探討抽油機(jī)采油系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

趙南京等

摘 要：抽油機(jī)作為一種廣泛應(yīng)用的原油生產(chǎn)工具，在運(yùn)作過程中耗電量極大。因此，如何保證抽油機(jī)采油系統(tǒng)在運(yùn)作時(shí)低能高效逐漸成為了人們關(guān)注的目標(biāo)。本文結(jié)合抽油機(jī)的實(shí)際應(yīng)用情況，探討一下節(jié)能技術(shù)在抽油機(jī)采油系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對(duì)研發(fā)出的新型節(jié)能設(shè)備做簡(jiǎn)單介紹。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)；節(jié)能技術(shù)；研發(fā)；應(yīng)用

前言

機(jī)采石油主要分為電泵、螺桿泵和抽油機(jī)三種采油方式。其中有七成以上的采油井采用抽油機(jī)來進(jìn)行采油作業(yè)，而這些抽油機(jī)的耗電量可以達(dá)到油田耗電總量的40%，耗能巨大。隨著石油開采的高消耗在得到人們的廣泛關(guān)注以后，對(duì)抽油機(jī)采油系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究也成為了當(dāng)前石油開采項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容之一。許多先進(jìn)的抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)逐漸被研發(fā)并投入到使用當(dāng)中，也取得了一些技術(shù)成果。

1.抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究

抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵是保證機(jī)器在工作過程中采出液可以始終保持供采平衡，同時(shí)保證電機(jī)輸出的功率可以和抽油機(jī)的負(fù)荷比配。據(jù)此，對(duì)于抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究主要圍繞兩個(gè)方案進(jìn)行，分別是變頻調(diào)速確保節(jié)能控制自動(dòng)化和通過機(jī)械調(diào)節(jié)方式確保節(jié)能控制。

首先是變頻調(diào)速確保節(jié)能控制自動(dòng)化方案。由于使用過程中的抽油機(jī)不便于結(jié)構(gòu)改造，因此選擇在采油系統(tǒng)中安裝節(jié)能控制箱來確保節(jié)能開采的實(shí)現(xiàn)。這種控制器主要通過采集井下葉面值、輸出功率和電機(jī)轉(zhuǎn)矩等實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，其中這三個(gè)數(shù)值分別為外環(huán)、中環(huán)和內(nèi)環(huán)。外環(huán)控制系統(tǒng)控制井下液面，可以從宏觀上調(diào)控油井的工作間隙和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平均速度，這種控制以小時(shí)來進(jìn)行計(jì)算。中環(huán)控制系統(tǒng)控制輸出功率，按分鐘計(jì)算來進(jìn)行控制，以保證泵體的充滿。最后，內(nèi)環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，以秒計(jì)算，保證抽油桿可以合理受力，同時(shí)確保驅(qū)動(dòng)電源的電壓不會(huì)過高。在這種節(jié)能技術(shù)的研發(fā)過程中，智能控制單元的設(shè)計(jì)成為技術(shù)難點(diǎn)。想要解決這一問題，首先需要研發(fā)適合的系統(tǒng)軟件，同時(shí)還需要有豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并通過現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)才有可能突破。

其次是通過機(jī)械調(diào)節(jié)方式確保節(jié)能控制的方案。這種調(diào)節(jié)方式一種是根據(jù)力學(xué)原理等一些理論知識(shí)，對(duì)現(xiàn)有的抽油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化和改良，以減少它在使用過程中能源的耗損，這一點(diǎn)在下文以游梁式抽油機(jī)為例來說明。另一種是采用無級(jí)變速器以智能的方式達(dá)到節(jié)能控制，傳統(tǒng)的抽油機(jī)它的工作始終按照設(shè)定參數(shù)來進(jìn)行，而這種智能控制方式可以根據(jù)交變載荷和電機(jī)功率的變化，讓抽油機(jī)可以根據(jù)實(shí)際情況來作工作參數(shù)的調(diào)節(jié)，從而降低抽油機(jī)在使用過程中的能源消耗。

2.抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

游梁式抽油機(jī)是現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的油田抽油機(jī)，也是油田中最主要的電能消耗設(shè)備，這種抽油機(jī)能量消耗高主要是由交流電機(jī)的內(nèi)在特性所決定的，當(dāng)抽油機(jī)運(yùn)作時(shí)，短時(shí)間內(nèi)懸點(diǎn)的負(fù)荷就會(huì)增大，電機(jī)的實(shí)際功率跟蹤會(huì)加快，導(dǎo)致抽油機(jī)實(shí)際的出力多，但并沒有完全用作舉升，而是在機(jī)械的內(nèi)應(yīng)力中被消耗。此外，當(dāng)油田下的供液能力有變化時(shí)，抽油機(jī)還按照原有參數(shù)來工作也是這種抽油機(jī)耗能高的原因之一。因此，對(duì)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化主要從一下三個(gè)方面著手。首先，改變傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)的機(jī)體機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制造出新型機(jī)體。其次，提高抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率。第三，改變傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的特性，將機(jī)械化改造成節(jié)能化，以保證它與負(fù)荷特性的配合。

2.1節(jié)能抽油機(jī)的研發(fā)

在傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)的基礎(chǔ)之上，結(jié)合新型的節(jié)能技術(shù)研制出的一系列抽油機(jī)都有著比較明顯的節(jié)能效果。

雙頭驢游梁抽油機(jī)。這種抽油機(jī)有兩種樣式，其中前置型的雙驢頭抽油機(jī)可以有效的把扭矩的波動(dòng)降低，從而緩解因平衡問題所造成的傳統(tǒng)抽油機(jī)的過度耗能，其工作原理是將變矩技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的抽油機(jī)身上，讓懸掛平衡重與偏置平衡重共同為平衡起作用，從而解決傳統(tǒng)游梁抽油機(jī)的平衡問題，達(dá)到節(jié)能的目的。而另一種異形雙驢頭抽油機(jī)，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是把第二個(gè)驢頭安裝在了游梁的后臂上方，以驅(qū)動(dòng)繩代替連桿。這種設(shè)計(jì)方式使得游梁和連桿的連接變得柔性化，當(dāng)抽油機(jī)進(jìn)行工作的時(shí)候，曲柄轉(zhuǎn)角使游梁后臂長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而讓曲柄凈扭矩降低，最終達(dá)到降低耗能，提高機(jī)器效率的目的。

調(diào)徑變矩型抽油機(jī)。傳統(tǒng)游梁抽油機(jī)的游梁多是直梁，而這種節(jié)能抽油機(jī)的游梁則為彎游梁，它讓曲柄平衡成為了游梁平衡，組成彎游梁的吊臂的截面是一種漸變截面，上大下小，有效的減小了風(fēng)的阻力。同時(shí)，吊臂下端的平衡重可以調(diào)整下置的幅度，保證平衡效果，這些都有利于抽油機(jī)在才有過程中能源消耗的降低。

異相曲柄型抽油機(jī)。這種抽油機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)把游梁后臂長(zhǎng)度進(jìn)行了縮短。這相當(dāng)于把減速箱的位置后移，從而使得軸承中心到曲柄中心的水平距離和游梁后臂長(zhǎng)度差成為了曲柄的半徑值。這種抽油機(jī)在運(yùn)作時(shí)游梁和曲柄同在水平位置，偏置角為曲柄和平衡重兩者中心線的夾角。這種抽油機(jī)的節(jié)能原理是讓曲柄凈扭矩的波動(dòng)變小，從而使電動(dòng)機(jī)的電流波動(dòng)也變小，相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)效率就會(huì)得到提高，從而保證機(jī)器的節(jié)能操作。

2.2節(jié)能電動(dòng)機(jī)的使用

傳統(tǒng)游梁抽油機(jī)所使用的電動(dòng)機(jī)的性能和抽油機(jī)自身的負(fù)荷不相匹配，從而造成了設(shè)備工作效率低、耗能高，因此，想要節(jié)能降耗也可以采用先進(jìn)技術(shù)讓抽油系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)與抽油機(jī)負(fù)荷相匹配，基于這個(gè)目的所研發(fā)出來的電動(dòng)機(jī)充分考慮了設(shè)備的節(jié)能目的，在實(shí)際的應(yīng)用中都有較好的節(jié)能效果。

以雙定子電動(dòng)機(jī)為例。這種電動(dòng)機(jī)內(nèi)部設(shè)有雙定子，抽油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的開始階段需要的起動(dòng)力矩很大，兩部分的定子被串入到電動(dòng)機(jī)之后，可以有效的增加電動(dòng)機(jī)的輸出力矩。在保證機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)起來以后，可以切斷其中一部分定子，這樣既可以保證抽油機(jī)的正常運(yùn)行，同時(shí)也降低了能源的消耗。但是由于這類電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的成本較高，因此沒有得到廣泛的使用，還需要我們做進(jìn)一步的研究。

3.小結(jié)

綜上所述，對(duì)于抽油機(jī)采油系統(tǒng)的節(jié)能研究現(xiàn)階段已經(jīng)取得了一些成果。除了能通過合理的平衡保持降低耗能以外，還應(yīng)該加大其它方向的研究力度，特別對(duì)是智能化節(jié)能控制技術(shù)的研發(fā)，相信它將會(huì)是未來我國(guó)抽油機(jī)節(jié)能控制技術(shù)研究的最終方向，

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