王斌（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

降低抽油機(jī)井運(yùn)行能耗方法研究

王斌（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

HPT抽油機(jī)效能分析儀可以快速提供直觀、準(zhǔn)確的電動機(jī)運(yùn)行參數(shù)曲線，通過分析可以掌握抽油機(jī)電動機(jī)運(yùn)行情況，優(yōu)化抽油機(jī)平衡調(diào)整方法，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能、高效運(yùn)行。詳細(xì)討論了功率曲線的原理，指出功率曲線中負(fù)功的產(chǎn)生原因及其調(diào)整方法。通過現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用，證明功率曲線法可實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井平衡調(diào)整，這種分析方法簡單、效果明顯，適合在油田生產(chǎn)中廣泛使用。

抽油機(jī) 功率曲線 電流曲線 節(jié)能

抽油機(jī)是油田生產(chǎn)中主要的能耗設(shè)備之一，對該設(shè)備的管理直接關(guān)系到油田能否正常生產(chǎn)以及運(yùn)行成本能否得到有效控制。目前，抽油機(jī)達(dá)到最佳節(jié)能狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)是在平衡條件下運(yùn)行，現(xiàn)場普遍采用的平衡標(biāo)準(zhǔn)是抽油機(jī)下沖程與上沖程峰值電流比調(diào) 整 到 85% ～ 100% 范 圍 內(nèi)[1-3]。 然 而 在 生 產(chǎn) 實(shí) 踐 中發(fā)現(xiàn)，電流法檢驗(yàn)抽油機(jī)平衡時(shí)會出現(xiàn)假平衡現(xiàn)象。在日益嚴(yán)峻的節(jié)能形勢面前，電流法已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求，因此又提出利用功率曲線調(diào)整抽油機(jī) 工 作 狀況，繼 續(xù) 提 高 抽 油機(jī)井的 管 理 水 平[4-6]。

1 原理

抽油機(jī)井在運(yùn)行過程中下沖程為平衡塊儲能過程，上沖程為平衡塊釋放能量過程，功率曲線可以直接反映電動機(jī)在一個(gè)沖程中不同點(diǎn)的做功情況。在下沖程中，電動機(jī)和懸點(diǎn)載荷一起對平衡塊做功，電動機(jī)所做的功為

當(dāng)只考慮靜載荷做功時(shí)，懸點(diǎn)在下沖程做的功為

平衡塊在儲存能量的過程中，在任一點(diǎn)的位能為

由此，可得任一點(diǎn)電動機(jī)所作的功為

上述表達(dá)式中： Aw是下沖程中懸點(diǎn)載荷和電動機(jī)對平衡系統(tǒng)做的功，即平衡系統(tǒng)儲存的能量；Wr′s是液體中的桿柱重力在下沖程中做的功； φ 是曲柄旋轉(zhuǎn)角； φ1是曲柄與平衡塊重心旋轉(zhuǎn)角； m是曲柄平衡塊的質(zhì)量； s是懸點(diǎn)移動距離； L是曲柄與平衡塊重心到輸出軸的長度。

在上沖程中平衡系統(tǒng)放出能量，幫助電動機(jī)對懸點(diǎn)做功，則電動機(jī)在上沖程中做的功為

當(dāng)只考慮靜載荷做功時(shí)，懸點(diǎn)上沖程做的功為

由此可知電動機(jī)在上沖程中做的功為

式中 WL′s是液柱在上沖程中做的功。

由以上公式可知，電動機(jī)在一個(gè)沖程中的輸出功率是不斷變化的，只有測量功率曲線，才能夠準(zhǔn)確地認(rèn)清一個(gè)沖程中電動機(jī)的運(yùn)行情況。

2 應(yīng)用效果

2.1部分機(jī)型的特征曲線

通過對 33口電流平衡的正常生產(chǎn)井進(jìn)行測試，在不配套安裝變頻控制箱的情況下，不同的抽油機(jī)有自己的功率特征曲線，圖1、圖2是常規(guī)抽油機(jī)和偏置式抽油機(jī)的電流、有功功率特征曲線：

從曲線可以看出，在合理工況下，由于抽油機(jī)設(shè)計(jì)理念不同，在完成一個(gè)沖程的過程中，電動機(jī)輸出功率曲線具有明顯不同的形態(tài)：常規(guī)抽油機(jī)井功率曲線 （所對應(yīng)的沉沒度 254m，示功圖顯示全充滿）在零軸上方，上、下沖程有功功率曲線形態(tài)基本對稱；偏置式抽油機(jī)井 （對應(yīng)的沉沒度 198m，示功圖顯示全充滿）功率曲線在零軸上方，上、下沖程有功功率曲線形態(tài)不對稱。

圖1 常規(guī)抽油機(jī)電流、功率特征曲線

圖2 偏置式抽油機(jī)電流、功率曲線

2.2特征曲線分析及調(diào)整措施

同一機(jī)型抽油機(jī)在生產(chǎn)過程中具有相似形狀的特征曲線，但同種機(jī)型不同井的特征曲線具有不同形態(tài)。通過對變化原因進(jìn)行分析，有助于查出單井運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各類問題，從而制定針對性調(diào)整措施，改善單井運(yùn)行狀況。從實(shí)測曲線可以看出，利用功率曲線可以進(jìn)行正常的平衡調(diào)整，即電流峰值的平衡調(diào)整，在對 33口井測試單沖程功率曲線過程中，發(fā)現(xiàn)電 流平 衡率 在 85%～100%的條 件下仍有 60.6%的井存在做負(fù)功問題，做負(fù)功較多的井占總井?dāng)?shù)的 18.2%，而負(fù)功的產(chǎn)生能夠造成電動機(jī)損壞和加大耗電量。從功率特征曲線看，產(chǎn)生負(fù)功分為以下3種情況。

2.2.1 上沖程開始時(shí)做負(fù)功

從公式 （7）可知，當(dāng)（ Wr′+WL′）s-mgLsin φ ＜ 0時(shí)，電動機(jī)做負(fù)功，可以分為兩種情況：

1）偏置角在曲柄運(yùn)行方向之前且過大，上沖程開始時(shí)曲柄方向釋放的能量大于舉升桿柱、液柱需要的能量而帶動電動機(jī)做負(fù)功。

2）由于注水受效、泵況變差等原因影響，液面高于原平衡狀態(tài)時(shí)的液面，懸點(diǎn)載荷在上沖程開始時(shí)不能及時(shí)加載，懸點(diǎn)載荷做的功小于曲柄和平衡塊所做的功。對上沖程開始時(shí)產(chǎn)生負(fù)功的情況進(jìn)行調(diào)整時(shí)，可根據(jù)以上分析進(jìn)行調(diào)整，如果是動液面上升造成的，應(yīng)及時(shí)調(diào)大參數(shù)，如果動液面合理，則應(yīng)進(jìn)行偏置角調(diào)整。

實(shí)例：該井功率曲線表現(xiàn)為兩個(gè)波谷不在同一水平線上，在上沖程開始時(shí)做負(fù)功，如圖3所示。通過分析，該井為偏置型抽油機(jī)，電流平衡率89.83%，共安裝 4 塊平衡塊，每個(gè)曲柄上安裝一大一小2塊，且方向不一致，從而造成偏置角過大。通過將小平衡塊調(diào)整到曲柄運(yùn)行方向的內(nèi)側(cè)，達(dá)到了減小偏置角的目的，使上沖程開始時(shí)的負(fù)功消除，消耗功率有所降低。

圖3 偏置角調(diào)整前后的有功功率曲線

2.2.2 下沖程開始時(shí)做負(fù)功

同樣存在兩種情況：

1）偏置角滯后時(shí)，即重心在曲柄運(yùn)行方向之后，當(dāng)懸點(diǎn)已到上死點(diǎn)、曲柄到下死點(diǎn)，曲柄與平衡塊的重心未到下死點(diǎn)，懸點(diǎn)開始下行后，此時(shí)φ =180° 、 90° ＜ φ1＜180°、sin φ1＞0， 曲 柄 與懸點(diǎn)載荷共同做功，帶動電動機(jī)做負(fù)功。

2）由于動液面降低，打破了以前的平衡狀態(tài)，桿柱在下行時(shí)未受到浮力及時(shí)卸載，而遠(yuǎn)大于曲柄及平衡塊上升需要做的功，帶動電動機(jī)做負(fù)功。對于以上情況，可根據(jù)生產(chǎn)情況，進(jìn)行動液面調(diào)整或偏置角調(diào)整。

實(shí)例：該井在 6min-1生產(chǎn)狀態(tài)下，流壓 1.89MPa，泵效 50.1%，在泵況控制圖所處區(qū)位屬于優(yōu)良區(qū)，而通過功率曲線發(fā)現(xiàn)該井在 180°以后出現(xiàn)負(fù)功，如圖4所示。主要原因是該井供液不足，下沖程開始時(shí)，驢頭方向無法卸載，此時(shí)作用在驢頭方向的載荷包括抽油桿在空氣中的質(zhì)量和活塞以上液柱質(zhì)量，該質(zhì)量之和在輸出軸產(chǎn)生的力矩超過了舉升平衡塊所需的力矩，從而帶動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)做負(fù)工。通過 下 調(diào) 沖 速 （6min-1→ 4min-1）， 該 井 供 采 矛 盾 緩解，避免了做負(fù)工情況。調(diào)整后，該井日產(chǎn)液下降7.4% ， 而 能 耗 卻 下 降 了 25.95% ， 降 低 了 該 井 的 噸液耗電。

圖4 參數(shù)和液面變化對電機(jī)做功的影響

2.2.3 曲柄運(yùn)行方向與設(shè)計(jì)方向相反時(shí)產(chǎn)生負(fù)功

抽油機(jī)在安裝、更換減速箱、電動機(jī)、配電箱的過程中，有可能造成曲柄旋轉(zhuǎn)方向的改變，偏置型抽油機(jī)會造成偏置角滯后而有負(fù)功出現(xiàn)，常規(guī)抽油機(jī)能耗也會增加，這是一種非正常情況，可通過調(diào)整轉(zhuǎn)向解決，并見到較好節(jié)能效果。

實(shí)例：該井是偏置式抽油機(jī)，由圖5曲線可以看出，反轉(zhuǎn)過程中，抽油機(jī)在下沖程開始時(shí)有明顯的負(fù)功存在；同時(shí)零軸以上功率曲線圈閉的面積大于正轉(zhuǎn)時(shí)曲線所圈閉的面積，測試數(shù)據(jù)也顯示反轉(zhuǎn)時(shí)所消耗的有功功率大于正轉(zhuǎn)時(shí)所消耗的有功功率。

圖5 偏置型抽油機(jī)反轉(zhuǎn)與正傳功率曲線對比

3 結(jié)論

1）利用功率曲線可以更清楚地認(rèn)識抽油機(jī)井生產(chǎn)過程中的電動機(jī)做功變化情況，并可以結(jié)合單井生產(chǎn)情況進(jìn)行調(diào)整，減少或避免電動機(jī)做負(fù)功問題，取得一定的節(jié)能效果。

2）單井的平衡是對某一動液面條件下建立的相對平衡，因此動液面的改變會打破原有平衡，必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)和調(diào)整，才能保證抽油機(jī)節(jié)能高效運(yùn)行；同時(shí)建立單井功率曲線和液面變化的對應(yīng)關(guān)系，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)供采關(guān)系變化情況，為及時(shí)分析、調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)創(chuàng)造有利條件。

3）簡化功率曲線的測量，使之變成日常生產(chǎn)資料錄取的一項(xiàng)內(nèi)容，從而提供更多的數(shù)據(jù)信息，對保證正常生產(chǎn)和降低運(yùn)行能耗都有重要意義。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2013.008.002

2013-02-18）

王斌，工程師，2003年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院 （石油工程專 業(yè)）， 從 事 油 田 生 產(chǎn) 管 理 工 作 ， E-maiI： wbinjj@petrochina.com. cn， 地址 ：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠太北作業(yè)區(qū)，163513。