袁勝利（大慶油田有限責(zé)任公司第十采油廠）

游梁式抽油機(jī)是油田開發(fā)生產(chǎn)的一種重要設(shè)備，國(guó)內(nèi)油田90%以上的抽油機(jī)都采用游梁式抽油機(jī)[1-2]。油田70%以上的耗能量集中在機(jī)采、注水、電力、熱力等主要耗能系統(tǒng)，能耗費(fèi)用約占油田生產(chǎn)可變成本的30%，而30%的油田采油成本消耗在游梁式抽油機(jī)，游梁式抽油機(jī)的平均系統(tǒng)效率只有25%，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍有一定差距。因此，開展游梁式抽油機(jī)節(jié)能控制技術(shù)研究很有必要，對(duì)該類型抽油機(jī)的節(jié)能率研究有重大而現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義[3]。

1 通常采用的節(jié)能控制裝置

1）軟啟動(dòng)、調(diào)壓節(jié)能型節(jié)能控制裝置。該節(jié)能控制裝置適用于啟動(dòng)載荷較大，而運(yùn)行負(fù)載較輕的抽油機(jī)。其工作原理是采用可控硅軟啟動(dòng)，調(diào)壓節(jié)電，通過電動(dòng)機(jī)定子繞組星/ 三角轉(zhuǎn)換降壓節(jié)能。抽油機(jī)的功率檔次有限，如30、60、80、100 kN等。隨著油井由淺入深的抽取，油井的產(chǎn)液量越來越少，抽油機(jī)的負(fù)荷也相應(yīng)減小。由于上述原因，造成了抽油機(jī)的實(shí)際負(fù)載率普遍偏低，大部分抽油機(jī)的負(fù)載率在20%～30%，最高也不會(huì)超過50%，形成了載荷過低的現(xiàn)象，而當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于輕載運(yùn)行時(shí)，其效率和功率因數(shù)都較低，此時(shí)若適當(dāng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子的端電壓，使之與電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率合理匹配，這樣就降低了電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，從而降低電動(dòng)機(jī)的鐵耗和從電網(wǎng)吸收的無功功率， 可以提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率和功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能的目的。

2）無功就地補(bǔ)償節(jié)能型節(jié)能控制裝置。該節(jié)能控制裝置采用無功自動(dòng)補(bǔ)償控制器，通過自動(dòng)投切電容組的方式，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的無功能量，減小電網(wǎng)電流，減少線路損耗，解決異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)載荷過低，功率因數(shù)低，無功損耗大等問題。

3）超高轉(zhuǎn)差率多速節(jié)能電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)裝置。該節(jié)能裝置的出發(fā)點(diǎn)是降低抽油機(jī)拖動(dòng)裝置的安裝容量和裕量。抽油機(jī)由于其特殊的運(yùn)行要求，所匹配的拖動(dòng)裝置必須同時(shí)滿足3個(gè)最大的要求，即最大沖程、最大沖次、最大允許掛重。另外還需具有足夠的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，以克服抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)嚴(yán)重的靜態(tài)不平衡。而軟的機(jī)械特性造成了抽油機(jī)懸點(diǎn)最大負(fù)荷降低，抽油泵上行速度緩慢，抽油桿的彈性變形減小，從而使抽油泵的填充系數(shù)增加， 吸液量增大， 每沖次來油量增加，使單位液耗電能降低。超高轉(zhuǎn)差率多速節(jié)能電動(dòng)機(jī)所具有的軟機(jī)械性能，改善了抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)負(fù)荷的不均衡性，特別是在啟動(dòng)瞬間，降低了對(duì)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)件、傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊，降低了設(shè)備的維修費(fèi)用，延長(zhǎng)了抽油機(jī)的使用壽命。

4）變頻節(jié)能調(diào)速裝置。變頻調(diào)速裝置使抽油泵的排量與油井的滲透能力相適應(yīng)，采用改變抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，其最大優(yōu)點(diǎn)是抽油機(jī)井調(diào)參十分方便快捷[4-5]。但通用變頻改造，不能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制；不能有效解決抽油機(jī)倒發(fā)電狀態(tài)、以及沖擊電流等問題[6]。

經(jīng)過以上分析，上述各種抽油機(jī)節(jié)能控制裝置主要存在以下3個(gè)方面的問題：一是只在抽油機(jī)系統(tǒng)的某個(gè)方面做了部分的研究；二是大都集中在電動(dòng)機(jī)的節(jié)能控制方面；三是系統(tǒng)造價(jià)；太高或者是功能簡(jiǎn)單，可靠性不高。

2 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)曲線分析

為了更好地開展游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行曲線分析，通過對(duì)游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)在工頻和變頻兩種運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)游梁式抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)載荷和變頻運(yùn)行時(shí)抽油井電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)曲線進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1 和圖2 所示，其中圖1 為某油井工頻運(yùn)行時(shí)的驢頭懸點(diǎn)載荷隨時(shí)間的變化曲線圖，圖2為某油井變頻運(yùn)行時(shí)抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)曲線圖。

圖1 油井工頻運(yùn)行時(shí)的驢頭懸點(diǎn)載荷隨時(shí)間的變化曲線

圖2 油井變頻運(yùn)行時(shí)抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)曲線

通過對(duì)油田電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)曲線分析，得知對(duì)同一臺(tái)抽油機(jī)，在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)，不同速度時(shí)，轉(zhuǎn)矩曲線相似，功率曲線相似，且具有較好的周期性。

3 控制系統(tǒng)的優(yōu)化算法

根據(jù)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度、功率、電流等動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，對(duì)抽油機(jī)的驢頭載荷、采液量、系統(tǒng)效率等進(jìn)行動(dòng)態(tài)地辨識(shí)。

其優(yōu)化過程是：開始→記錄、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)→FFT變換頻譜計(jì)算→分析結(jié)果找出有用信號(hào)→濾波→插值→FFT變換得到頻譜、相位角等→分析得到最佳結(jié)果。

根據(jù)所辨識(shí)出的各個(gè)變量之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)變頻器控制方案，提高抽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益[7-8]。通過分析得到最大采油量控制、效率最高控制、經(jīng)濟(jì)效益最高控制和其他控制方式等。

利用Matlab 編制了初步的離線仿真研究平臺(tái)，利用該平臺(tái)，開展動(dòng)態(tài)顯示抽油機(jī)的動(dòng)作過程，顯示抽油機(jī)在一個(gè)沖程中的速度、加速度、驢頭行程等曲線，以及進(jìn)行FFT變換，并根據(jù)FFT分析的結(jié)果顯示其頻譜、相位特性，重構(gòu)所分析的曲線或各次諧波成分曲線等方面的試驗(yàn)仿真研究。利用C++Builder編制了下位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控平臺(tái)，利用該平臺(tái)顯示抽油機(jī)在一個(gè)沖程中的速度、加速度、驢頭行程等曲線，實(shí)時(shí)記錄變頻器各種狀態(tài)量，對(duì)變頻器的工作狀況進(jìn)行診斷，以及進(jìn)行FFT 變換，并根據(jù)FFT分析的結(jié)果顯示其頻譜、相位特性，重構(gòu)所分析的曲線或各次諧波成分曲線等。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

采用BS 永磁無刷直流動(dòng)力系統(tǒng)主要由無刷直流電動(dòng)機(jī)和專用控制器兩部分組成[9-10]。它具有高效率特性，無需從電網(wǎng)吸取勵(lì)磁電流，其理論功率因數(shù)為1，實(shí)際上功率因數(shù)接近1。它與三相異步電動(dòng)機(jī)相比平均有功節(jié)電率可達(dá)20%~40%，無功節(jié)電率高達(dá)到80%以上。改進(jìn)后的動(dòng)力系統(tǒng)有效解決傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式存在的系統(tǒng)效率低、功率因數(shù)低、對(duì)油井負(fù)荷變化不適應(yīng)、抽油桿彈性還沒有完全恢復(fù)容易發(fā)生反轉(zhuǎn)脫扣，且下次啟動(dòng)時(shí)容易發(fā)生斷桿，增加維護(hù)費(fèi)用，費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問題。

該系統(tǒng)于2019年10月在某油田GD7-23井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行應(yīng)用研究前后跟蹤測(cè)試。該井采用12 型抽油機(jī)冷抽生產(chǎn)，在油井生產(chǎn)參數(shù)基本不變的前提下，應(yīng)用前后油井測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 應(yīng)用前后油井測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1中可以看出，該井在安裝BS無刷直流動(dòng)力系統(tǒng)后，在油井生產(chǎn)參數(shù)基本不變的前提下，油井電動(dòng)機(jī)有功功率由10.6 kW 下降到7.7 kW，減少了2.9 kW，日節(jié)69.6 kWh，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電25 404 kWh，無功功率由21.10 kVar 降低到0.29 kVar，下降了20.81 kVar，油井電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)由0.281 提高到0.951，提高了0.665，有功節(jié)電率達(dá)到27.4%，無功節(jié)電率達(dá)到98.6%，取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

1）節(jié)能效果好。該系統(tǒng)與普通電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相比，具有良好的節(jié)能降耗效果，平均有功節(jié)電率達(dá)到27.4%，無功節(jié)電率達(dá)到98.6%，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)日節(jié)電69.6 kWh，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電25 404 kWh，其節(jié)能效果顯著。同時(shí)，按照節(jié)約1 kWh 電能減排0.997 kg 二氧化碳，即減少0.272 kg碳排放計(jì)算，則更換一臺(tái)BS無刷直流動(dòng)力系統(tǒng)每年可減少碳排放6 909.9 kg。

2）良好的調(diào)速性能。系統(tǒng)調(diào)速操作方便快捷，有利于油井根據(jù)油井生產(chǎn)需要，及時(shí)調(diào)整油井沖次，使油井參數(shù)調(diào)整變得更加簡(jiǎn)單，極大地減輕了員工的工作強(qiáng)度，提高了油井調(diào)參操作的安全程度。

3）先進(jìn)的優(yōu)化控制算法。該系統(tǒng)采用控制裝置具有智能型特點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，滿足電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控的工作要求，符合智能化油田建設(shè)需要。

4）具有良好的性價(jià)比。該系統(tǒng)與安裝油井變頻控制系統(tǒng)相比，具有性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。它可以全面替代目前在用的油井變頻控制柜+Y 系列電動(dòng)機(jī)、替代減速裝置+Y系列電動(dòng)機(jī)。