游梁式抽油機(jī)柔性運(yùn)行節(jié)能技術(shù)應(yīng)用研究

劉京張勝林黃紅星

（1.中石油煤層氣有限責(zé)任公司忻州分公司；2.煤層氣國家工程研究中心）

煤層氣的開發(fā)具有初期生產(chǎn)投資大、中期生產(chǎn)周期長、運(yùn)行維護(hù)成本高等特點(diǎn)，在煤層氣的開采過程中尋求降低生產(chǎn)成本途徑，提升開發(fā)效益成為關(guān)鍵。目前，國內(nèi)煤層氣的開采主要是以三抽有桿泵為主，其中游梁式抽油機(jī)的應(yīng)用居多[1]，因而針對(duì)游梁式抽油機(jī)的柔性優(yōu)化節(jié)能技術(shù)成為降低煤層氣生產(chǎn)成本的一個(gè)重要途徑。

1 抽油機(jī)系統(tǒng)柔性運(yùn)行技術(shù)措施

抽油機(jī)系統(tǒng)柔性運(yùn)行是指當(dāng)抽油機(jī)在遇到負(fù)荷變化時(shí)，抽油機(jī)系統(tǒng)上的驅(qū)動(dòng)力大小變化過程平滑，抽油機(jī)曲柄扭矩、電流負(fù)荷及功率負(fù)荷波動(dòng)幅度相對(duì)較小，波動(dòng)均勻。抽油機(jī)系統(tǒng)的柔性運(yùn)行可以減輕傳動(dòng)齒輪撞擊強(qiáng)度和負(fù)荷波動(dòng)對(duì)動(dòng)力源的沖擊。從地面動(dòng)力源（發(fā)電機(jī)或變壓器）、抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)的利益角度來考慮，游梁式抽油機(jī)運(yùn)行方式越柔性越好。

當(dāng)前國內(nèi)具有柔性運(yùn)行特性的技術(shù)措施主要包括以下幾個(gè)方面：

1）采用柔性運(yùn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)備，例如：高轉(zhuǎn)差驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差隨負(fù)荷變化而變化的特性可增加抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的柔性。但由于依靠的是電動(dòng)機(jī)自身的特性，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差范圍有限，故依靠電動(dòng)機(jī)特性實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)系統(tǒng)的柔性運(yùn)行作用是有限的。另外，高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)差指標(biāo)越大，電動(dòng)機(jī)自身的熱負(fù)荷也越大，不利于節(jié)能，因此，不能對(duì)高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)的柔性效果有過高的要求。

2）配有變頻控制器的抽油機(jī)系統(tǒng)也具有一定的柔性運(yùn)行特性，而當(dāng)變頻控制器再配以過程控制、位置傳感等技術(shù)后，可以使抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行變得更加柔性，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

3）應(yīng)用節(jié)能型抽油機(jī)，例如：雙驢頭抽油機(jī)、下偏杠鈴復(fù)合平衡抽油機(jī)和彎游梁型抽油機(jī)等。節(jié)能型抽油機(jī)主要是通過改變抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，達(dá)到降低抽油機(jī)扭矩因數(shù)峰值、降低減速箱最大扭矩峰值、減小整機(jī)裝機(jī)功率的目的，并最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)柔性運(yùn)行的目標(biāo)。

2 煤層氣井抽油機(jī)系統(tǒng)柔性運(yùn)行技術(shù)應(yīng)用

目前，保德區(qū)塊在游梁式抽油機(jī)柔性優(yōu)化節(jié)能方面做了較多工作，如：大面積推廣應(yīng)用調(diào)徑變矩游梁式抽油機(jī)、變頻控制器和變頻電動(dòng)機(jī)，嘗試應(yīng)用長環(huán)型齒條抽油機(jī)。在優(yōu)選節(jié)能型排采設(shè)備的同時(shí)，也引入了先進(jìn)的Surf游梁式抽油機(jī)柔性優(yōu)化技術(shù)，并通過利用Surf柔性優(yōu)化技術(shù)及其裝置對(duì)常規(guī)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行了節(jié)能技術(shù)改造，取得了很好的節(jié)能效益。

2.1 調(diào)徑變矩游梁式抽油機(jī)和變頻控制器的應(yīng)用

截至2012年3月底，保德區(qū)塊在投產(chǎn)的128口排采井中，以中原5型調(diào)徑變矩游梁式抽油機(jī)（配套變頻控制柜及變頻電動(dòng)機(jī)）的應(yīng)用為主，占投產(chǎn)井的69%。該型抽油機(jī)在運(yùn)行過程中通過下偏的游梁對(duì)抽油機(jī)懸點(diǎn)上、下沖程時(shí)最大和最小載荷進(jìn)行有效平衡，平衡后的懸點(diǎn)載荷數(shù)值有所減小，并使作用到曲柄軸上的扭矩減小，扭矩曲線形態(tài)逼近正弦[2]，從而在一定程度上改善了抽油機(jī)的節(jié)能效果。在應(yīng)用該調(diào)徑變矩游梁式抽油機(jī)的同時(shí)，配備了變頻控制柜和變頻電動(dòng)機(jī)，增加了抽油機(jī)的柔性運(yùn)行效果，這使得抽油機(jī)整體節(jié)能效果較為明顯（表1）。

表1 常規(guī)游梁和調(diào)徑變矩游梁式抽油機(jī)節(jié)能效果對(duì)比

圖1 5型調(diào)徑變矩游梁式抽油機(jī)

從表1可以看出，配備變頻控制器的中原5型調(diào)徑變矩游梁式抽油機(jī)（圖1）節(jié)能效果明顯，相比常規(guī)游梁式抽油機(jī)日節(jié)電約135kWh，年節(jié)電約46710kWh（抽油機(jī)年運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)率按95%計(jì)算，為346天），而年生產(chǎn)成本約34098元（電價(jià)為0.73元/kWh），優(yōu)化節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益可觀。

2.2 常規(guī)游梁式抽油機(jī)的柔性節(jié)能技術(shù)改造

通過引進(jìn)和應(yīng)用Surf游梁式抽油機(jī)柔性優(yōu)化節(jié)能技術(shù)，對(duì)保德區(qū)塊2010年底投產(chǎn)的部分老井進(jìn)行了節(jié)能改造。Surf抽油機(jī)柔性優(yōu)化節(jié)能技術(shù)是在保證產(chǎn)液量的前提下，通過按需調(diào)控抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行全過程中的驅(qū)動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)力，最大限度地降低游梁式抽油機(jī)全系統(tǒng)的無效運(yùn)行成分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備與井下桿管設(shè)備單產(chǎn)損耗率最小、單產(chǎn)能耗最小和泵效損失最小的綜合性降損節(jié)能技術(shù)[3]。目前，該技術(shù)應(yīng)用在常規(guī)游梁式抽油機(jī)的節(jié)能改造中，取得了較好的柔性節(jié)能優(yōu)化效果。

2.2.1 常規(guī)游梁式抽油機(jī)優(yōu)化節(jié)能技術(shù)改造效果分析

通過在保1-1井組4口井應(yīng)用Surf柔性優(yōu)化節(jié)能技術(shù)裝置，發(fā)現(xiàn)該裝置對(duì)于常規(guī)游梁式抽油機(jī)的柔性優(yōu)化改造效果較好。

在應(yīng)用Surf裝置后，4口節(jié)能技術(shù)改造后的生產(chǎn)井節(jié)能效果明顯，其中保1-1向4井在Surf狀態(tài)下日耗電為97kWh，節(jié)電110kWh，節(jié)能率達(dá)到53.1%。在節(jié)能的同時(shí)，4口井系統(tǒng)效率大幅提高，整體平均提高系統(tǒng)效率72.28個(gè)百分點(diǎn)；功率因數(shù)由改造前單井最高0.62提高到改造后的單井最低0.97（表2）。由此可見，使用Surf柔性優(yōu)化技術(shù)改造后的常規(guī)抽油機(jī)，系統(tǒng)效率大幅提高，系統(tǒng)損耗大幅降低，表現(xiàn)出較好的節(jié)能效果。

表2 保1-1井組節(jié)能技術(shù)改造前后能耗及系統(tǒng)效率對(duì)比（綜合電量表測試數(shù)據(jù)）

使用Surf裝置后，4口井峰值電流、峰值功率均有大幅度降低（表3）。4口井峰值電流平均降低23.9A，降幅61.3%，峰值功率平均降低13.0kW，降幅57.3%；同時(shí)4口井啟機(jī)電流由小到大變化較為平穩(wěn)（表4），實(shí)現(xiàn)了常規(guī)游梁式抽油機(jī)的柔性啟動(dòng)、柔性運(yùn)行，減少了電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性硬對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)的不利影響，降低了抽油機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械受力與損耗，達(dá)到了優(yōu)化改造的目的。

表3 保1-1井組4口井節(jié)能技術(shù)改造后峰值情況

2.2.2 抽油機(jī)柔性優(yōu)化節(jié)能效益分析

保1-1向4井在使用Surf柔性優(yōu)化節(jié)能裝置后，單井日節(jié)電110kWh，按照抽油機(jī)時(shí)率95%，即單臺(tái)抽油機(jī)井年生產(chǎn)346天計(jì)算，年可節(jié)電約38060kWh，以電價(jià)為0.73元/kWh計(jì)算，單井年可節(jié)約電費(fèi)27784元。目前，單井安裝該裝置總費(fèi)用為4.5萬元，粗略估算投資回收期約為1.6年（未考慮在柔性優(yōu)化運(yùn)行情況下，Surf柔性優(yōu)化裝置在減少地面舉升裝置及井下管桿泵的機(jī)械損耗、延長使用壽命、延長檢修期、減少材料及維修等方面的費(fèi)用）。

表4 保1-1井組4口井節(jié)能技術(shù)改造后起機(jī)電流變化情況

調(diào)徑變矩游梁式抽油機(jī)使用Surf柔性優(yōu)化裝置并配備高級(jí)數(shù)、低轉(zhuǎn)速異步電動(dòng)機(jī)，則需再增加電動(dòng)機(jī)投入成本約5000元，即Surf柔性優(yōu)化裝置及其配套電動(dòng)機(jī)共計(jì)5萬元，而現(xiàn)調(diào)徑變矩游梁式抽油機(jī)使用的11kW變頻電動(dòng)機(jī)及其配套控制柜價(jià)格分別為4860元和15860元，合計(jì)20720元；因此，若使用Surf柔性優(yōu)化裝置及高級(jí)數(shù)、低轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)則需多投入資金29280元。由于目前并未對(duì)變頻控制器及配套電動(dòng)機(jī)與Surf柔性優(yōu)化裝置及其配套電動(dòng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能對(duì)比，因此，僅以Surf柔性優(yōu)化技術(shù)專家預(yù)計(jì)的10%節(jié)能效果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估。以保1井組單井平均日耗電72kWh為準(zhǔn)，并按預(yù)計(jì)的10%節(jié)能效果計(jì)算，則安裝Surf柔性優(yōu)化節(jié)能裝置及其配套電動(dòng)機(jī)后，單井日耗電大約為64.8kWh，相比變頻控制器及配套電動(dòng)機(jī)，年可節(jié)電約2491 kWh，按電價(jià)為0.73元/kWh計(jì)算，則年可節(jié)省電費(fèi)約為1818元，粗略估計(jì)投資回收期約為16年（未考慮柔性優(yōu)化運(yùn)行情況下，Surf柔性優(yōu)化裝置在減少地面舉升裝置及井下管桿泵的機(jī)械損耗、延長使用壽命、延長檢修期、減少材料及維修等費(fèi)用）。因此，僅在考慮經(jīng)濟(jì)效益的情況下，使用Surf柔性優(yōu)化節(jié)能裝置替代變頻控制器是不夠經(jīng)濟(jì)的。

3 抽油機(jī)柔性優(yōu)化節(jié)能的認(rèn)識(shí)

通過對(duì)目前國內(nèi)油田柔性運(yùn)行節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用調(diào)研，并結(jié)合保德區(qū)塊煤層氣井游梁式抽油機(jī)節(jié)能實(shí)踐，認(rèn)為保德地區(qū)煤層氣井的柔性優(yōu)化節(jié)能應(yīng)從以下幾方面著手：

◇在抽油機(jī)的選型上，應(yīng)更多地采用新型、節(jié)能型抽油機(jī)，降低裝機(jī)功率，提高系統(tǒng)效率；

◇盡可能地采用變頻控制柜及變頻電動(dòng)機(jī)等優(yōu)化節(jié)能裝置，減小抽油機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)交變載荷對(duì)發(fā)電機(jī)的沖擊，達(dá)到平穩(wěn)啟動(dòng)和節(jié)能的目的；

◇抽油機(jī)平衡度的調(diào)整和平衡方式對(duì)于抽油機(jī)系統(tǒng)柔性優(yōu)化節(jié)能具有重要的影響，因此，需及時(shí)調(diào)節(jié)抽油機(jī)平衡度，保證抽油機(jī)在運(yùn)作時(shí)滿足平衡要求。

4 結(jié)論

1）增加抽油機(jī)系統(tǒng)的柔性能夠延長抽油機(jī)齒輪箱的使用周期，降低抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)曲柄箱扭矩峰值，并減少對(duì)發(fā)電機(jī)及變壓器的沖擊，同時(shí)能夠降低抽油機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)裝置的匹配指標(biāo)。

2）結(jié)合保德區(qū)塊煤層氣井的開發(fā)特點(diǎn)，并從保德地區(qū)目前應(yīng)用的調(diào)徑變矩游梁式抽油機(jī)及配套變頻控制柜的優(yōu)化節(jié)能情況來看，該機(jī)及其配套變頻控制柜整體系統(tǒng)柔性優(yōu)化節(jié)能效果明顯，適合該地區(qū)煤層氣的開發(fā)應(yīng)用。

3）應(yīng)用Surf抽油機(jī)柔性優(yōu)化運(yùn)行控制技術(shù)及裝置對(duì)保德區(qū)塊常規(guī)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化節(jié)能改造，具有可觀的節(jié)能效益。

4）抽油機(jī)平衡度的調(diào)整和平衡方式對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能具有重要影響。

[1]卞和滿,齊耀光.煤層氣有桿泵排采設(shè)備的一種選型方法[J].內(nèi)蒙古石油化工,2012（24）：47-49.

[2]王志堅(jiān),倪國軍.常規(guī)游梁式抽油機(jī)節(jié)能改造的生產(chǎn)實(shí)踐和探討[J].石油礦場機(jī)械,2005,34（5）：101-104.

[3]魏延富,陳祥光,孫大奎,等.Surf抽油機(jī)運(yùn)行優(yōu)化控制技術(shù)節(jié)能測試研究[J].石油石化節(jié)能,2012(1)：4-5.