姜斌（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

抽油機(jī)精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的原理及應(yīng)用

姜斌（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

根據(jù)抽油機(jī)井功率分布情況，分析了抽油機(jī)井消耗功率影響因素，把有桿泵作為一個(gè)完整的抽油系統(tǒng)綜合評價(jià)，利用油井功圖計(jì)算抽油機(jī)井光桿功率，對抽油機(jī)井能耗影響因素進(jìn)行分析。在保證產(chǎn)量的前提下以降低抽油機(jī)井整體能耗為目的，利用抽油機(jī)井精準(zhǔn)控制系統(tǒng)對抽油機(jī)井的地面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終評價(jià)應(yīng)用抽油機(jī)井精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的350口井，節(jié)電率達(dá)19.95%，系統(tǒng)效率上升了6.52個(gè)百分點(diǎn)，年節(jié)約電費(fèi)214.3萬元。

消耗功率；能耗；變頻器；節(jié)電率

抽油機(jī)作為機(jī)械采油的主要舉升工藝技術(shù)，因其自身的重載啟動(dòng)特性，在設(shè)計(jì)匹配電動(dòng)機(jī)容量時(shí)，需要增大電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率，以滿足抽油機(jī)的啟動(dòng)負(fù)載需求，從而保證抽油機(jī)的正常運(yùn)行。這種增加電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率的方法，也增加了電動(dòng)機(jī)的自身功率損耗，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率降低，造成了抽油機(jī)的低負(fù)荷運(yùn)行。通過對影響消耗功率的因素分析，對抽油機(jī)井進(jìn)行地面設(shè)備優(yōu)化，為提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率提供技術(shù)支持。

1 抽油機(jī)井能耗影響因素分析

綜合考慮抽油機(jī)井能耗治理的地面設(shè)備優(yōu)化及地下供液能力發(fā)生變化時(shí)的參數(shù)調(diào)整，根據(jù)抽油機(jī)井光桿功率及測試得到的電網(wǎng)向抽油機(jī)系統(tǒng)輸入的總電能，分析抽油機(jī)井能耗在地面和井下的分布情況。

1.1 地面因素

在深井泵采油過程中，所消耗的能量包括用于舉升所載液體的有效能量和舉升過程中所消耗的損失能量。在損失能量中包括地面損失能量和井下?lián)p失能量。地面損失能量主要包括電動(dòng)機(jī)損耗和抽油機(jī)損耗兩個(gè)部分。

地面抽油機(jī)和電動(dòng)機(jī)所損耗的功率稱作地面損失功率。地面損失功率主要取決于光桿在上沖程中的平均載荷、光桿在下沖程中的平均載荷、光桿功率、沖程、沖速、電動(dòng)機(jī)空載功率。

1.2 井下能耗因素

井下?lián)p失能量主要包括黏滯摩阻損失能量、滑動(dòng)摩阻損失能量和水擊能耗。其中，由于水擊發(fā)生時(shí)間非常短促，其平均功率很低，故在功率計(jì)算中可忽略不計(jì)。此外，還有一種有益于舉升的含氣原油的溶解氣體積膨脹能。

1）黏滯損失功率。深井泵生產(chǎn)過程中，被舉升的液體因與油管、抽油桿發(fā)生磨擦而損耗的功率稱作黏滯損失功率。在深井泵運(yùn)行的上沖程中，黏滯損失功率發(fā)生在液柱與油管壁之間；在下沖程中，黏滯損失功率發(fā)生在液柱與抽油桿之間。黏滯損失功率取決于舉升過程中各段液體黏度、泵掛、管徑、桿徑、沖程、沖速6個(gè)因素。

2）滑動(dòng)損失功率。因油井井斜造成的抽油桿與油管發(fā)生磨擦以及泵柱塞與泵筒間發(fā)生磨擦而損失的功率稱作滑動(dòng)損失功率?；瑒?dòng)損失功率主要取決于井斜的水平軌跡長度、泵的沖程、沖速以及抽油桿重度、桿管材質(zhì)5個(gè)因素。

3）桿柱損耗功率。抽油機(jī)在運(yùn)行過程中，隨著生產(chǎn)時(shí)間的延長，部分井抽油桿柱匹配不合理造成靜載荷增大，從而增加了功率的消耗。

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

2 抽油機(jī)精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的原理

抽油機(jī)井精準(zhǔn)控制系統(tǒng)主要由傳感器、分析儀、變頻器等部分組成。傳感器用于分辨上、下沖程信號，并將信號傳給分析儀，分析儀對工況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，提供準(zhǔn)確有效的開關(guān)信號；變頻器接收工作指令并執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)軟啟、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整等功能。抽油機(jī)井精準(zhǔn)控制系統(tǒng)屬于一種變頻調(diào)速技術(shù)。它是根據(jù)抽油機(jī)交變工作載荷的特點(diǎn)，內(nèi)置了專用伺服控制程序。

2.1 沖速精細(xì)調(diào)整

在減速箱輸出軸與曲柄總承之間曲柄位置和曲柄位于下死點(diǎn)時(shí)基礎(chǔ)上安裝兩個(gè)位置傳感器，監(jiān)測曲柄旋轉(zhuǎn)過程中的曲柄位置信號，并將信號傳遞給控制面板。

在保證或接近預(yù)定沖速的下，確定在一個(gè)沖程周期內(nèi)，對抽油機(jī)的上、下行程速度的優(yōu)化分配狀況，實(shí)現(xiàn)延長下行程時(shí)間、縮短上行程時(shí)間，提高油井泵效，減緩桿、管沖擊，延長油井檢泵周期。同時(shí)實(shí)現(xiàn)延長上行程時(shí)間、縮短下行程時(shí)間，提高油井泵效，減緩桿、管沖擊，延長油井檢泵周期[1]。

通過分辯抽油機(jī)懸點(diǎn)位于上沖程或下沖程位置，將開關(guān)信號傳遞給分析系統(tǒng)，分析系統(tǒng)并自行檢測抽油機(jī)的沖程頻次，通過對工況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，提供給變頻器的開關(guān)信號，達(dá)到上、下沖程間的平穩(wěn)過渡，實(shí)現(xiàn)沖速的連續(xù)調(diào)節(jié)。

2.2 死點(diǎn)滯留運(yùn)行方式

抽油桿運(yùn)動(dòng)方式基本是上、下沖程等速運(yùn)動(dòng)，抽油機(jī)運(yùn)行到下死點(diǎn)后立刻上提，不利于抽油泵的充滿，同時(shí)下沖程速度較快時(shí)也容易加劇桿管偏磨。桿柱的彈性伸縮影響泵的充滿程度，通過改變抽油機(jī)在上、下死點(diǎn)處的速度使抽油桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，在上死點(diǎn)時(shí)加快轉(zhuǎn)速利用抽油桿的慣性將柱塞提升一段距離，在下死點(diǎn)時(shí)降低轉(zhuǎn)速或停止一段時(shí)間，充分利用抽油桿的慣性使柱塞的下死點(diǎn)更低，提高泵的充滿系數(shù)[2]。

抽油機(jī)井在預(yù)期的沖速下，在保證或接近預(yù)期沖速時(shí)，一個(gè)沖程周期內(nèi)，對抽油機(jī)的上、下行程速度的優(yōu)化分配狀況，以提高泵的充滿系數(shù)。實(shí)現(xiàn)上、下死點(diǎn)逗留，緩解活塞上行時(shí)間，提高抽油泵的充滿程度，提高泵效，有利于減少桿、管偏磨[3]。

2.3 自適應(yīng)技術(shù)

該技術(shù)采用對光桿的速度和曲柄軸的扭矩負(fù)荷進(jìn)行模式特征識別泵的充滿程度。若泵的充滿度低于預(yù)先設(shè)定值，則主動(dòng)調(diào)小沖速，反之調(diào)大沖速。用于實(shí)現(xiàn)采供平衡：多供時(shí)及時(shí)產(chǎn)出，即穩(wěn)定了流壓又有利于產(chǎn)量；對于供液不足井充滿程度偏小時(shí)可避免流壓降低出現(xiàn)液擊現(xiàn)象。

泵的充滿系數(shù)由電參功圖判別。功圖的識別是通過電參數(shù)計(jì)算，其中光桿瞬時(shí)功率由電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)功率和抽油機(jī)各機(jī)械部件瞬時(shí)功率及耗損瞬時(shí)功率計(jì)算求取，光桿的瞬時(shí)速度由抽油機(jī)的幾何關(guān)系計(jì)算得出。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

抽油機(jī)井精準(zhǔn)控制系統(tǒng)在啟動(dòng)困難、液面波動(dòng)大、調(diào)參頻繁等的高耗能抽油機(jī)井上均可應(yīng)用，對比了應(yīng)用前后抽油機(jī)井功率、沉沒度、沖速等參數(shù)變化情況。

1）電動(dòng)機(jī)輸入功率幅值與平均值對比。根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，對比列出了變頻前后電動(dòng)機(jī)輸入功率的幅值與平均值（表1）。

表1 實(shí)測電動(dòng)機(jī)輸入功率幅值與平均值對比

應(yīng)用抽油機(jī)井精準(zhǔn)控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)控電動(dòng)機(jī)在曲柄不同位置的速度，使抽油機(jī)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，光桿速度隨載荷變化，按驅(qū)動(dòng)輸出的需求供給電動(dòng)機(jī)能量，基本抑制無效能量消耗，使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝置在非常寬泛的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率范圍內(nèi)，提高功率利用率，使電動(dòng)機(jī)扭矩輸出趨于平穩(wěn)，提高電動(dòng)機(jī)自身驅(qū)動(dòng)效率。

2）功率因數(shù)提高。在老井更新和產(chǎn)能井均推廣應(yīng)用，對比68口井的應(yīng)用效果，噸百米耗電由1.02下降到0.91，有功節(jié)電率達(dá)到了10.64%，功率因數(shù)由0.4512提高到0.9892，取得了較好的節(jié)能效果。

3）改善了抽油桿受力狀況。抽油速度對抽油桿受力有很大的影響，變頻調(diào)整沖速，優(yōu)化上下沖程速度實(shí)現(xiàn)上慢下快，改善抽油桿循環(huán)特性負(fù)荷率比均有所下降（表2）。

4）經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)用抽油機(jī)井精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的350口井，實(shí)施一個(gè)沖程內(nèi)能耗精準(zhǔn)控制。使用前后效果對比，節(jié)電率達(dá)19.95%，系統(tǒng)效率上升了6.52個(gè)百分點(diǎn)，按電價(jià)0.64元/kWh、年生產(chǎn)時(shí)間350天計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)214.3萬元（表3）。

表2 抽油機(jī)精準(zhǔn)控制系統(tǒng)載荷效果

表3 抽油機(jī)精準(zhǔn)控制系統(tǒng)應(yīng)用350口井的效果

4 結(jié)論

1）應(yīng)用抽油機(jī)井精準(zhǔn)控制系統(tǒng)，能夠滿足抽油機(jī)井整體優(yōu)化過程中的柔性運(yùn)行、參數(shù)精準(zhǔn)控制需求。

2）自適應(yīng)技術(shù)能夠使電動(dòng)機(jī)的輸入功率幅值、平均值有明顯地降低，抽油系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)更趨近于平衡。

3）該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井在一個(gè)沖程周期中精準(zhǔn)控制運(yùn)行，從而提高泵的填充率，減少漏失量，達(dá)到提高泵效的目的，同時(shí)下行變速運(yùn)動(dòng)，可起到緩解桿管偏磨的作用。

[1]張利.抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置與伺服試驗(yàn)對比[J].石油石化節(jié)能，2013（3）：44-45.

[2]劉存山.變頻調(diào)速與能量回饋相結(jié)合的抽油機(jī)控制系統(tǒng)[J].油氣田地面工程，2013（8）：68-69.

[3]董世紅.游梁式抽油機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)改造及應(yīng)用[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）理工卷，2010（1）：197-198.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.09.009

姜斌，工程師，2005年畢業(yè)于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)（計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)），從事節(jié)能、科技管理工作，E-mail：dqjiangbin@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市紅崗區(qū)第四采油廠，163511。

2017-05-20

（編輯沙力妮）