油田抽油機效能的提升，應(yīng)重點針對電動機負(fù)載率小于25%的井，此類井占比較大。尤其是電動機負(fù)載率小于20%的井，其提升潛力可達6%以上；電動機負(fù)載率小于10%的井，其提升潛力可達10%以上，是塔河油田抽油機效能提升的重點井。

2.2 地面效能主要提升方案

1）實測系統(tǒng)效率并分析電動機負(fù)載率，篩選電動機負(fù)載率低于25%、地面效率低于60%的井作為主要目標(biāo)井。

2） 更換電動機、換小抽油機或改變電源接法，解決抽油機選型過大的問題。其中，電源由三角形接法改為星形接法后，電動機降壓運行（-5%左右）能夠節(jié)電并提高電動機效率。該方案不消耗功率，節(jié)電效果明顯，在塔河油田的完全可對比井中，地面效率分別提高8.3%和9.6%。

3） 推廣使用節(jié)能型抽油機（如皮帶式抽油機、直線電動機抽油機）、節(jié)能控制柜（姿態(tài)控制器、四功能控制箱、變頻控制柜）等設(shè)備。

3 抽油機智能姿態(tài)控制增效系統(tǒng)研制

3.1 工作原理

抽油機電動機姿態(tài)控制器包括主回路、信號檢測、信號處理、位置檢測電路以及逆變電路等部分。其矢量控制的基本思想是在交流電動機上模擬直流電動機轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律，在磁場定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成產(chǎn)生磁場的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩分量互相垂直、彼此獨立，然后分別進行調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)矩方程如式（1）所示：

式中：Td為轉(zhuǎn)矩N?m；p為電動機的極對數(shù)，兩極為一對，四極為兩對，如此類推；ψr為轉(zhuǎn)子磁鋼在定子上的耦合磁鏈，Wb；Ld為電動機的軸d主電感，H；Lq為電動機的軸q主電感，H；id為定子電流矢量的d軸分量，A；iq為定子電流矢量的q軸分量，A。

由式（1）可見，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩基本上取決于定子軸電流d-q軸分量。抽油機矢量控制算法中考慮整體的效率，將每個沖程分段控制并進行反饋優(yōu)化。將抽油機每個沖次的運行分為10 個時間段，通過控制軟件，可設(shè)置驢頭上（下） 行速度、上（下）行加減速時間、止點附近低速運行時間、上（下） 行時間等參數(shù)。以實時計算懸點位置，綜合外部輸入的光桿每個沖次的基準(zhǔn)信號，自動計算出驢頭運行的上下止點，作為變速運行的依據(jù)，從而自動控制驢頭上下止點附近平穩(wěn)的加、減速及低速運行，進而減少沖程損失，提高泵效，減小抽油桿沖擊載荷。抽油機姿態(tài)控制增效系統(tǒng)工作原理見圖1。

圖1 抽油機姿態(tài)控制增效系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of attitude control and efficiency system of pumping unit

通過系統(tǒng)軟件自動計算出驢頭運行的上下止點，作為變速運行的依據(jù)。根據(jù)油井生產(chǎn)需要，實現(xiàn)抽油機運行過程中全程變速運行。在上下止點段內(nèi)，抽油機懸點在上下止點附近時自動調(diào)節(jié)電動機低速(V1，V3)運行，減小懸點的超前量，盡力使柱塞與驢頭同步運行，從而減少沖程損失，增加有效沖程及減少抽油桿的沖擊載荷或拉伸載荷，提高泵效，減少桿管的偏磨、斷脫現(xiàn)象。在上下行過程中電動機緩慢加速（ΔV1，ΔV3）或減速(ΔV2，ΔV4)，平穩(wěn)時高速(V2，V4)運行，達到驢頭和抽油泵活塞同步的目的。

3.2 主要功能

抽油機姿態(tài)控制系統(tǒng)包括電動機姿態(tài)控制器、電動機旋轉(zhuǎn)編碼器及傳動比定位校正傳感器三部分，通過軟件控制系統(tǒng)，實現(xiàn)信號的自動接收、處理以及運行姿態(tài)的自動調(diào)節(jié)。抽油機節(jié)能增效系統(tǒng)集成見圖2。

圖2 抽油機節(jié)能增效系統(tǒng)集成Fig.2 Energy conservation and efficiency enhancement system of pumping unit

姿態(tài)實控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對異步/同步電動機的速度、位置、電流、扭矩、電壓等電參數(shù)獨立的閉環(huán)控制，從而自動調(diào)節(jié)抽油機懸點在上下止點附近低速運行，其他行程中高速運行，減少沖程損失及抽油桿的沖擊載荷；根據(jù)油井供液能力及示功圖的變化，優(yōu)化工作沖次，使泵保持合理的沉沒度，避免空抽現(xiàn)象；通過控制軟件，按預(yù)設(shè)程序自動調(diào)節(jié)“峰-平-谷”不同時段的抽油沖次，在供采匹配、節(jié)能降耗的同時，提高經(jīng)濟效益；改變傳統(tǒng)的依靠調(diào)節(jié)皮帶輪調(diào)沖次的方法，降低勞動強度；安裝簡單，無需更換原異步電動機，不需改造機械結(jié)構(gòu)。

同時該系統(tǒng)還具有電子剎車、通訊和平穩(wěn)低速啟動等輔助功能。通過電子剎車功能，可讓驢頭極方便地停在任意位置，便于示功圖測試、抽油機檢查等工作；其通訊功能兼容現(xiàn)有的數(shù)字化油田通訊，能夠快速傳遞信息，及時了解抽油井工況；低速啟動，大力矩運轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，皮帶所受力矩更均勻，有效減少皮帶的抖動、打滑現(xiàn)象，提高皮帶傳動效率。

4 姿態(tài)控制器應(yīng)用效果

目前該控制器應(yīng)用3 口井，3 口井姿態(tài)控制器應(yīng)用前后主要參數(shù)對比見表2。應(yīng)用后懸點最大載荷降低3%~10%，載荷差降低10%~25%，電動機輸入功率降低20%~30%，節(jié)電20%以上。姿態(tài)控制器可以明顯降低上下沖程電流、懸點最大載荷與載荷差，從而降低電動機輸入功率4.1~6.8 kW，節(jié)電22%~36%，顯著提升抽油機效能。

表2 3 口井姿態(tài)控制器應(yīng)用前后主要參數(shù)對比Tab.2 Main parameters comparison of three wells before and after the application of the attitude controller

以S**-1 為例， 該井為三疊系井， 產(chǎn)層4 391~4 394 m，原油密度0.828 4 g/cm3，地面原油黏度6 mPa·s。2022 年7 月13 日18:30 停機更換姿態(tài)控制節(jié)能柜，23:00 啟抽計量。試驗采用44 mm管式抽油泵，泵掛2 000.02 m，沖程3.3 m，沖次3.2 min-1，動液面1 998.4 m，氣油比25。該井存在沉沒度很小、供液不足的情況，更換姿態(tài)控制節(jié)能柜前后的示功圖對比見圖3。使用前供液不足、氣體影響明顯，使用后供液不足及氣體影響基本消除。

5 結(jié)論

1）影響塔河油田抽油機井地面效率的主要因素是抽油機型號偏大及電動機負(fù)載率偏低，換小功率電動機、將電源從三角形接法改為星形接法、更換較小型號的抽油機均可有效提高抽油機效率。

2）抽油機姿態(tài)控制器可自動控制驢頭上下止點附近平穩(wěn)的加、減速及低速運行，減少沖程損失，提高泵效，減小抽油桿沖擊載荷。應(yīng)用表明，姿態(tài)控制器可顯著降低上下沖程電流，降低懸點最大載荷，減小上下沖程載荷差，從而減小電動機輸入功率，提升抽油機地面效率與系統(tǒng)效率。

3）塔河油田抽油機井效能目標(biāo)值為70%，電動機負(fù)載率低于25%井地面效率提升潛力4%～5%，電動機負(fù)載率低于20%井地面效率提升潛力6%～7%，電動機負(fù)載率低于10%井地面效率提升潛力10%以上。