抽油機井合理控制地面舉升設備能耗方法的探討

江祖楠（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

1 地面舉升設備的能耗分析

近幾年，各區塊開展系統分析，整體優化，按照以優化地面設備為首控制機采能耗，大力應有節能設備達到節能，以精細機采管理為基礎加強節能效果，以技術進步為依托擴展節能空間的整體節能思路提高節能效果，進一步降低機采井運行成本。

由此，抽油機作為常見的機采舉升設備而言，從計算的角度出發，在此討論杠桿式（常規游梁式）抽油機。應用機采井系統效率的定義[1]，可以給出系統效率。抽油機井的能耗可以分為地面設備能耗與井下抽油泵舉升能耗兩部分。在此僅討論“在供、排平衡的條件下”合理控制地面舉升設備能耗的方法。

抽油機是一個能量傳遞和轉換機械，在這一過程中，地面部分的能量損失主要發生在電動機、皮帶傳動、減速箱與四連桿機構中。此時的地面效率：

式中：η電——電動機效率，%；

η皮——皮帶傳動效率，%；

η減——減速機效率，%；

η桿——四連桿機構效率。

鑒于目前普遍應用Y系列電動機與窄V皮帶的實際情況，依據系統效率試驗區的測試結果，η電為90.5%～94%、η皮為90%～95%、η減為96.5% 、η桿為95%可知，在皮帶傳動與減速機上幾乎已無潛力可挖。在不實施更換抽油機的前提下，從“確保抽油機的平衡率在80%以上，（80%≤λ≤100%）與抽油機拖動裝置的合理匹配”上入手，來探討合理控制地面舉升設備能耗的有效途徑。

2 抽油機平衡對能耗的影響

理論研究結果表明，抽油機的凈扭矩曲線能夠較為真實的反映一個周期內、地面舉升設備的能耗變化情況，見圖1、圖2。

圖1 N7-D4調整前井凈扭矩曲線

圖2 N7-D4調整后井凈扭矩曲線

從圖1中可以看出，凈扭矩是載荷扭矩與平衡（曲柄）扭矩疊加的結果，由此推斷抽油機平衡對地面舉升設備能耗是有影響的。

鑒于抽油機平衡的基本理論是保證電動機在相對較為平穩條件下工作，依據Q/SY 1233—2009標準[2]，給出了調整抽油機平衡的三個原則：使上、下沖程電動機作功相等；使上、下沖程中減速器曲柄軸的最大凈扭矩相等；使減速器曲柄軸瞬時切線力與平均切線力的偏差平方和最小。

只要滿足上述三原則中一個就能保證抽油機在平衡條件下工作，在此確定選用“使上、下沖程電動機作功相等”的原則，來進行抽油機井平衡的調整，此方法稱為功率法。當功率平衡度小于0.6時，可判定抽油機不平衡，需對抽油機進行平衡調整。

依據“上、下沖程電動機做功相等”的原則，在現場選了3口井實施了平衡調整，并與電流平衡法實施了比對，從表1中可以看出，對于電流法不平衡井N7-1而言，應用功率法來調整平衡其節能效果顯著、達到了23.77%；對于電流法平衡的井N7-20而言，當電流法平衡率大于或等于95%時，應用功率法調整平衡的節能效果不明顯，僅為1.36%。

從圖3、圖4中可以看出，N7-30井應用電流法判斷平衡時，上沖程120°附近電動機做負功，應用功率法調整平衡時，可以消除120°附近的負功，這就是功率法調整平衡能夠節能的原理所在。

圖3 N7-30井調整前電功率曲線

圖4 N7-30井調整后電功率曲線

3 地面舉升能耗合理匹配的設計方法

在以往的基礎理論中，在抽油機平衡的條件下，依據抽油機的凈扭矩曲線計算出的均方根扭矩就是匹配其拖動電動機的理論依據。研究結果表明，由于“凈扭矩曲線”中存在峰值，依據均方根扭矩來匹配的電動機其功率偏小，多數情況下存在電動機過載現象。

依據均方根扭矩、凈扭矩曲線峰值來匹配的電動機功率偏小在此選取了4口井進行比對，結果見表2、表3。依據均方根扭矩來匹配電動機功率偏下，依據凈扭矩曲線來匹配電動機是合理的。依據凈扭矩曲線峰值來匹配電動機的方法，對N7-30井進行了實踐，見到較好的節能效果，系統效率由42.88%提高到54.90%，有功節電率21.89%（表4）。

表1 3口井試驗數據對比

表2 4口井應用均方根扭矩計算結果統計

表3 4口井應用扭矩峰值計算結果統計

表4 N7-30井電動機合理匹配效果統計

試驗結果表明，依據凈扭矩曲線峰值來匹配電動機是合理的。但是在現場人們往往很難得到實際凈扭矩曲線，在此推薦應用“拉瑪扎諾夫”經驗公式[3]來計算扭矩曲線中的峰值，其相對誤差在5%以內，能夠滿足現場要求。

遼河油田特油公司SAGD2#注汽站

4 結論

抽油機井合理控制地面舉升設備能耗的方法為：在供、采平衡的條件下，實現抽油機舉升能耗的合理匹配；在供、采平衡的條件下，推薦應用功率法調整平衡；當電流法平衡率為時，無須再用功率法調整平衡；依據凈扭矩曲線峰值來匹配電動機的方法，對1口井進行了實踐，見到較好的節能效果，系統效率由42.88%提高到54.90%，有功節電率21.89%；實現抽油機舉升能耗的合理匹配時，推薦采用“拉瑪扎諾夫”經驗公式實施計算。