抽油機變速運行控制節能效果評價

張云釗 王桂林 姚慶童 和改英（中國石油華北油田分公司第五采油廠）

隨著油田開發進入中后期，地層能量也逐漸下降，大多數油井開采速度大于地層供液能力。為了提高單井產量，部分油井加快了抽汲速度，但是過快的抽汲速度并沒有帶來產量的提高，反而提高了耗能并降低了系統效率；同時，由于井下供液能力不足，致使井下抽油泵的充滿程度不足、充滿系數低，導致抽油機上行時泵筒不能完全充滿，使游動閥到泵內流體液面的空間內形成一個低壓區。在抽油機下行時，游動閥在低壓區無法打開，當遇到泵內流體后，游動閥迅速打開，載荷從抽油桿柱轉移到油管柱上并產生液擊現象，導致系統壽命降低、能耗增加[1]。

隨著油田開采技術的發展，變頻技術已在油田上廣泛應用，趙來軍提出變頻器向閉環控制、智能診斷方向發展的思路[2]。為使油井達到供排平衡，降低油井因供液不足而造成的產量下降和能量浪費，閉環控制技術開始在多家油田應用，并取得了一定的節能效果[3-4]。2011年，柔性控制技術在游梁式抽油機上應用，達到了抽油機變速運行降低油井能耗的目的：在單周期運行過程中，通過改變曲柄運動的周向加速度，自適應調整曲柄軸承受的扭矩值和扭矩分布的變速策略，實現降低扭矩峰值和峰谷差值[5]。多數專家學者對變速運行在油田現場應用情況進行了分析評價和運行理論的研究，均得出變速運行有利于改善抽油機系統運行和能耗的結論[6-10]。

為了解決油田低效井的能耗問題，在華北油田推廣應用了變速智能控制技術，并根據各單井目前生產狀況及地面設備情況對閉環柔性控制裝置后期調試重點進行分類：一類井，泵效低，重點進行閉環控制，合理動態調整沖速；二類井，有一定供液能力，綜合采用閉環+柔性控制；三類井，供液能力較好，重點采用柔性閉環，優化工況。

1 抽油機變速運行的技術特點

1.1 技術方案

通過閉環控制技術實現抽油機井運行沖速的實時調節，達到供排協調；通過柔性控制技術控制電動機轉速實現抽油機井運行的“按需輸出”，優化單抽汲周期內系統的運行速度及加速度，提高泵的充滿程度，提高泵效及油井系統效率。抽油機井變速運行智能控制系統構架見圖1。

1.2 技術原理

閉環控制技術原理：閉環控制器直接與工控RTU進行通訊，獲取抽油機井最新一組的載荷位移數據，計算得到抽油機井的當前泵效，并與預設目標值進行對比。如果該計算值大于預設目標值，則抽油機井保持當前的抽汲參數繼續生產；如果該計算值小于預設目標值，閉環控制器則以閉環控制算法計算出新的抽汲工作制度參數，并控制抽油機井進行調參。重復上述步驟，直至抽油機井的泵效達到預設目標值為止。

圖1 抽油機井變速運行智能控制系統構架

柔性控制技術原理：根據懸點載荷變化，結合光桿運行速度與加速度的控制，消除桿柱慣性載荷的影響，通過降速增加電動機輸出扭矩實現功率輸出曲線“削峰填谷”的形態，通過載荷隨動控制實現抽油機電動機的柔性輸出，從而改善桿柱受力狀況，提高井下泵的充滿系數。

2 現場應用

2018年2月，篩選Y油田泵效低于70%、沉沒度不小于300 m、具有一定供液能力的油井17口，并實施變速運行智能控制技術。

現場對其中任意4口井在工頻和柔性運行狀態下，以及不同運行參數下的系統效率、日耗電、泵效等多方面進行測試對比（表1）。

從表1可以看出，在油井保持抽油機井生產參數不變的情況下，抽油機由工頻運行轉變到變速運行的模式，單井泵效平均增加2.73個百分點，系統效率平均增加1.47個百分點，最大載荷平均降低2.8 kN，最小載荷平均增加3.08 kN，日耗電量不降反增，平均增加14.75 kWh。

在保證油井產量不降的情況下，調小抽油機井的工作制度。由表1可知，油井在低沖速的工作制度下，較工頻運行泵效平均提高23.27個百分點，系統效率平均提高8.14個百分點，最大載荷平均降低3.4 kN，最小載荷平均增加3.7 kN，日耗電量平均下降39.25 kWh，平均節電率為17.6%。

表1 抽油機在不同運行方式下的參數對比

表2 13口井抽油機在不同運行方式下的參數對比

根據4口油井測試數據對比結果，對Y油田實施的其余13口抽油機井進行生產參數的調整（表2）。綜合17口油井數據跟蹤測試，平均泵效提高12.38個百分點，系統效率提高6.63個百分點，平均單井日節電17.95 kWh。

3 結論

1）相比工頻下的常規運行，抽油機在變速運行模式下可實時調節電動機轉速，實現抽油機井“按需輸出”運行，起到“削峰填谷”的作用，有效改善油井桿柱的受力狀況，提高井下泵的充滿程度，提高油井泵效和系統效率，降低油井能耗。

2）變速運行控制系統適合用于低沖速油井上，在低沖速運行方式下，節能效果更加顯著，油井節電率由-3.9%提高到17.6%。