某油田機采節能新技術應用分析

王健（中國石油天然氣集團有限公司節能技術監測評價中心）

1 拖動裝置

某油田目前已進入特高含水期開發階段，高含水、高能耗的問題日趨嚴峻。低產井供液不足是機采系統效率偏低的主要原因之一。為降低低產井運行能耗，提高系統效率，應用了永磁半直驅拖動裝置、機采井不停機間抽控制裝置等多項措施，取得了較好地節能效果[1-3]。

1.1 永磁半直驅拖動裝置

常規游梁式抽油機有電動機、皮帶、齒輪箱三個旋轉驅動環節。電動機通常為異步電動機，但由于抽油機每一個沖次內負載轉矩不均衡，而電動機輕載時的效率及功率因數很低，因此平均效率和平均功率因數不高。

1.1.1 工作原理

永磁半直驅[4]同步拖動裝置是專為油田游梁式抽油機設計的低速大轉矩永磁同步電動機，永磁半直驅同步電動機利用超薄機身，直接安裝在減速箱上，直接驅動抽油機減速箱的輸入軸，取消皮帶傳動系統，可以最低至0.1次/min，同時，免去了皮帶等傳動部件，提高了機采效率，有效的降低故障率及維修維護成本。

1.1.2 技術特點

1）運行能耗低。采用高效稀土永磁半直驅同步電動機，不存在滑差，轉速平穩，低負載率時的運行效率明顯高于異步電動機。

2）傳動效率高。電動機直接安裝在減速箱輸入軸上，取消了傳統的皮帶傳動，解決了皮帶運行過程中打滑、易磨損等一系列問題，從而消除了皮帶傳動損失，提高了傳動效率。

3）維護費用低。無需更換皮帶，無需調節皮帶松緊度，無需通過更換皮帶輪調整舉升運行參數，降低了工人勞動強度與運行維護成本。

4）參數調整方便。永磁半直驅同步拖動裝置，可以通過調整電動機頻率來調節抽油機沖次，實現沖次的任意調整，最低沖次可以達到0.1次/min，解決了低產低效油井地面參數調整困難的問題，為油井的參數優化調整提供了保障。

5）提高系統壽命。皮帶減速機構最大的危害是皮帶會給減速機施加一個單邊拉力，使得減速機軸承及支撐件出現偏磨現象，降低零部件壽命，永磁半直驅避免了這些問題，有效提高系統壽命。

1.1.3 技術適應性

永磁半直驅拖動裝置適用于所有常規型游梁抽油機井節能升級改造。安裝采用現場焊接的安裝方式，將電動機支架焊接在減速箱側面。結構簡單，安裝方便，可根據現場需求定制電動機性能與外形尺寸。

1.1.4 應用情況及效果

截至目前，油田對638口機采井實施永磁半直驅拖動裝置技術應用。按照標準對5口機采井進行節能測試評價，改造前后對比，有功功率降低0.52 kW，平均系統效率提高5.7%，平均有功節電率達到14.12%，綜合節電率為14.13%。永磁半直驅裝置應用測試前后對比見表1、永磁半直驅總體節能效果見表2。

表1 永磁半直驅裝置應用測試前后對比Tab.1 Comparison before and after application test of permanent magnet semi-direct drive device

表2 永磁半直驅總體節能效果Tab.2 Overall energy-saving effect of permanent magnet semidirect drive

1.2 不停機間抽裝置

針對外圍油田間抽井控制管理及冬季夜間停機易發生凍堵、突然起機導致的人員傷亡等問題，開展了不停機間抽[5]控制理論及控制方法的設計，形成了曲柄擺動定位技術和柔性驅動技術，隨后開展了低能耗、無沖擊驅動技術研究，研制了不停機間抽裝置，驗證了技術可行性和節能效果。“十三五”以來，通過不斷優化完善，解決了曲柄擺動過程中皮帶易磨損等問題，增強了裝置的適應性和可靠性，并進一步擴大了試驗應用規模。

1.2.1 工作原理

不停機間抽技術運行過程中，抽油機曲柄以整周運行與擺動運行組合方式工作，整周運行采用工頻驅動，擺動運行采用變頻驅動，將長時間停機的常規間抽工藝改為曲柄低耗擺動、井下泵停抽的不停機短周期間抽工藝。

1.2.2 技術特點

1）運行效率高。停抽時曲柄做低能耗小角度擺動，擺動時桿柱運動控制在彈性變形范圍內，桿柱在井筒中擾動井液，防止凍井口和井筒結蠟，井下柱塞保持不動；到設定間隔，電動機自動柔性啟動，抽油機連續運行抽油，井下動液面基本穩定、地面抽汲參數合理匹配。

2）控制成本低。整周運行采用工頻驅動，擺動運行采用變頻驅動，由于擺動運行負載低，降低運行成本。

3）曲柄無沖擊低能耗擺動。變頻驅動器控制電動機，在負載最低點附近利用曲柄勢能與動能的轉換，以柔性加載斷續供電的方式實現曲柄低能耗擺動。

4）調參范圍大，有利于供排協調。不停機間抽在不改變抽油機其他參數的條件下，僅通過間歇運行時間調整即可實現理論排量大范圍調整。

5）無人值守。實現了間抽井停抽不停機，有效減少了間抽井的人為啟停工作量。

6）延長檢泵周期。泵況明顯改善，充滿度大幅提高，消除供液不足帶來的液擊及干磨問題，減少桿管磨損。

表3 不停機間抽裝置應用測試前后對比Tab.3 Comparison before and after application test of pumping device in non-stop room

表4 不停機間抽裝置總體節能效果Tab.4 Overall energy-saving effect of pumping unit in non-stop room

1.2.3 應用情況及效果

截至目前，油田對6 259口抽油機實施不停機間抽裝置技術應用。按照標準對10口抽油機進行節能測試評價，不停機間抽裝置應用測試前后對比見表3、系統效率提高3%，節電率能夠達到13%，單井年節電為9 258 kWh。據此測算，油田對638口抽油機實施不停機間抽裝置技術應用，不停機間抽裝置總體節能效果見表4、年節電為5 794.58×104kWh，折標煤19 347 t，兩種拖動裝置的的節能效果對比見表5。

表5 兩種拖動裝置的的節能效果對比Tab.5 Comparison of energy-saving effect of two kinds of driving devices

由表5可知，永磁半直驅拖動裝置的單臺年節電量明顯高于不停機間抽裝置。

2 節能電動機類型

近年來，某油田積極選用了各種類型的節能電動機。某油田在用節能電動機主要有高轉差電動機[6]、永磁同步電動機[7]、高啟動轉矩電動機[8]等。節能電動機的廣泛使用，對抽油機井節能降耗起到了積極的作用。

2.1 高轉差電動機

節能原理：該電動機利用啟動過程中轉差率范圍大的優勢獲得較大的啟動轉矩，有效降低裝機功率。

應用范圍：該類電動機適合工況多變的油井或抽油機要求沖次范圍大、單速電動機無法滿足要求的井。

節電效果：截至目前，油田對100口抽油機實施高轉差電動機技術應用。按照標準對20口抽油機進行節能測試評價，改造前后對比，系統效率提高4.21%，平均有功節電為10.56%。

2.2 永磁同步電動機

節能原理：永磁同步電動機為同步工作方式，轉子轉速與定子旋轉磁場完全同步，與異步電動機相比，無轉差損耗。

應用范圍：永磁電動機具有運行效率高、功率因數高、啟動扭矩大、過載能力強等特點，應用廣泛，適合作為老化、低效、高耗能的常規電動機的替代電動機。

節電效果：截至目前，油田對80口抽油機實施高轉差電動機技術應用。按照標準對16口抽油機進行節能測試評價，改造前后對比，無功節電率達60%以上，有功節電率達20%。

2.3 高扭矩節能電動機

節能原理：高扭矩電動機Y-Δ混合繞組，可減少諧波磁勢[9]，從而減少電動機的雜散損耗，與同功率等級的Y系列電動機相比，雜損降低了2/3以上，提高了電動機的運行效率。

應用范圍：較適合應用在負載大、電動機功率利用率低的抽油機井，可在降低裝機功率的同時保證電動機的正常啟動。

節電效果：截至目前，油田對120口抽油機實施高扭矩節能電動機技術應用。按照標準對24口抽油機進行節能測試評價，改造前后對比，平均有功節電率可達到13.79%。

由以上分析可知，永磁同步電動機的有功節電率明顯高于高轉差電動機、高扭矩節能電動機[10]。

3 結論

1）當選擇具體的節能拖動裝置時，建議選用永磁半直驅拖動裝置；對于供液不足的低產井，建議選用不停機間抽裝置。

2）高轉差電動機適合工況多變的油井或抽油機要求沖次范圍大、單速電動機無法滿足要求的井。

3）永磁同步電動機適合作為老化、低效、高耗能的常規電動機的替代電動機。

4）高扭矩節能電動機適合應用在負載大、電動機功率利用率低的抽油機井。