我國數(shù)字化抽油機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

馮垚楊繼忠廖建春

（1中國石油天然氣管道局國內(nèi)事業(yè)部 2中國石油集團(tuán)渤海石油裝備新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司）

一、引言

隨著我國數(shù)字化油田的發(fā)展和各種傳感器和控制技術(shù)（如傳感器、變頻電機(jī)及變頻控制柜）的成熟和日益普及[1]，近幾年來我國游梁式數(shù)字化抽油機(jī)（以下簡稱數(shù)字化抽油機(jī)）發(fā)展迅速，在長慶油田、華北油田、大港油田、青海油田得到了大面積的推廣應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域從石油天然氣領(lǐng)域也擴(kuò)大到了非常規(guī)資源煤層氣的開采當(dāng)中。與傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)相比，數(shù)字化抽油機(jī)機(jī)采效率可提高5%以上，綜合節(jié)電率達(dá)30%以上。不但如此，由于數(shù)字化抽油機(jī)具有平衡和沖次自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，因此使用數(shù)字化抽油機(jī)還可以大幅度改善職工勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約用工成本[2]。

數(shù)字化抽油機(jī)是將傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)與現(xiàn)代先進(jìn)的信息采集技術(shù)和電氣控制技術(shù)完美結(jié)合，使其具有自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程控制、實(shí)現(xiàn)不停機(jī)狀態(tài)下智能調(diào)節(jié)平衡、自動(dòng)調(diào)節(jié)沖次、語音提示及語音報(bào)警、實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和過載保護(hù)的高效節(jié)能抽油機(jī)[3～4]，是新一代工業(yè)化與信息化高度融合的采油設(shè)備。

二、我國數(shù)字化抽油機(jī)的研究情況

我國進(jìn)行數(shù)字化抽油機(jī)的理論研究并不晚。早在上世紀(jì)80年代，就有關(guān)于數(shù)字化抽油機(jī)的文獻(xiàn)記載，在1987年第5期《石油礦場機(jī)械》中“游梁式抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀與展望”一文中就提到了在游梁式抽油機(jī)上安裝自動(dòng)平衡裝置的論述[5]。但由于當(dāng)時(shí)我國抽油機(jī)制造業(yè)還處于引進(jìn)消化吸收階段，再加之當(dāng)時(shí)傳感器和控制技術(shù)還處于萌芽階段。因此，該機(jī)只處于初期研究狀態(tài)，沒有進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。

直到20世紀(jì)末21世紀(jì)初，隨著我國彎游梁抽油機(jī)、下偏杠鈴式抽油機(jī)等節(jié)能型抽油機(jī)和先進(jìn)的傳感器和電氣控制技術(shù)的普及，以及我國現(xiàn)代化數(shù)字油田建設(shè)的需要，推動(dòng)了我國數(shù)字化抽油機(jī)的快速發(fā)展。

尤其是近幾年，我國已有多家抽油機(jī)生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了數(shù)字化抽油機(jī)，2011年，長慶油田機(jī)械制造總廠根據(jù)長慶油田數(shù)字化建設(shè)的需要，在河北華油一機(jī)抽油機(jī)有限公司、新疆第三機(jī)床廠、南陽機(jī)械公司的配合下，率先開發(fā)了4、5、6、7、8、9、10等七種規(guī)格的數(shù)字化抽油機(jī)，該抽油機(jī)借鑒了下偏杠鈴型抽油機(jī)的節(jié)能理念，根據(jù)載荷等的變化情況，通過游梁上的渦輪絲杠升降機(jī)帶動(dòng)游梁尾部的擺動(dòng)錘在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平衡調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能的目的[2],[6]，該機(jī)主要在長慶油田應(yīng)用。

2012年3月，河北華油一機(jī)抽油機(jī)有限公司根據(jù)煤層氣市場新需求，又研制開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型數(shù)字化抽油機(jī)，又稱可自動(dòng)調(diào)整平衡的抽油機(jī)，完成了3、4、5、6、8等5種規(guī)格的研制，該數(shù)字化抽油機(jī)借鑒了彎游梁抽油機(jī)的節(jié)能特點(diǎn)，通過游梁上的升降機(jī)帶動(dòng)游梁尾部平衡塊沿游梁上下移動(dòng)，從而改變平衡力臂，達(dá)到調(diào)節(jié)平衡的目的。該機(jī)主要在華北油田山西煤層氣和長治煤層氣公司應(yīng)用。同年，新疆第三機(jī)床廠、河北華北榮盛公司也相繼開發(fā)了數(shù)字化抽油機(jī)。2013年中國石油渤海裝備新世紀(jì)公司成功開發(fā)了太陽能儲能數(shù)字化抽油機(jī)，也叫太陽能儲能自平衡抽油機(jī)。該數(shù)字化抽油機(jī)將游梁尾部升降機(jī)設(shè)計(jì)成完全依靠太陽能驅(qū)動(dòng)游標(biāo)齒輪、齒條嚙合的配重調(diào)節(jié)裝置。太陽能數(shù)字化抽油機(jī)平衡游標(biāo)對外沒有任何連接線路，動(dòng)力完全由太陽能提供，采用無線通訊控制，所有控制功能操作及參數(shù)設(shè)置都在人機(jī)控制界面中進(jìn)行。該機(jī)主要在大港油田和青海油田應(yīng)用。

1.數(shù)字化油田建設(shè)的需要

我國許多大油氣田（例如長慶油田），具有工作區(qū)域廣，勘探面積大，再加上有些油區(qū)的自然環(huán)境惡劣，生產(chǎn)生活條件艱苦，生產(chǎn)設(shè)施多，管理難度大。為解決大油氣田在管理中面臨的用工總量多、生產(chǎn)建設(shè)成本高和管理難度大的問題，國內(nèi)已有許多油田提出了對油田進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)。數(shù)字化油田建設(shè)的基本思路是指應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、視頻和數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對井場（主要設(shè)備抽油機(jī)）、管線、站場等基本生產(chǎn)單元的有效管理和控制，以及“多級監(jiān)控、流程管理、同一平臺、數(shù)據(jù)共享、智能分析、實(shí)時(shí)預(yù)警、精確定位、協(xié)同動(dòng)作”，達(dá)到過程受控、強(qiáng)化安全、節(jié)約人力資源和提高效益的目的[7]。

2.節(jié)能降耗的要求

我國的油田不像中東的油田那樣有很強(qiáng)的自噴能力，多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，大部分油田要靠注水壓油入井，再用抽油機(jī)把油從地層中提升上來。以水換油或者以電換油是我國油田的現(xiàn)實(shí)，因而，電費(fèi)在我國的石油開采成本中占了相當(dāng)大的比例，所以，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅大慶油田，傳統(tǒng)抽油機(jī)一年的耗電費(fèi)用就是600多億元。加之我國抽油機(jī)運(yùn)行效率普遍偏低，平均效率25.96%，國外為30.05%，提高我國抽油機(jī)運(yùn)行效率也是間接的節(jié)能降耗。

數(shù)字化抽油機(jī)的平衡和沖次是通過電信號實(shí)時(shí)監(jiān)測油井載荷變化和泵筒充滿系數(shù)而對平衡和沖次進(jìn)行調(diào)節(jié)的。也就是說，數(shù)字化抽油機(jī)的平衡和沖次調(diào)節(jié)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，是在不停機(jī)的狀態(tài)下進(jìn)行的。這樣既保證了抽油機(jī)能時(shí)刻保持平衡狀態(tài)運(yùn)行，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)沖次來保證泵筒充滿系數(shù)，進(jìn)而提高抽油機(jī)的系統(tǒng)運(yùn)行效率，又能避免空抽和停機(jī)狀態(tài)調(diào)參對油田產(chǎn)量的影響。

3.抽油機(jī)電控裝置快速發(fā)展的要求

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國內(nèi)對石油的需求量逐年增加，近幾年國內(nèi)抽油機(jī)的使用量大幅增加，約為10萬臺每年。作為石油生產(chǎn)中用電消耗大戶之一的抽油機(jī)節(jié)能受到了各油田的普遍重視。對抽油機(jī)節(jié)電裝置的研究，引起了國內(nèi)電力電子及特種電源行業(yè)的普遍關(guān)注，如今在各油田已投運(yùn)的電控裝置有幾十種。其主要包括：角位移傳感器、載荷傳感器、示工圖模塊、采集模塊、數(shù)字化控制柜等單元組成。這些控制器與數(shù)字化抽油機(jī)有機(jī)結(jié)合，并通過因特網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對采集的信號進(jìn)行分析、處理、輸出等操作，完成對抽油機(jī)采油的全程動(dòng)態(tài)控制[8-9]。

4.抽油機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)快速發(fā)展的要求

抽油機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)主要通過在線監(jiān)測和錄取抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷、位移數(shù)據(jù)、電參量、壓力、溫度、流量等參數(shù)，并通過通訊系統(tǒng)傳輸給中央監(jiān)控系統(tǒng)，中央監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與處理后，進(jìn)行動(dòng)液面計(jì)算、功圖算產(chǎn)等計(jì)算處理，再結(jié)合網(wǎng)頁顯示軟件與管理人員進(jìn)行交互式溝通。管理人員根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況對油井進(jìn)行自動(dòng)閉環(huán)控制。自動(dòng)閉環(huán)控制主要是根據(jù)設(shè)定的抽油泵理想充滿系數(shù)值對抽油機(jī)變頻控制，調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次、平衡狀態(tài)，使抽油泵和抽油機(jī)始終在理想的充滿系數(shù)和平衡度條件下工作，從而大大提高抽油機(jī)系統(tǒng)工作效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的[10]。

三、數(shù)字化抽油機(jī)的現(xiàn)場應(yīng)用

隨著長慶油田數(shù)字化油田和華北油田智慧油田建設(shè)的需要，長慶油田機(jī)械制造總廠設(shè)計(jì)制造的數(shù)字化5、6、7、8型數(shù)字化抽油機(jī)和新疆第三機(jī)床廠生產(chǎn)的8、9、10型數(shù)字化抽油機(jī)已經(jīng)大批量在長慶油田各個(gè)采油廠投入應(yīng)用。河北華油一機(jī)抽油機(jī)有限公司生產(chǎn)的3、4、5、6、8型數(shù)字化抽油機(jī)和河北華北榮盛公司生產(chǎn)的數(shù)字化抽油機(jī)分別在華北油田山西煤層氣現(xiàn)場和華北油田二連分公司現(xiàn)場大規(guī)模應(yīng)用。中國石油渤海裝備新世紀(jì)公司生產(chǎn)的太陽能驅(qū)數(shù)字化抽油機(jī)在大港油田獲得應(yīng)用，并為青海油田進(jìn)行了常規(guī)抽油機(jī)數(shù)字化改造，也取得了不錯(cuò)的效果。此外，陜西延長油田公司等一些石油企業(yè)也逐步開始研制并使用數(shù)字化抽油機(jī)進(jìn)行油田生產(chǎn)。截至目前，我國數(shù)字化抽油機(jī)使用量已經(jīng)達(dá)到了10000多臺，應(yīng)用效果良好，節(jié)能效果顯著，如節(jié)電率按35%計(jì)算，年節(jié)電費(fèi)用約為1.5億元，得到了油田用戶的一致認(rèn)可[11-13]。

結(jié)語

數(shù)字化抽油機(jī)在我國大規(guī)模推廣應(yīng)用時(shí)間還很短，雖然在應(yīng)用過程中出現(xiàn)了一些問題，但是，數(shù)字化抽油機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)開啟了我國機(jī)械采油從機(jī)電一體化向電氣一體化時(shí)代的轉(zhuǎn)變，為今后油田物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到來奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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