基于降低機(jī)采單耗的抽油機(jī)柔性運行技術(shù)研究與應(yīng)用

于海山

（中國石油大慶油田第八采油廠，黑龍江 大慶 163514）

機(jī)采能耗一般占油田生產(chǎn)總能耗的40%～60%，抽油機(jī)井泵效低、能耗大一直是困擾油田生產(chǎn)單位的突出問題。近年來，油田生產(chǎn)中應(yīng)用了大量的各種類節(jié)能電機(jī)、節(jié)能控制柜等節(jié)能技術(shù)措施[1-5]，但這些技術(shù)措施沒有改變傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)運行狀況，沒有從根本上解決能耗高的問題。這是因為傳統(tǒng)的動力傳動過程中，電動機(jī)將其高速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)最終轉(zhuǎn)換成活塞上下往復(fù)運動，抽油出井。這種抽油機(jī)舉升運行過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎是恒定的，電機(jī)功率不停的變化，在抽油機(jī)上沖程過程中，平衡塊向下運動，幫助克服驢頭上的負(fù)荷，做功過多；但在下沖程過程中，電動機(jī)使平衡塊向上運動儲存能量時，電機(jī)多數(shù)在做負(fù)功。這和汽車在上陡坡時速度過高，下陡坡時踩剎車是一樣的道理，如果在上坡時低速，下坡時高速就能節(jié)約能源。因此，從根本上解決抽油機(jī)能耗高的部分，在不改變抽油機(jī)任何結(jié)構(gòu)的情況下，產(chǎn)生了衡功率柔性運行技術(shù)。該技術(shù)是一種“非勻速舉升邏輯技術(shù)”，通過系統(tǒng)優(yōu)化計算分析基礎(chǔ)上的電機(jī)變速驅(qū)動，改變了抽油機(jī)所固有的光桿速度模式，優(yōu)化了井下抽汲過程，彌補了四連桿機(jī)構(gòu)本性帶來的固有缺陷，在不對結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何改動的情況下，達(dá)到提高井下效率、確保系統(tǒng)按需運行、降低設(shè)備損耗率和機(jī)采單耗的綜合目的。

1 柔性運行技術(shù)原理

抽油機(jī)柔性運行技術(shù)的基本原理：通過電機(jī)和曲柄上的傳感器采集的電信號，分析懸點不同位置與電機(jī)負(fù)荷之間的關(guān)系，根據(jù)上下沖程負(fù)載的變化進(jìn)而制訂出懸點負(fù)荷與電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的運行方案，實時調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、輸出功率等，動態(tài)改變系統(tǒng)運行軌跡，充分利用系統(tǒng)慣性能，降低運行功率、電流和扭矩峰值，使驅(qū)動系統(tǒng)的能量輸出趨于均衡化。即在啟動過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速由0至所需轉(zhuǎn)速，消除了啟動電流和啟動功率峰值，電機(jī)平穩(wěn)啟動；運行過程中，其運算系統(tǒng)對采集到的電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中的角速度、角加速度信號與對應(yīng)的電信號（電流、有功功率）進(jìn)行運算，逐步完成其曲柄在不同轉(zhuǎn)角情況下電機(jī)速度與加速度的優(yōu)化，負(fù)荷大時低轉(zhuǎn)速實現(xiàn)大扭矩，負(fù)荷小時高轉(zhuǎn)速實現(xiàn)能量的儲備，保證運行過程中能量的合理分配，從而優(yōu)化了上下沖程速度，提高了泵效和系統(tǒng)效率，降低了機(jī)采單耗。主要包含以下四個方面的技術(shù)。

1.1 主動柔性運行控制技術(shù)

通過采集傳感器信號和電機(jī)的電信號，分析懸點不同位置與電機(jī)負(fù)荷之間的關(guān)系，進(jìn)而制訂出懸點負(fù)荷與電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的運行方案。該技術(shù)在形式上體現(xiàn)為主動變速驅(qū)動，負(fù)荷降低時允許適當(dāng)加大驅(qū)動速度并主動保持一定的驅(qū)動力的輸出，使機(jī)械系統(tǒng)吸儲一定的能量；負(fù)荷增大時主動抑制電機(jī)驅(qū)動力的輸出，借助減速過程中機(jī)械系統(tǒng)釋放的動能補償系統(tǒng)運轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動力，技術(shù)本身并沒有減少一周之內(nèi)總能量消耗，而是起到了“負(fù)荷分配器”的作用。主動柔性運行控制技術(shù)不能影響和改變抽油機(jī)的懸點負(fù)荷。

1.2 功率隨動驅(qū)動技術(shù)

功率隨動驅(qū)動技術(shù)由抽油機(jī)負(fù)荷功率再分布技術(shù)與額定功率隨動驅(qū)動技術(shù)兩部分組成：

1）抽油機(jī)系統(tǒng)運行過程的抽油機(jī)負(fù)荷功率再分布技術(shù)。主動柔性運行控制技術(shù)通過改變電機(jī)不同利用率下電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，實現(xiàn)曲柄運行速度、加速度的重新分布；電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的變化，使電機(jī)的輸出功率也隨之發(fā)生改變。速度重新分布的原則在于提升原本超低負(fù)荷率時段的負(fù)荷、降低原本過負(fù)荷時段的負(fù)荷，使電機(jī)在全周期都保持一定的負(fù)荷率范圍之內(nèi)。

2）驅(qū)動系統(tǒng)自身的額定功率隨動驅(qū)動技術(shù)。額定功率隨動驅(qū)動技術(shù)添加模糊過程電機(jī)驅(qū)動裝置，模糊過程電機(jī)驅(qū)動裝置與電機(jī)有機(jī)結(jié)合形成了新的驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)裝置具有與匹配電機(jī)所完全不同的負(fù)荷率—效率特性，基礎(chǔ)在于過程驅(qū)動器內(nèi)置的電磁驅(qū)動技術(shù)方法可實現(xiàn)按驅(qū)動輸出的需求供給電機(jī)能量，抑制無效能量消耗，使得驅(qū)動系統(tǒng)裝置在非常寬泛的電機(jī)負(fù)荷率范圍內(nèi)，都能處于較佳的效率狀態(tài)，客觀上基本等同于電機(jī)的額定功率跟隨實際負(fù)荷浮動。

1.3 井下工況與系統(tǒng)自身運行狀態(tài)識別診斷技術(shù)

1）井下工況與系統(tǒng)自身運行狀態(tài)識別診斷技術(shù)，采用對光桿的速度和曲柄軸的扭矩負(fù)荷進(jìn)行模式特征識別的方法，實現(xiàn)了對全系統(tǒng)運行工況的識別。

2）自適應(yīng)機(jī)制與方法。抽油機(jī)的運行工作制度直接影響和決定著井下流壓的穩(wěn)定、抽油泵充滿程度、懸點最大載荷和交變載荷三個要素，間接決定了驅(qū)動裝置的負(fù)荷峰值、地面系統(tǒng)的平衡率、井下液擊及其伴生的桿管間下行沖擊性偏磨的程度、無效抽汲的比重、機(jī)械的損耗效率以及能量消耗的有效率等因素。該技術(shù)實現(xiàn)了上下行程的時間比在0.5～2范圍內(nèi)無級設(shè)定。對于供大于采時，可起到自調(diào)參作用；對于供小于采液可避免液擊現(xiàn)象。

1.4 優(yōu)化變軌控制技術(shù)

優(yōu)化變軌是指通過循環(huán)內(nèi)變速驅(qū)動獲得所需的懸點速度軌跡。循環(huán)內(nèi)懸點速度大小分布規(guī)律的改變將直接影響柱塞的運動，不僅對泵的漏失率、下沖程中流體對柱塞的阻尼性頂托力產(chǎn)生顯著影響，同時也因桿柱與液柱的慣性力的改變而對桿柱的受力大小分布有著非常大的作用。

1）慣性作用抑制：通過控制柱塞起動后的加速過程，有效降低上行程初起階段桿液柱的慣性對桿柱最大負(fù)荷的影響。

2）氣影響抑制：通過控制上行全過程中的最大柱塞運行速度，控制泵筒空間的相對負(fù)壓，減小溶解氣的溢出條件。

3）下行偏磨抑制：通過控制下行全過程中的最大柱塞運行速度，控制液流通過游動凡爾時形成的壓頭差，可以使下沖程的動態(tài)偏磨減小。

4）漏失率抑制：通過縮短行程起點和終點的換向過渡時間，減少凡爾關(guān)閉過程中的液體漏失量。

2 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

大慶外圍油田一般具有井深（1 600 m）、油稠（40.3 mPa·s）、含蠟量高（24.8%）、等特征，同時油井產(chǎn)液量低（多＜3 t）、抽油機(jī)系統(tǒng)效率低（多＜10%）、噸液耗電高（103 kWh/t），機(jī)采系統(tǒng)能耗居高不下，節(jié)能形勢嚴(yán)峻。開展新的節(jié)能技術(shù)研究及應(yīng)用已經(jīng)成為油田節(jié)能降耗的重要內(nèi)容。

為客觀評價抽油機(jī)井柔性運行技術(shù)在生產(chǎn)運行中所起的作用，驗證不同工況條件下，設(shè)備運行狀態(tài)和能耗的變化情況，同時消除井因素帶來的影響，選取標(biāo)準(zhǔn)井開展了相同工況下前后對比測試試驗。

現(xiàn)場對比20口井，應(yīng)用柔性運行技術(shù)實現(xiàn)了日耗電降低30.7kWh的節(jié)能效果，有功節(jié)電率達(dá)到13.75%（表1）。

表1 20口井安裝前后效果對比Table 1 Effect contrast of 20 wells before and after installation

從表1的數(shù)據(jù)統(tǒng)計中可知，應(yīng)用該技術(shù)沖次變化不大，產(chǎn)液量略有上升，沉沒度略有下降，系統(tǒng)效率上升，日耗電下降。

2.1 功率、電流分析

抽油機(jī)啟動過程需要較大的啟動扭矩，從式（1）可以得出，正常情況下啟動時，電機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)，只能以大功率獲得大扭矩。而柔性啟動過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)由0開始逐漸升高，達(dá)到相同的扭矩時所需的功率較小，即柔性起動實現(xiàn)了以電機(jī)低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動獲得大扭矩啟動抽油機(jī)。

式中：M（φ）為扭矩；P（φ）為功率；ω（φ）為轉(zhuǎn)速。

圖1 A1井功率曲線Fig.1 Power curve of well A1

柔性運行過程中，抽油機(jī)工作頻率范圍為30～50 Hz，而且在工作過程中的工作頻率自始至終在有規(guī)律的變化，因而電機(jī)在重載情況下以較低的轉(zhuǎn)速運行，并以較低的功率提供較大的扭矩，在輕載情況下以較高的轉(zhuǎn)速運行，并提供較高的功率。如此工作，起到了削峰填谷的作用，電機(jī)功率基本衡定，同時消除了大部分過剩功和負(fù)功，使電機(jī)在較高的效率下工作。

功率對比曲線（圖1）與電流對比曲線（圖2）可以看出，柔性啟動避免了常規(guī)工頻啟動過程的啟動功率峰值和啟動電流峰值，并且啟動功率和啟動電流實現(xiàn)平穩(wěn)上升，進(jìn)而減少了電機(jī)損傷和啟動能耗。運行過程中，運行功率和運行電流均較工頻運行狀態(tài)要低且平穩(wěn)，因而運行能耗降低。

圖2 A1井電流曲線Fig.2 Current curve of well A1

2.2 不同沉沒度井的示功圖對比分析

1）沉沒度低于100 m井的應(yīng)用效果分析

沉沒度低于100 m的井共計2口，應(yīng)用該技術(shù)后沖次上升、沉沒度下降、日耗電下降、泵效提高、系統(tǒng)效率上升、功率因數(shù)提高。

2）沉沒度100～300 m井的應(yīng)用效果分析

沉沒度100～300 m的井共計應(yīng)用15口，對比結(jié)果表明，應(yīng)用該技術(shù)后整體效果與沉沒度低于100 m的井效果基本相同，但節(jié)電效果更好。

3）沉沒度高于300 m井的應(yīng)用效果分析

沉沒度高于300 m的井共計應(yīng)用3口，對比結(jié)果表明，應(yīng)用該技術(shù)后，不僅節(jié)電效果好，沉沒度下降幅度相對300 m以下沉沒度的井要大。

從上述對比數(shù)據(jù)可以得出，使用柔性運行技術(shù)后，沖次、產(chǎn)液量和沉沒度基本穩(wěn)定，日耗電下降、泵效上升、系統(tǒng)效率上升。

綜上所述，柔性運行技術(shù)實現(xiàn)了抽油機(jī)安全平穩(wěn)運行，通過四項主要技術(shù)實現(xiàn)了系統(tǒng)效率上升，日耗電降低，功率因數(shù)提高的成果，節(jié)能效果顯著。

3 技術(shù)的適應(yīng)性分析

通過11口井的現(xiàn)場運行情況得出，該技術(shù)實現(xiàn)了電機(jī)的變速旋轉(zhuǎn)和動能釋放，提高了整個系統(tǒng)的運行效率，是有益的，其主要表現(xiàn)在于降低了能耗峰值和平均能耗、提高抽油泵的充滿程度。

在現(xiàn)有認(rèn)識水平下，可得到的技術(shù)適應(yīng)性主要有以下三點：

1）對于電機(jī)功率利用率小于50%的井可直接應(yīng)用與電機(jī)額定功率相等容量的裝置，即可獲得較好的效果。當(dāng)功率利用高于40%時，該技術(shù)可通過放大設(shè)備容量應(yīng)用。該技術(shù)的運行過程是：首先進(jìn)行變頻啟動，完成啟動過程之后，其運算系統(tǒng)將對采集到的電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中的角速度、角加速度信號與對應(yīng)的電信號（電流、有功功率）進(jìn)行運算，逐步完成其曲柄在不同轉(zhuǎn)角情況下電機(jī)速度與加速度的優(yōu)化，從而進(jìn)入優(yōu)化運行狀態(tài)。在其優(yōu)化運行過程中，一旦發(fā)生超出其容量一定倍數(shù)（通常設(shè)定為1.25）的電信號（電流、功率）的時間達(dá)到一定時，系統(tǒng)自動進(jìn)行保護(hù)，使優(yōu)化運算過程自動終止。即其運算系統(tǒng)具有一定的學(xué)習(xí)功能，當(dāng)發(fā)生超出其容量一定倍數(shù)的電信號的時間達(dá)到一定時間，學(xué)習(xí)過程將被保護(hù)系統(tǒng)自動終止。通常情況下，電機(jī)的最大運行功率（電流）與電機(jī)的功率利用率密切相關(guān)。一般情況下，電機(jī)功率利用率越高，其最大的運行功率越高，有時可以達(dá)到平均功率的4～5倍，當(dāng)功率利用率達(dá)到50%以上時，峰值功率通常是平均功率5倍以上，遠(yuǎn)超出系統(tǒng)設(shè)定的保護(hù)倍數(shù)（1.25），此時系統(tǒng)將自動保護(hù)發(fā)生的幾率將明顯增大。通常情況下，遇到這種情況，可通過放大系統(tǒng)容量，避免發(fā)生上述情況，方可使學(xué)習(xí)過程得以延續(xù)，最終實現(xiàn)優(yōu)化運行。

2）該技術(shù)對抽油機(jī)的平衡狀況要求嚴(yán)格，平衡狀況越好，應(yīng)用效果越好。若平衡度不好，上下沖程負(fù)荷嚴(yán)重兩極分化導(dǎo)致電機(jī)基本運行在低效負(fù)荷率區(qū)，電機(jī)和齒輪箱的沖擊、疲勞與強(qiáng)度損失加重，控制運行下妨礙光桿速度過程優(yōu)化進(jìn)而影響桿柱受力與偏磨控制，制動能量加大、造成能耗浪費并影響驅(qū)動器的安全。

3）該技術(shù)對抽油機(jī)井的沉沒度無特殊要求。通過不同沉沒度井的示功圖對比分析得出，抽油機(jī)井的沉沒度對該技術(shù)沒有太大影響。

4 結(jié)論

1）柔性運行技術(shù)通過主動變速運動，實現(xiàn)了功率再分配，具有“削峰填谷”的作用。

2）通過主動調(diào)整抽油機(jī)上、下死點及運行過程中的線速度，實現(xiàn)了降低慣性負(fù)荷、提高抽油泵充滿程度。

3）柔性運行技術(shù)對抽油機(jī)沉沒度無限制，對平衡狀況要求嚴(yán)格。

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