抽油機變軌柔性運行技術應用前景展望

李立強 張雅春（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

抽油機變軌柔性運行技術應用前景展望

李立強 張雅春（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

針對第七采油廠抽油機系統效率低及單井能耗高的問題，分析了影響抽油機井系統效率的因素，以抽油機井抽汲參數整體優化及降低能耗為原則，對抽油機變軌柔性運行技術應用前景進行了展望。從現場實際應用看，抽油機變軌柔性運動技術能夠改變抽油機井抽汲頻率和抽汲過程中的柱塞速度分布規律，簡化地面傳動系統和整個桿柱的結構并減小疲勞強度，實現按井下供液量自動調參、提高泵效、降低機械受力和損耗的整體優化，達到了提高系統效率、降低單井能耗的目的，最大限度地節約了電能，具有較高的經濟效益。

抽油機 系統效率 柔性運行 節能

大慶油田第七采油廠屬于外圍油田，2009年全廠平均系統效率僅為14.71%，遠遠低于主力油田，平均耗電11.28 kW·h/t，其中，低于平均系統效率的抽油機井有1 148口，占統計井的65.45%，平均耗電20.11 kW·h/t，因此，合理優化低效井機、桿、泵等抽汲參數，降低低效井能耗是提高第七采油廠抽油機井系統效率及降低單井能耗的關鍵，所以有必要開展抽油機變軌柔性運行技術的研究。

1 應用背景

常規游梁式抽油機自誕生以來，歷經百年使用，經受了各種工況和地域油田的考驗，但是常規游梁式抽油機的結構特征，決定了它平衡效果差，曲柄靜扭矩脈動大，存在負扭矩、載荷率低、工作效率低和能耗大等缺點。在采油成本中，抽油機電費占30%左右，年耗電量占油田總耗電量的20%～30%，居油田耗電的第二位。

多年來，油田機采節能工作基本集中在拖動電動機節能一個方面。然而，電動機的拖動效率僅僅是抽油機系統節能的一個較小的部分，降低抽油機系統特別是井下系統的無效運行能耗才是提高系統效率的關鍵。常規游梁式抽油機的無效運行能耗產生于多個方面，按其作用大小依次為：①容積泵效；②電動機（拖動系統）效率；③皮帶與變速箱的傳動效率；④井下液體阻尼以及桿管泵內部的運動摩擦。所以，對常規游梁式抽油機單井抽汲參數整體優化是今后抽油機節能的必然趨勢。變軌柔性運行技術就是以提高泵效、降低能耗為主要目的，同時全面兼顧其他3個方面效率的綜合性系統解決方案。

2 變軌柔性運行技術

2.1 原理

變軌柔性運行技術主要由單井結構動態分析與優化控制運行中央計算機系統、具有速度轉矩分別受控能力的數字化高效電動機驅動裝置和輔助傳感器三部分組成。該技術是一種用于優化游梁式抽油機運行的實用驅動控制技術（圖1），核心是保持抽油機原設備構成完全不變，僅通過電動機主動變速，改變抽汲頻率和抽汲過程中的柱塞速度分布規律、簡化地面傳動系統和整個桿柱的結構并減小疲勞強度，實現按井下供液量自動調參、提高泵效、降低機械受力與損耗、降低系統能耗等綜合目標。變軌柔性運行技術在繼承了游梁式抽油機的形式和優點的同時，使游梁式抽油機的整體運行效果接近或達到了直線式抽油機的水平。

圖1 運行控制示意圖

2.2 目的

常規游梁式抽油機系統效率低和井下機件損耗嚴重主要是四連桿機構的曲柄旋轉、懸點直線往復運動轉換關系特性和不能及時主動調參兩個方面原因。變軌柔性運動技術作為一種計算機軟件控制下的系統優化運行體系，借助受控變速驅動，有目的地調整懸點的原有速度分布軌跡，實現對抽油機傳動系統和井下系統運行特性與效果的全面控制和改良。具體表現為：在對抽油機傳動系統和井下系統結構的動力學實時計算分析的基礎上，以桿柱和變速箱的負荷波動最小化原則作為調速運行的邊界條件，按供采平衡原則主動調整宏觀沖速，按容積泵效最大化原則優化調整每周期過程中不同位置的電動機轉速和懸點速度分布模式，實現“以供定采”和全面補救四連桿機構的運動傳遞缺陷，達到保證充滿度、消除液擊、減小泵漏、降低井下運行流體阻尼能耗、降低下行偏磨力、降低齒輪箱扭矩、消除反向發電和機械系統無沖擊柔性運行等綜合性目的。

2.3 主要特點

變軌柔性運行技術是完全柔性運行，它可廣泛應用于任何類型的游梁式抽油機，包括常規異步電動機、永磁同步電動機、異步啟動同步運行電動機、高轉差電動機、多功率電動機、多轉速電動機等。

變軌柔性運行技術提高泵效顯著，主要是：

◇供采自動平衡系統，沖速隨井下供液速度自主調整，確保每行程有液可抽、減少空載率，避免了液擊，滿足了生產中調參要求；

◇通過懸點變速調整固定閥和游動閥的開閉過程，減少開閉過程中的液體漏失，降低無效行程；

◇通過懸點變速調整上行程的全程平均速度以及過程中速度分布，控制泵筒內的壓力變化梯度，抑制溶解氣逸出，保證液體充滿度，提高排量系數；

◇調整行程換向過程中柱塞與泵筒的速度相位，獲得額外的超行程，提高有效行程，降低行程損失。

變軌柔性運行技術是完全柔性軟啟動及主動柔性運行，主控計算機依順勢而為原則，主動調整電動機的驅動輸出，以滿足系統所有主要受力部件受力平滑變化的需求（包括地面驅動、皮帶、變速箱、連桿、游梁、懸點、桿柱和柱塞等各機械受力部分），最大限度地減少了機械沖擊傷害以及由此帶來的能量損耗。即使適配自身最為剛性的永磁同步電動機，拖動系統的柔性程度也將超過自身柔性特性最佳的高轉差電動機。

電動機啟動控制器內部為游梁式抽油機專設的能量緩沖池能完全容納抽油機系統動能和勢能釋放時產生的逆向能量，保證不向電網返送干擾性電能，實現該能量的有效再利用。

3 可行性分析

高轉差電動機具有負荷越大轉差越大的特性：即負荷越重轉速越慢、越輕轉速越快。借助這一自動變速特性，地面傳動機構的運行速度不再剛性不變，高轉差電動機的主要作用是有限提高了系統運行的柔性。高轉差電動機的柔性作用是借助了本身的機械特性，故作用有限。高轉差方式不具備自適應優化調參和井下過程優化運行的優勢。

常規變頻調速可以在不改變傳動比的情況下實現調參，同時還具有上下行程按不同轉速運行的特性，變頻裝置自身特性在一定程度上增加了系統運行柔性的功能，曲柄仍為勻轉速運行，柱塞運動仍保持正弦速度分布特性，調參需人工參與，不能自適應優化調參。

智能矢量變頻調速可以實現診斷泵的充滿度和識別液面的變化，并依此實施自適應調參以達到保持液面穩定和保證較高的充滿度的功能，同時還能實現主動分配上下行程內不同的恒轉速，能調節和控制電動機的輸出轉矩，具有良好的運行柔性，但不能針對井下運動過程實現主動優化調節控制，柱塞運動仍保持近似正弦速度分布的基本特性。

變軌柔性運行技術在兼顧以上節能設備的功能后，改善了柱塞的運動方式，實現了抽汲頻率與井下供液速度的協調配合，是提高游梁式抽油機的泵效、系統效率和降低能耗最行之有效的根本性辦法。

3.1 宏觀速度優化

合適的抽汲頻率N（沖速）可以表示為單位時間內供液量Q的函數 N(Q)。在抽汲頻率N下，若Q增大，液面將上升（汲入口壓力將升高），反之將降低。因此在設定理想的沉沒壓力P0后，維持供采平衡的自適應控制的數學調整關系為：dN/dQ=常數。單行程內的水力功耗反比于汲入口壓力，因此水力功耗的變化也就代表了汲入壓力的變化。根據水力功耗的變化，以小步長增量調整抽汲頻率即可實現供采平衡和流壓的穩定。

汲入口壓力低或液體黏性大都不利于液體進泵，在抽汲周期一定時，通過控制上行程時長的方法調整充滿度。計算充滿度的要點是識別下行程過程中液柱載荷的卸載點，卸載點位移量直接代表了未充滿程度。

3.2 周期內過程速度優化

懸點運行規律優化的主要內容是在周期性抽汲過程中，在滿足桿柱結構強度和疲勞強度的限制前提下，盡可能使被懸點帶動的柱塞運行速度的波動最小，同時兼顧地面設備降低扭矩的需要。

3.3 優化目標函數

變軌柔性運行技術將井下系統最理想的運行模式設為上（下）行程內柱塞的最大運行速度盡可能接近其平均速度。將柱塞的最大速度與平均速度之差的最大值最小化作為優化目標函數。

3.4 優化邊界條件

最大角速度限制：抽油機地面設備的承受能力，決定了曲柄的旋轉速度極限值。

最大應力和應力幅：抽油桿最大應力和應力幅作為優化過程中桿柱的強度邊界條件。在一個行程的全過程中，抽油桿上任意一點的應力均不能超出最大和最小許用應力范圍。

圖2 功圖測試效果對比（北京金石GT3型測試儀）

4 現場應用效果

2010年7月2日，葡84-54井應用變軌柔性運行技術的測試效果。

4.1 電參數

該井應用變軌柔性運行技術后，日節電17.9 kW·h，有功節電率達到27.1%，綜合節電率達到34.2%。電參數測試效果對比見表1。

4.2 現場工況

在試驗井上分別使用北京金石GT3型測試儀和俄羅斯DK500次聲波回聲儀兩種儀器，對安裝前后的功圖變化情況進行了測試，結果見圖2、圖3。

從測試結果看，功圖充滿度提高，功況趨于合理。試驗后，沖速由4.4次/min降到3.6次/min，產液量穩定，沉沒度由88.4 m上升到129.1 m，系統效率由6.3%提高到8.2%，見表2。

圖3 功圖測試效果對比（俄羅斯DK500次聲波回聲儀）

表1 電參數測試效果對比

表2 生產參數測試效果對比

5 結論和認識

變軌柔性運行技術是針對游梁式抽油機系統核心問題的一種綜合解決技術。它不只是單一拖動電動機的節能，而是從源頭控制開發的全系統參數整體優化治理方案。該技術通過對地面設備的速度控制，兼顧了驅動部分、地面機械系統和井下系統等各部分的運行需要，使游梁式抽油機整體系統效率達到最佳運行效果，彌補了現有運行優化治理措施的不足。通過現場實際應用及測試數據可以看出，應用變軌柔性運行技術后，可以在保證產液量不降的前提下，動態調整沖速，提高泵的充滿程度并減少漏失量，進而改善功況運行狀態，同時降低舉升能耗，提高系統效率，延長了油井免修期，提高了經濟效益。根據第七采油廠機采井的實際情況和變軌柔性運行技術的特點及優勢，該系統在單井能耗較高的葡北和扶余地區應用較為合理。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.004

2010-11-08）

李立強，畢業于大慶石油學院，助理工程師，E-mail：liliqiang@petrochina.com.cn，地址：大慶市大同區第七采油廠工程技術大隊，163517。