抽油機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用和常見問題的分析及應(yīng)對策略

李 巖 馬軍嶺

(中國石化河南油田分公司采油二廠，河南唐河 473400)

我國經(jīng)濟的快速發(fā)展使得各項技術(shù)得到了大力發(fā)展，尤其是節(jié)能降耗技術(shù)。隨著各類節(jié)能降耗技術(shù)的快速發(fā)展，其在各行業(yè)以及各企業(yè)中的應(yīng)用范圍不斷地在擴大[1]。在油田企業(yè)中，抽油機對于能源的消耗很大，所以文章將油田抽油機節(jié)能降耗技術(shù)及應(yīng)用作為探討對象。文章分析了油田抽油機能耗高的各種原因，并且探討了油田抽油機的各種節(jié)能降耗技術(shù)及應(yīng)用。

1.專用變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

1.1 常用抽油機問題

現(xiàn)階段油田石油開采過程中使用的抽油設(shè)備多為游梁式抽油機，該種抽油機類型在市場上最為多見，但是在使用過程中仍然存在一定問題。游梁式抽油機在使用過程中需反復(fù)上下提升，每個沖程提升一次，滑塊提升采油機桿進入井內(nèi)，滑塊下降采油機桿將油帶出，這種情況下當(dāng)滑塊再次下降其負(fù)載逐漸降低，其拖動能量小無法吸引電動機，使電動機處于重復(fù)發(fā)電狀態(tài)，多余電量會喪失導(dǎo)致功率降低。而高壓沖擊多次會造成電動機出現(xiàn)損壞，由于設(shè)備維修成本較高，因此影響抽油機的節(jié)能降耗目標(biāo)[2]。

1.2 專用變頻節(jié)能改造注意事項

現(xiàn)階段交流變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于提高采油率降低電能耗中，情況下可以充分利用其節(jié)能性以及調(diào)速性實現(xiàn)電能調(diào)節(jié)。針對游梁式抽油機專用變頻節(jié)能技術(shù)改造是實現(xiàn)抽油機節(jié)能的關(guān)鍵，這部分改造重點在于兩方面，其一，加強電網(wǎng)質(zhì)量，降低抽油機工作中對電網(wǎng)產(chǎn)生的不良影響。其二，主要是通過變頻改造實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。在開展抽油機變頻節(jié)能改造中需要充分重視以下幾點：a：嚴(yán)格依照抽油機大轉(zhuǎn)矩的特點已經(jīng)改造，防止出現(xiàn)電流過大情況。而且當(dāng)采油過程中其負(fù)荷會隨著抽油機的滑塊下降而逐漸下降，使電機進行反復(fù)發(fā)電。作用于變頻器上的電能會通過轉(zhuǎn)化形成直流電，以此保證母線電壓。這種情況下需要加大對電壓控制，防止電壓過高，導(dǎo)致主要線路以及相關(guān)器件損壞。以電解電容和功率模塊為例，在開展變頻過程中需添加制動回路，照樣可以保證再生電壓作用于設(shè)備零氣價后不對其造成損害。b：由于抽油機在采油過程中往往處于環(huán)境較為惡劣的地理環(huán)境，情況下需要科學(xué)選擇變頻器，保證變頻器具有較高的抗外界風(fēng)險能力，對變頻器進行雙層式控制柜設(shè)計，在設(shè)計過程中融入自動控制系統(tǒng)，通過自動控制系統(tǒng)可有效依據(jù)外界環(huán)境變化進行溫度調(diào)整，使變頻器永遠能夠在適宜環(huán)境下工作[3]。

1.3 專用變頻節(jié)能技術(shù)優(yōu)勢

將傳統(tǒng)抽油機改造為專用變頻節(jié)能抽油機可以保證抽油機的啟動方式由硬啟動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檐泦樱箚与娏鳒p小的情況下延長設(shè)備使用壽命。除此之外極大程度提高抽油機電機的功率；在減小損耗的同時可以有效降低作用于變壓器以及電網(wǎng)上的電流；具有較強的通用性，可以應(yīng)用到不同環(huán)境，不同條件下石油開采工作；抽油機施工過程中變壓器可以利用短路或者過壓等情況保護電機不受影響，使電機處于正常運作狀態(tài)；調(diào)節(jié)抽油機沖程過程中可實現(xiàn)無極調(diào)節(jié)，保證調(diào)節(jié)范圍在抽油機不允許范圍內(nèi)；在操作過程中具有更高的便捷性，利用控制面板實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的改變輸入。

2.變頻節(jié)能技術(shù)問題以及策略

2.1 問題分析

變頻技術(shù)是抽油機節(jié)能發(fā)展中重要技術(shù)之一，對抽油機性能以及使用情況進行協(xié)調(diào)完善。但是在變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用中同樣也存在著諸多影響因素。例如倒發(fā)電現(xiàn)象，控制管理缺少集中性，故障維修情況以及節(jié)能情況。這些問題都會在一定程度上影響變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。現(xiàn)階段變頻器多應(yīng)用在抽油機軟啟動調(diào)沖，調(diào)速，這種情況極大程度降低了抽油機的節(jié)能效果，因此需要積極加大節(jié)能策略研究。通過有效的節(jié)能策略，進一步提高變頻節(jié)能技術(shù)在抽油機中的應(yīng)用價值。

2.2 策略講解

在抽油機上安裝變頻器，并且降低電動機運行頻率以及電動機轉(zhuǎn)速。這樣可使每個沖程的時間均延長，可以達到一定節(jié)能作用，通過相關(guān)實際中的應(yīng)用，該種策略可以有效實現(xiàn)15%～30%節(jié)能作用。除了在抽油機上安裝變頻器之外，還可以對沖方式進行改變，實際油田開采過程中需要對井內(nèi)的油水比例進行充分確定，結(jié)合游梁式抽油機抽油的運行特點。科學(xué)設(shè)置上沖程以及下沖程頻率，依據(jù)沖程需要科學(xué)地對電動機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，使抽油機下降速度快，上升速度慢，這種情況可以極大程度實現(xiàn)電能節(jié)約，除此之外更加利于油田開采過程中的油水比例調(diào)整，以此提高石油開采產(chǎn)量。該種方法在實際應(yīng)用過程中對40臺游梁式抽油機進行變頻節(jié)能技術(shù)改造，改造后的抽油機與改造之前的傳統(tǒng)抽油機耗能情況相比，電能消耗低于后者38%，且計算機產(chǎn)油量有所提高，因此該技術(shù)應(yīng)用的實際效益具有一定可觀性[4]。

3.節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用

3.1 高轉(zhuǎn)差率電動機的應(yīng)用

抽油機因工作要求特殊，配套拖動裝置要同時達到3個“最大”要求— 最大行程，最大沖次和最大允許掛重。在這些條件下，就會產(chǎn)生很大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，從而導(dǎo)致抽油機的靜態(tài)不平衡問題。在某些情況下，當(dāng)達到某一臨界點后，由于功率裕度不足而使抽油機不能繼續(xù)工作，這時就必須提高其輸出功率或增加后備能力。抽油機在正常工作時，電動機的額定功率與輸出功率之比一般不超過20%或30%左右；若將這部分能量回收利用，則可節(jié)約大量電能。對于一般的電動機來說，這種運行效率及功率因數(shù)尤其低下。對于高轉(zhuǎn)差率多速電動機而言，因其曲線平緩，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，其數(shù)值變化較小，又因機械效率及功率因數(shù)比普通電動機高，使有功功率減小而功率因數(shù)增大。抽油機啟動快，運行平穩(wěn)，因此，可以減少抽油機減速箱扭矩。因此，在油田中廣泛使用。抽油機采用高轉(zhuǎn)差率電機是其主要特點之一。高轉(zhuǎn)差率電動機機械特性造成抽油機懸點處最大載荷下降，抽油泵向上轉(zhuǎn)速變慢，抽油桿彈性變形變小，導(dǎo)致抽油泵填充系數(shù)變大，吸液量變大，每沖次來油變多，單位液耗電能下降。

3.2 抽油機的合理選型與適配

以《能耗最小的機采系統(tǒng)設(shè)計理論》為基礎(chǔ)，運用能耗最小的10種機采系統(tǒng)設(shè)計程序，以預(yù)測井內(nèi)目標(biāo)產(chǎn)液量，含水率，動液面為出發(fā)點，確定地面脫氣原油黏度及原油析蠟溫度等參數(shù)，得到井底原油的物理參數(shù)并確定油層中部溫度及地表溫度等參數(shù)，從而選擇抽油機型號。通過理論分析初定機采系統(tǒng)油管管徑、抽油泵泵徑、下泵深度、抽油桿材質(zhì)、桿柱結(jié)構(gòu)、抽油機沖程，沖次等范圍，尋找所有能滿足產(chǎn)液量要求的組合方式，為新建投油井優(yōu)化管柱布置，并優(yōu)選抽油機型號，做到設(shè)備合理選擇與適配。從2022年1月起，古城油田選擇20口新油井進行測試。通過設(shè)計和優(yōu)化，選取寬帶鏈條換向抽油機WCYJD8-8-13Z作為試驗機型，單從抽油機能耗分析，取得較好的節(jié)能效果。優(yōu)化前單井實測平均功率為14.67千瓦。優(yōu)化后單井平均實測功率為7.38千瓦。單井平均節(jié)省功率為7.29千瓦。單井年平均節(jié)電31930.2度，平均節(jié)電率49.69%。

3.3 長沖程抽油機的節(jié)能技術(shù)

長沖程抽油機系統(tǒng)由地面部分和井下部分組成。接地部分由電機、配電箱、冠輪、導(dǎo)向架、柔性繩、絞車等組成。組合抽油桿使用在柔性光桿下方。1000米地下φ 58毫米刮蠟器每40米安裝一個。長沖程油井泵:多級管狀泵，長50米，柱塞1.2米，一級，深1400米。長沖程抽油機通過電動機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來帶動滾筒的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來驅(qū)動柔性光桿做上下往復(fù)移動，柔性光桿驅(qū)動井下抽油桿，抽油泵做往復(fù)移動來完成抽汲作業(yè)的全過程。因此，長沖程抽油機可實現(xiàn)連續(xù)采油或間歇采油。長沖程抽油機采用三相異步電動機并應(yīng)用了變頻控制系統(tǒng)，其額定功率達30千瓦,基本符合普通游梁式抽油機所采用電動機的機型及功率要求。節(jié)能原理主要表現(xiàn)為抽油機電動機上沖程時作正功，消耗電能大約為98%，下沖程及等待時間電動機作負(fù)功或不作功，消耗電能為2%左右。匹配基礎(chǔ)的安裝規(guī)范，做到與抽油機基礎(chǔ)的普適性；對老井進行技改設(shè)計，確保長沖程抽油機的基礎(chǔ)能夠和原有的基礎(chǔ)相匹配；對新井進行長沖程的抽油機專用基礎(chǔ)的設(shè)計，確保其使用的安全性。

3.4 游梁式抽油機節(jié)能技術(shù)

當(dāng)前游梁式抽油機所用動力設(shè)備多倍三相異步電機中，這種電機屬感性負(fù)載類型。感性負(fù)載電動機在空載或輕載狀態(tài)下運行效率較低。電機處于輕載狀態(tài)時，由于電機的輸入電壓降低，使異步電動機反電動勢減小，主磁通增大，激磁電流增加，而磁化電流則隨鐵芯飽和程度的加深而減少。負(fù)荷電流減小，同時鐵耗正比于輸入端電壓，銅損正比于磁化電流。感性負(fù)載電動機在空載和輕載情況下都能工作。采用負(fù)載電阻是提高其起動性能的有效措施之一。電機在輕載狀態(tài)時，由于電機的輸入電壓比異步電動機大很多，因此產(chǎn)生了較大的反電動勢和主磁通，使其激磁電流增大，從而導(dǎo)致磁化電流增加，使得鐵芯上的負(fù)載電阻變大，造成電機的電抗值變大，影響電機的功率因數(shù)；負(fù)荷電流有所降低，而鐵耗與輸入端電壓成正比，銅損與磁化電流成正比。

4.總結(jié)

油田開采是我國實現(xiàn)能源自由的重要渠道，而我國近年來加大了油田開采力度，但是在油田開采過程中存在一定的問題，這種問題主要體現(xiàn)在低效率，高耗能情況，電能消耗水平與石油開采量不成正比，導(dǎo)致電能消耗過大。抽油機專用變頻節(jié)能技術(shù)可以有效提升抽油機出油產(chǎn)量，同時還可以有效減少電能消耗，但是在變頻節(jié)能技術(shù)改造過程中需要充分結(jié)合抽油機實際性能進行操作，只有這樣才能充分實現(xiàn)變頻節(jié)能目的，減少電能消耗。