抽油機井柔性運行節能技術研究與應用

李巍（大慶油田有限責任公司第八采油廠）

1 抽油機柔性運行技術組成及基本原理

柔性運行技術體系由控制柜、傳感器、中央控制三部分組成，可實現工頻運行和柔性運行。該技術運行基本原理是：啟動過程中，隨動驅動技術實現了電動機轉速由0至所需轉速，消除了啟動電流和啟動功率峰值，電動機平穩啟動；運行過程中，其運算系統對采集到的電動機旋轉過程中的角速度、角加速度信號與對應的電信號（電流、有功功率）進行運算，逐步完成其曲柄在不同轉角情況下電動機速度與加速度的優化，從而進入優化運行狀態，保證運行過程中能量的合理分配；負荷大時低轉速實現大扭矩，負荷小時高轉速實現能量的儲備，從而優化上下沖程速度，提高泵效，降低機采單耗。

2 現場應用效果分析

2.1 節能效果

現場共計應用20口井，選取11口井對比分析得到（未對比9口井，均未調試，尚處工頻狀態）：沖速下降0.2min-1，產液上升0.1t/d；沉沒度降低10.9m，系統功率上升0.2kW，噸液耗電下降1.6kWh，系統效率上升1.2個百分點（表1）。

由表1可知，應用該技術見到了產液量上升，沉沒度略有下降，系統效率上升，噸液耗電下降的整體效果。

表1 11口井安裝前后效果對比數據

2.2 啟動功率、電流

對于抽油機而言，其啟動過程需要的是較大的啟動扭矩，由于柔性啟動過程使用變頻裝置，啟動轉數由0開始逐漸升高，直至運行至該裝置所要達到的頻率。由式（1）可以得出，在該裝置啟動過程中，達到相同的扭矩時所需的功率較小，啟動電流也較低，也就是說，柔性啟動是以電動機低轉速轉動獲得大扭矩；而對于工頻狀態下的啟動，轉速瞬間內就達到電動機的額定轉數，因而只能以大功率獲得大扭矩。

式中：

M(φ)——扭矩；

P(φ)——功率；

ω(φ)——轉速。

由于沒有相應的測試儀器，不能測試出的曲線，以老區B1-11-540井啟動功率對比曲線（圖1）與啟動電流對比曲線（圖2）為例，可以明顯看出柔性運行比工頻運行狀態啟動功率和啟動電流平穩上升，減少了電動機損傷和啟動能耗。

圖1 B1-11-540井啟動過程功率曲線

圖2 B1-11-540井啟動過程電流曲線

2.3 運行功率、電流

柔性運行過程中，變頻控制抽油機工作頻率范圍為30～50Hz，而且在工作過程中的工作頻率自始至終有規律（每個沖速對應轉角的工作頻率相同）變化；因而電動機在重載情況下以較低的轉速運行，并以較低的功率提供較大的扭矩，在輕載情況下以較高的轉速運行，并提供較高的功率。如此工作，起到了削峰填谷的作用，同時消除了負功，使電動機在較高的效率下工作。借用B1-11-540井運行功率對比曲線（圖3）和運行電流對比曲線（圖4）可以明顯看出，柔性運行狀態下的運行功率和運行電流均較工頻運行狀態要低且平穩，因而運行能耗降低。

2.4 不同沉沒度井的示功圖對比

截至2013年10月底，11口井優化運行3個月左右，動液面相對平穩，優選未進行其他措施連續運行的9口井進行沉沒度分析。

2.4.1 沉沒度低于100m井的應用效果

9口井中，沉沒度低于100m的井共計2口，對比結果表明，應用該技術后沖速穩定，產液量穩定上升0.15t/d，沉沒度上升17.5m，噸液耗電下降8.15kWh，系統效率上升0.65個百分點（表2）。

圖3 B1-11-540井運行功率曲線

圖4 B1-11-540井運行電流曲線

表2 2口沉沒度低于100m井安裝前后效果對比數據

從對比數據得出，使用柔性拖動裝置后，沖速和產液量基本穩定、沉沒度回升，有效地緩解了供液不足狀態。為進一步說明這一問題，以L89-83井為例，該井沖速上升0.1min-1，產液量上升0.2t/d，沉沒度上升32m，噸液耗電下降11kWh，系統效率上升，見到了較好的效果。該井試驗前后的示功圖見圖5。

從示功圖的對比可以看出，使用柔性拖動裝置前后，示功圖并無明顯變化，但柔性運行前的最大載荷大于運行后的最大載荷，這主要是雨季加藥影響的結果。正常情況下，最大載荷應逐漸升高，是泵充滿程度提高的結果，如8—10月。將該井上、下沖程工作時間進行了對比，該井在工頻狀態下工作時，上沖程時間為10.5s，下沖程時間為9.8s；柔性狀態下工作時，上沖程時間為9.9s，下沖程時間為10.4s。工作時間分配發生了反轉，即由原來的上慢下快轉變為上快下慢。泵效上，L89-83井7、8、9、10月份的泵效分別為15.2%、17.3%、22.8%、23.9%。可見，由于下沖程慢，提高了泵的充滿程度，進而提高泵效。

圖5 L89-83井柔性運行前后示功圖

2.4.2 沉沒度100～300m井的應用效果

沉沒度100～300m的井共計應用7口，對比結果表明，應用該技術后沖速下降0.3min-1（下降7.1%），產液量上升0.2t/d（上升6.3%），沉沒度下降11.1m（下降7.5%），噸液耗電下降1.6kWh（下降幅度3.6%），系統效率上升1.4個百分點（上升幅度24.6%），詳見表3。

表3 7口沉沒度100～300m井安裝前后效果對比數據

從對比數據得出，使用柔性拖動裝置后，沖速下降、產液量穩定并略有上升、沉沒度下降，起到了增產、降液面、提高系統效率的作用。為說明這一問題，以L86-92井為例，該井試驗前后對比，沖速略下降0.1min-1，產液量上升0.4t/d，沉沒度下降1.1m，噸液耗電下降2.2kWh，系統效率上升1.7個百分點（表4）。該井試驗前后的示功圖見圖6。

表4 L86-92井安裝前后效果對比數據

圖6 L86-92井柔性運行前后示功圖

從示功圖的對比可以明顯地看出，使用柔性拖動裝置后，示功圖盡管表現出供液不足，但抽油泵的充滿程度明顯提高。同樣對該井上、下沖程工作時間進行了對比測試，該井在工頻狀態下工作時，上沖程時間為8.6s，下沖程時間為8.3s；柔性狀態下工作時上沖程時間為8.4s，下沖程時間為8.9s。工作時間分配發生了反轉，即由原來的上慢下快轉變為上快下慢，提高了泵的充滿程度。此外，該裝置在上沖程開始時有較為明顯的加速，致使示功圖最大載荷有一定程度的增加。分析認為，這一動作加快了游動閥的關閉速度，減少了游動閥的漏失，進而提高泵效，在沖速略降的情況下，產液量有較大幅度的上升。

3 技術的適應性分析

1）對于電動機功率利用率小于50%的井可直接應用與電動機額定功率相等容量的裝置，即可獲得較好的效果。當功率利用高于40%時，該技術可通過放大設備容量應用。

2）該技術對抽油機井的沉沒度無特殊要求。

3）該技術對抽油機的平衡狀況要求嚴格，平衡狀況越好，應用效果越好。

4 結論

1）柔性運行技術通過主動變速運動，實現了功率再分配，具有“削峰填谷”的作用。

2）通過主動調整抽油機上、下死點及運行過程中的線速度，實現了降低慣性負荷、提高抽油泵充滿程度。

3）柔性運行技術對抽油機沉沒度無限制，對平衡狀況要求嚴格。