抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置的應(yīng)用及效果

趙麗紅（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

游梁式抽油機(jī)在某油田某采油區(qū)塊運(yùn)行近40 年，作為有桿泵采油的主要舉升設(shè)備，通過應(yīng)用永磁電動機(jī)、高轉(zhuǎn)差電動機(jī)等，提高了節(jié)能效果，但仍然存在參數(shù)調(diào)整受限、節(jié)能潛力可挖潛、操作不便等問題，尤其是在上下沖程運(yùn)行速度沒有根據(jù)當(dāng)前桿管偏磨的實(shí)際問題，有針對性的改變。

通過把有桿泵作為一個完整的抽油系統(tǒng)綜合評價，對影響機(jī)械采油能耗的因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，選用了抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置，摸索參數(shù)組合方式，開展了現(xiàn)場試驗(yàn)。

1 機(jī)械采油能耗影響原因分析

“十三五”以來，依托于有桿泵舉升技術(shù)特點(diǎn)，把整個采油過程分為8 個節(jié)點(diǎn)，地面4 個節(jié)點(diǎn)、井下4個節(jié)點(diǎn)，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的特性有針對性的開展了技術(shù)優(yōu)化措施，地面以實(shí)施拖動裝置更新、改造措施為主，應(yīng)用皮實(shí)耐用、維護(hù)便利的節(jié)能設(shè)備，提高了驅(qū)動效率，在一定程度上提高了機(jī)采節(jié)能設(shè)備覆蓋率低、潛力不足的問題。但拖動裝置運(yùn)行速度仍屬于固定轉(zhuǎn)速，不能按需輸出，導(dǎo)致了系統(tǒng)效率仍然偏低，全區(qū)平均系統(tǒng)效率為31.07%[1]。

1.1 抽油機(jī)井能耗分析

由于抽油機(jī)井總能耗等于光桿功率與電網(wǎng)向舉升系統(tǒng)輸入電能之和，按抽油機(jī)井各節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)分析地面和井下的能耗分布狀況。對批量井能耗分布情況進(jìn)行了研究，利用油井功圖計算了抽油機(jī)井光桿功率，對抽油機(jī)井地面、井下能量消耗情況進(jìn)行統(tǒng)計，功圖載荷分析見圖1，井下能耗約占總能耗的60%~80%。

圖1 功圖載荷分析

1.2 抽油機(jī)井井下能耗影響因素分析

在有桿泵采油舉升過程中，消耗的能量等于用于舉升液體的有效能量和舉升過程損失能量。損失能量等于井下?lián)p失能量和地面損失能量。地面損失能量主要包括四連桿機(jī)構(gòu)摩阻損失能量和拖動裝置損失能量兩個部分，減少抽油機(jī)摩阻損失能量技術(shù)成熟，不作分析；井下?lián)p失能量主要包括水擊能耗、滑動摩阻損失能量和黏滯摩阻損失能量。在這里，水擊發(fā)生因時間短且平均功率過低，故在計算過程中忽略[2]。

在抽油機(jī)舉升系統(tǒng)中，電動機(jī)輸入功率主要考慮了地面損失功率、有效功率、滑動損失功率、黏滯損失功率和桿柱損失功率。

1）黏滯損失功率。有桿泵采油過程中，被舉升的液體由于與油管、抽油桿等產(chǎn)生磨擦而損耗的功率稱作黏滯損失功率。黏滯損失功率的大小主要取決于采油過程中的泵掛深度、抽油桿直徑、油管直徑、沖程、沖次、液體黏度6個因素。

黏滯損失功率：

式中：Pr為黏滯損失功率，kW；s為沖程，m；n為沖次，次/min；μi為第i段液體黏度，mPa·s；li為第i段油管長度，m；m為管徑桿徑比，無因次。

2）滑動損失功率。抽油機(jī)井因井斜造成的油管與抽油桿間磨擦和泵筒與泵柱塞間磨擦而產(chǎn)生的功率稱為滑動損失功率?；瑒訐p失功率的大小取決于井斜的水平軌跡長度、抽油桿重度、沖次、沖程以及桿管材質(zhì)5個因素。

滑動損失功率：

式中：Pk為滑動損失功率，kW；fk為桿與管的磨擦系數(shù)；L為井斜的水平軌跡長度，m；qr為桿重度，N/m；g為重力加速度，m/s2。

3）桿柱損耗功率。有桿泵采油過程中，由于產(chǎn)量動態(tài)變化，部分井出現(xiàn)桿柱匹配不合理產(chǎn)生靜載荷增大，使消耗的功率增加了。

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

滑動損失功率的大小與沖程和沖次成正比關(guān)系，黏滯損失功率的大小與沖程和沖次的平方成正比關(guān)系。與井下能耗相關(guān)的敏感參數(shù)是沖次和桿截面積。因此，優(yōu)化時以目標(biāo)產(chǎn)液量為前提，優(yōu)先選擇降低沖次，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井參數(shù)合理匹配[3]。

1.3 電動機(jī)損失能量

電動機(jī)是抽油機(jī)舉升的動力源，因抽油機(jī)在運(yùn)行過程中的特殊要求，拖動裝置需要同時滿足三個“最大”要求，即最大允許掛重、最大沖次、最大沖程。此外，還需要有足夠大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，克服啟動時靜態(tài)的嚴(yán)重不平衡。所以，抽油機(jī)在設(shè)計時往往設(shè)定的容量裕度都較大。抽油機(jī)在運(yùn)行過程中是受交變載荷作用，啟動功率一般達(dá)到正常運(yùn)行功率的3～5 倍，這種工作模式?jīng)Q定了抽油機(jī)井使用的常規(guī)電動機(jī)負(fù)載率低、功率因數(shù)低[4]。

電動機(jī)如果運(yùn)行在額定負(fù)荷或額定負(fù)荷附近，則電動機(jī)運(yùn)行處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍內(nèi)。在實(shí)際生產(chǎn)上，電動機(jī)多數(shù)屬于輕載運(yùn)行，即“大馬拉小車”的情況。

通常把效率即將快速下降的a點(diǎn)所對應(yīng)的負(fù)荷率稱為臨界負(fù)荷率βa。當(dāng)負(fù)荷率β大于βa時，效率的變化不大，當(dāng)負(fù)荷率β小于0.70時，功率因數(shù)下降很快，效率和功率因數(shù)隨負(fù)荷率變化曲線見圖2。

圖2 效率和功率因數(shù)隨負(fù)荷率變化曲線

“十三五”期間，油田應(yīng)用的電動機(jī)節(jié)能技術(shù)主要分為三個方面：一是通過應(yīng)用變頻類控制裝置，改變電動機(jī)的機(jī)械特性，從而提高舉升系統(tǒng)效率；二是如高轉(zhuǎn)差電動機(jī)或超高轉(zhuǎn)差電動機(jī)，從技術(shù)設(shè)計上改變電動機(jī)的機(jī)械特性，使電動機(jī)與抽油機(jī)的配合度更高，從而提高系統(tǒng)效率；三是如雙功率電動機(jī)或三功率電動機(jī)，通過提高電動機(jī)的負(fù)荷率、功率因數(shù)等來達(dá)到節(jié)能的目的。

2 抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置的應(yīng)用

2.1 技術(shù)原理

抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置主要由變頻器、分析儀、傳感器等部分組成。傳感器分辨出上、下沖程位置信號，并將位置信號傳遞給分析儀，通過對工況運(yùn)行判斷分析，把有效的開關(guān)信號提供給變頻器；變頻器接收信號后，執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)了軟停啟、電動機(jī)轉(zhuǎn)速不停機(jī)調(diào)整等功能。抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置應(yīng)用了變頻調(diào)速技術(shù)，符合四連桿機(jī)構(gòu)的交變載荷的工作特點(diǎn)，開發(fā)了內(nèi)置專用的伺服控制程序[5]。

2.1.1 實(shí)現(xiàn)沖次精細(xì)調(diào)整

抽油機(jī)配套應(yīng)用的電動機(jī)為感應(yīng)式交流電動機(jī)。感應(yīng)式交流電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度（近似）由電動機(jī)的極數(shù)和頻率決定。電動機(jī)的極數(shù)是固定的，由于極數(shù)值是2的倍數(shù)（極數(shù)為2，4，6），不是連續(xù)的數(shù)值，因此不適合改變極數(shù)來改變電動機(jī)的速度，可以通過改變供電頻率來改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速。頻率是電動機(jī)供電電源的電信號，通過控制裝置調(diào)節(jié)頻率后再供給電動機(jī)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以按需求進(jìn)行控制了。

轉(zhuǎn)速調(diào)整的基本原理公式：

式中：n1為同步轉(zhuǎn)速，r/min；f1為定子供電電源頻率，Hz；p為磁極對數(shù)。

異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速n與同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速n1存在一個滑差關(guān)系。

式中：n為異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；s為異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差率。

由公式（5）式可知，調(diào)速的方法可通過改變f1、p、s其中任意一參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，對異步電動機(jī)最好的方法是改變頻率，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。

2.1.2 實(shí)現(xiàn)上快下慢運(yùn)行模式

可以根據(jù)油井的實(shí)際情況，通過設(shè)置抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置運(yùn)行模式（表1），在線時實(shí)監(jiān)測抽油機(jī)的電參數(shù)、電流平衡度、功率平衡率、累計電量等，經(jīng)過運(yùn)算處理后，通過安裝于減速箱輸出軸與曲柄總承之間曲柄位置傳感器監(jiān)測、采集曲柄旋轉(zhuǎn)過程中實(shí)時的曲柄位置信號，同時判斷出抽油機(jī)運(yùn)行處于上沖程或下沖程的位置，給出指令，把開關(guān)信號指令傳遞給分析儀，實(shí)現(xiàn)自行檢測抽油機(jī)的沖程頻次，達(dá)到上、下沖程間的平穩(wěn)過渡，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)沖次的連續(xù)調(diào)節(jié)，滿足各種產(chǎn)量油井的供排協(xié)調(diào)需求；實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井在一個沖程周期中，上快下慢的運(yùn)行方式，提高泵的充滿度，提高泵效，同時還可起到緩解桿管偏磨的作用[6]。

表1 抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置運(yùn)行模式

2.1.3 實(shí)現(xiàn)功率隨動運(yùn)行模式

通過電動機(jī)負(fù)載檢測電路，根據(jù)抽油機(jī)的負(fù)載特性而通過特殊的節(jié)能處理方式，經(jīng)過CPU算出精確功率后，直接由模糊控制器調(diào)用節(jié)能模型庫內(nèi)相應(yīng)數(shù)據(jù)，送至功率調(diào)節(jié)器，同時得到節(jié)能跟蹤模塊的精確修正后，去優(yōu)化PWM 驅(qū)動模塊，跟蹤調(diào)節(jié)電動機(jī)的供給電壓，減少了電動機(jī)運(yùn)行時的鐵損和銅損，使電動機(jī)始終處于經(jīng)濟(jì)、高效和功率因數(shù)較高的情況下運(yùn)行，功率因數(shù)均在0.90以上。同時該裝置還具備了抽油機(jī)運(yùn)行需要的各種保護(hù)功能，增加了回饋電路，使抽油機(jī)的地面拖動裝置處于的高效、穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)[7]。

2.2 應(yīng)用效果

抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置技術(shù)應(yīng)用范圍較廣，在啟動困難、液面波動大、調(diào)參頻繁等的高耗能抽油機(jī)井上均可應(yīng)用，變頻控制電動機(jī)技術(shù)比較成熟且得到了大規(guī)模的應(yīng)用，累計應(yīng)用2 688 臺，平均有功功率由8.23 kW下降到7.39 kW，平均有功節(jié)電率達(dá)到了13.54%，年節(jié)電2 516.1×104kWh，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益1 602.76萬元。

2.2.1 沖次任意調(diào)節(jié)

電動機(jī)型號為YCHD250-8/6 應(yīng)用抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置，分別設(shè)定頻率為30、40、50、60 Hz時，運(yùn)行平穩(wěn)沖次分別為3.14 次/min、4.34 次/min、5.31 次/min、6.34 次/min，與前態(tài)對比平均沖次增加級差近似為1 次/min，節(jié)電率達(dá)到了7.86%，平均單井日節(jié)電1.41×104kWh，抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置沖次效果見表2。

表2 抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置沖次效果

2.2.2 提高功率因數(shù)

在老井更新和產(chǎn)能井均推廣應(yīng)用，這里選取老井更新井10 口連續(xù)測試10 天的電參數(shù)及生產(chǎn)動態(tài)參數(shù)，將所測得的連續(xù)數(shù)據(jù)的平均值與安裝前對比，無功功率由12.22 kVar 下降到1.20 kVar，下降了90.18%，功率因數(shù)由0.46提高到0.97，抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置功率因數(shù)效果見表3。

表3 抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置功率因數(shù)效果

2.2.3 抽油桿受力狀況得到改善

沖次大小對抽油桿受力影響很大，利用變頻器精準(zhǔn)調(diào)整沖次，采用上快下慢或者下快上慢，能有效改善抽油桿受力。這里選取12 口井，工頻和變頻各測量連續(xù)運(yùn)行10 天的數(shù)據(jù)。通過計算，最大載荷由43.01 kN 下降到38.98 kN，下降了9.37%，載荷負(fù)荷比由2.59 kW 下降到1.97 kW，下降了23.94%，說明了抽油桿受力狀況得到了有效改善，抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置載荷效果見表4。

表4 抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置載荷效果

2.2.4 提高系統(tǒng)效率

油井供排關(guān)系協(xié)調(diào)，泵充滿程度提高，提高了井下驅(qū)動效率；減少了地面四連桿機(jī)構(gòu)的無功損耗，提高了地面驅(qū)動效率，使舉升系統(tǒng)效率整體提高[8]。在平均日產(chǎn)液和動液面穩(wěn)定的情況下，累計應(yīng)用2 665 臺，平均系統(tǒng)效率由23.45%上升到26.23%，提高了2.78%，平均單井日節(jié)電26.96 kWh。

2.2.5 減少負(fù)功影響

電動機(jī)供電電壓采用自動調(diào)節(jié)，減少了電動機(jī)的自身無功損耗，使電動機(jī)始終處于高效、高倍功率因數(shù)情況下運(yùn)行[9]。與工頻對比，沖程總負(fù)功由0.42 kW 下降到0，運(yùn)行平穩(wěn)，變頻和工頻對比曲線見圖3。

圖3 變頻和工頻對比曲線

2.2.6 熱洗清蠟效果提高

抽油機(jī)井熱洗時，利用變頻器采用調(diào)大沖次，抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置熱洗效果見表5，使理論排量短時間增大，使含水恢復(fù)期縮短，減少熱洗對產(chǎn)油量的影響[10]。

表5 抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置熱洗效果

3 結(jié)論

1）應(yīng)用變頻器實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，滿足抽油機(jī)井地面井下優(yōu)化過程中的參數(shù)精準(zhǔn)控制需求。

2）本設(shè)備段速采用6+1模式，有6種不同段速頻率選擇，在運(yùn)行中選擇6種段速中的任意一種模式，1種恒速運(yùn)行選擇，便于穩(wěn)定沖次自由調(diào)參。

3）在抽油機(jī)井運(yùn)行的一個沖程周期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速和變速運(yùn)行，提高了泵的充滿程度，達(dá)到了提高泵效、增加產(chǎn)量的目的，同時也可以減緩桿管偏磨的程度。

4）提供非節(jié)能電動機(jī)節(jié)能改造的一項技術(shù)手段，有效的利用現(xiàn)有的設(shè)備資源。