一種新型間抽裝置在油田應用

黃書生（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

隨著外圍油田開發時間的延長，油井的產量不斷下降，含水上升，將出現大量的低產低效井，這部分油井，在抽油機參數最小時，還是存在供液不足的情況，就是利用變頻調速裝置進行減速，也無法滿足供排關系[1]，為了實現高效運行，節約成本，這部分油井現在主要通過間抽方式進行采油，2015年共實施間抽3017井次。然而，間抽方式采油存在長時間停井啟動困難易卡井、液面波動大、冬季井口易凍、人工啟機管理難度大等問題。通過間抽井自動啟停技術[2]可使這些問題得到有效控制。然而，目前大部分油田因抽油機井在村屯附近，為了保證附近民眾和牲畜的安全，間抽井不能使用自動啟停技術，還是需要人工啟停。經過多年研究摸索，總結出間抽井曲柄小范圍擺動與整周期正常運行模式切換的運行方式，可使抽油機井在不停井的情況下，能夠連續、安全、穩定、合理、高效的運行，并達到節能降耗的目的。

1 不停井間抽裝置原理

不停井間抽節能技術是在多功能調速裝置的基礎上增加了兩個硬件設備：輔助控制裝置和位置傳感器，輔助控制裝置將控制指令傳送給變頻器的主控芯片，變頻器按照控制指令進行整周期正常運行，同時將運行狀態反饋給輔助控制裝置。當整周期運行時間達到設定的時間時，輔助控制裝置向變頻器發送一個擺動運行指令，變頻器接收到指令后，抽油機曲柄運行到位置傳感器附近時，運行方式轉換為擺動運行，并將當前擺動頻率和擺動角度等信息回饋給輔助控制裝置，當正向擺動角度到達所設定的角度時，輔助控制器發出反轉指令，變頻器通過主控芯片處理控制逆變模塊的工作狀態，從而驅動電動機反轉，當反轉到達所設定的角度時，輔助控制器發出正轉指令，變頻器驅動電動機正轉，直到擺動時間到達設定時間后重新切換到整周期正常運行。

2 曲柄擺動角度確定

抽油機井曲柄擺動運行后要滿足兩方面要求：一是曲柄擺動后，抽油泵活塞不移動；二是電動機能耗最低。

2.1 抽油機井桿柱彈性形變量優化設計

合理優化曲柄擺動運行時的光桿位移量是有效控制擺動運行能耗的關鍵問題。通過抽油機井理論示功圖分析可以看出，在抽油機井驢頭下死點和上死點剛剛受力時，桿、管發生彈性形變，這時活塞并沒有跟著光桿發生位移，這段變形量稱為沖程損失（桿損）。抽油機井曲柄擺動運行時，假如光桿運行的位移量在桿損的范圍內，此時既保證了抽油機井桿柱有效位移量，解決了抽油機井冬季長時間停井易卡井的問題，同時又可實現抽油泵活塞不移動，電動機消耗功率最小，所以抽油機井曲柄擺動運行時的位移量應小于或等于桿損。抽油桿彈性形變所引起的桿損[3]可由下式表示：

式中：λ1——桿損，m；

ρm——井液密度，kg/m3;

g——重力加速度，m/s2;

AP——泵柱塞橫截面積，m2;

Lf——折算動液面深度，m;

Er——抽油桿彈性模量，N/m2;

Lri——各級抽油桿的長度，m;

nr——抽油桿級數。

以B井為例，該區塊油密度為849.7 kg/m3，該井抽油泵泵徑為38 cm，動液面為999.4 m，碳鋼彈性模量為2.0×105～2.1×105MPa，?28光桿長9.2 m，?22抽油桿總長231.3m，?19抽油桿總長906.7 m。

將抽油機井各項數據代入式（1）可以得出桿損為0.172 m。因此抽油桿彈性形變所引起的桿損為0.172 m，抽油機井擺動運行時，將光桿直線位移距離設計為小于或等于0.172 m，這時抽油泵活塞并未移動，光桿及桿柱實現了有效的位移量，電動機所做的功也較小，同時節能效果也較好。

2.2 抽油機井曲柄擺動角度優化設計

在忽略抽油機井運行中皮帶拉伸量的前提下，曲柄擺動角度的大小就反映為抽油機井光桿的最大位移量，因此知道抽油機井實際沖程最大量和擺動運行光桿最大位移量，就可計算出抽油機井曲柄允許最大擺動角度，同時也可以根據現場抽油機井實際擺動運行時要求的桿柱位移量計算出抽油機井曲柄所需設計的擺動角度。

其中擺動運行光桿最大位移量即為桿柱損失量，所以抽油機井曲柄允許最大擺動角度[3]可由下式表示：

式中：φmax——允許最大擺動角度，°；

Smax——實際運行中最大沖程，m。以B井為例，該井現場實際運行中最大沖程2.1 m，桿損為0.172 m，代入式（2）可以得出φmax為±15°。

因此抽油機井允許最大擺動角度為±15°，所以抽油機井擺動角度在±15°以內時，這時抽油泵活塞并未移動，擺動運行節能效果較好，在實際運行中可以根據該井實際情況，通過設計光桿位移量，合理制定擺動角度，該井擺動角度不超過±15°即可，后期電動機采用隨動控制方式控制擺動運行，擺動運行時未對泵筒做功，因此在允許最大擺動角度內，擺動角度大小基本不影響節能效果。

3 現場試驗

3.1 抽油機井曲柄擺動運行方式優化設計

通過輔助控制器可以實現抽油井曲柄多種方式擺動運行，在以抽油機井穩定性和節電率為基礎前提條件時，現場主要試驗了三種運行方式：第一種是反向曲柄自重擺動運行[4]；第二種是變頻器直流制動擺動運行[5]；第三種是電動機隨動控制擺動運行。

3.1.1 反向曲柄自重擺動運行

反向曲柄自重擺動運行是在擺動運行時，由輔助控制裝置只給變頻器發送正轉和停止命令，當平衡塊正轉到達指定位置后，控制器發送給變頻器停止命令，電動機停止運行，這時完全依靠平衡塊與抽油桿自身重量關系使平衡塊反方向運行，當反向運行一段時間后，輔助控制裝置再發送一個正向轉動命令給變頻器，變頻器控制電動機正向運行，抽油機曲柄按照這個模式往復擺動運行，直到擺動運行結束后，由控制裝置發送整周期正常運行指令給變頻器，抽油機井恢復正常運行。通過現場試驗發現，這種方式曲柄擺動運行時，電動機只需要正方向運行時做功，節電效果較好，但抽油機井平衡率差時，將會導致平衡塊反轉無法到達指定位置。

3.1.2 變頻器直流制動擺動運行

變頻器直流制動擺動運行是在擺動運行時，由輔助控制裝置給變頻器發送正轉和反轉命令，變頻器實時監控電動機轉速，當將要達到擺動最大角度時，變頻器通過逆變直流輸出一個相反的力矩，使曲柄停止運動，并控制電動機反向運行，當反向將要到達擺動最大角度時，變頻器再輸出一個相反的力矩，這樣就能夠實現抽油機井曲柄反復擺動運行。通過現場試驗發現，這種方式曲柄擺動運行時，變頻器對停止位置控制比較精確，運行中基本不需要調整擺動位置，運行穩定性較好，但擺動速度過快時，每次反向制動為了及時減速，抽油機井曲柄制動過程都會有頓挫感，長時間運行會加劇抽油機井減速箱齒輪的磨損，同時也會增大有功能耗。

3.1.3 電動機隨動控制擺動運行

電動機隨動控制擺動運行是在擺動運行時，由輔助控制裝置給變頻器發送正轉和反轉命令，變頻器給電動機設定一個恒定的擺動頻率運行，并根據設定的擺動角度和輸出功率大小，以位置傳感器為中心自動判定變換方向的時間和位置，因運行頻率一定，擺動時平衡塊角度誤差較小，同時通過位置傳感器對平衡塊位置進行周期性校正，完全避免了擺動時角度累計的誤差，這樣使整個擺動運行過程更加平穩，節能效果也較好。

通過現場試驗證明，反向曲柄自重擺動運行節能效果雖然明顯，但對抽油機井要求較好，穩定性較差；變頻器直流制動擺動運行穩定性較好，但在擺動運行時增加了抽油機井減速箱的磨損，節能效果一般；電動機隨動控制擺動運行方式能夠廣泛適用于游梁式抽油機井，采用隨動控制，使擺動運行方向轉換過程更加順暢，能夠長時間穩定可靠運行，節能效果較好。

3.2 抽油機井運行周期優化設計

根據區塊和油井的不同，抽油機井運行周期會有不同的優化設計，但主要宗旨是以油井壓力恢復曲線為基礎，參照該曲線制定相應間抽制度，并根據相應的間抽制度來制定組合運行周期，同時也可根據原有間抽制度制定相應組合運行周期。以0.5 h、1 h為界限，在這個時間段內設置不同的擺動運行和整周期運行時間組合，對每個組合進行生產情況進行連續測試、跟蹤，以功圖、液面正常的時間組合為該井的生產方式。

3.3 應用效果

3.3.1 單井應用效果

1）單井優化生產參數對比。對FF隊5口試驗井產液量和動液面進行單井跟蹤，措施后產液量、動液面基本保持穩定，泵效有明顯好轉（表1），示功圖曲線趨于正常（圖1）。

2）單井機采能耗前后對比。以B井為例，工作模式以30 min為一個周期，整周期運行15 min，擺動運行15 min，擺動角度為15°，與原運行模式能耗對比可以看出，主要生產參數基本未變，泵效提高2.79個百分點，系統效率提高3.2個百分點，通過運行時間可以計算出單井日節電31.7 kWh，有功節電率38.8%（表2）。

表1 5口試驗井單井生產參數統計

表2 B井試驗前后數據對比

下圖為B井現場擺動運行與整周期正常運行轉換過程能耗測試曲線圖（圖2），實測擺動運行有功功率為0.76 kWh，整周期正常運行有功功率為3.4 kWh，根據運行周期可以計算出組合運行時有功功率為2.1 kWh，同時可以看出整周期運行功率遠大于擺動運行有功功率。

圖1 B井措施前后示功圖對比

圖2 B井組合運行能耗測試曲線

3.3.2 整體應用效果

根據現場試驗合理優化設計制定試驗井運行周期和組合運行方式，通過一年的實際運行，使5口試驗井泵效和動液面都有較好的改善，平均動液面降低15.5 m，平均泵效提高6.6個百分點，平均有功功率下降1.04 kW，平均系統效率提高2.5個百分點，平均日節電24.9 kWh，平均有功節電率35.5%，5口井年可節電4.36×104kWh，年可節約電費2.78萬元。

4 結論

1）新型間抽裝置通過合理設計擺動運行的時間和角度，使低產低效間抽井能夠持續穩定運行，解決了間抽井長時間停井，電動機啟動困難、井口易凍、易卡井的問題。

2）能夠改善低產低效井供排關系，減少燒泵現象的發生，使沉沒度更加趨于穩定，有效提高泵效，同時大大減少抽油機井電動機啟動頻次，降低現場操作員工工作強度，為間抽井制度全面開展提供有利保證。

[1]胥晉.薩中油田抽油機多功能調速裝置功能試驗和應用界限研究[J].石油石化節能，2017（2）：17-18.

[2]李英湛.葡萄花油田低產低效井間抽自動控制技術應用[J].石油石化節能，2013（3）：13-15.

[3]陳濤平，胡靖邦.石油工程[M].北京：石油工業出版社，1999：295-307.

[4]秦曾煌.電工學（上冊）[M].第五版.北京：高等教育出版社，1999：285-286.

[5]李方園，黃培.變頻器控制技術[M].第二版.北京：電子工業出版社，2015：3-5.