電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)實(shí)踐與認(rèn)識(shí)

常瑞清 戚興 王翠 殷雷 李春紅 周錄方 鞏宏亮 郭振超

（1.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

游梁式抽油機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠耐用、操作及維修方便等特點(diǎn)，具有100多年的發(fā)展歷史，如今仍作為油田最常用的機(jī)械采油設(shè)備，其應(yīng)用數(shù)量在各種人工舉升方式中占比90%左右，因此，游梁式抽油機(jī)的發(fā)展水平在油田整體發(fā)展中起到主導(dǎo)地位。

游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)由于其四連桿機(jī)構(gòu)存在固有特性，啟動(dòng)扭矩大[1-4]，負(fù)載波動(dòng)幅度大，系統(tǒng)承受交變載荷，載荷沖擊大，振動(dòng)大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)效率低、部分零部件壽命縮短等問題。隨著節(jié)能抽油機(jī)、節(jié)能電動(dòng)機(jī)、節(jié)能配電箱等節(jié)能配套技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，油田涌現(xiàn)出了各種周期性階段變速控制技術(shù)[5-6]，在抽油機(jī)井節(jié)能降耗方面見到了一定的效果，但這些技術(shù)沒有從根本上解決載荷波動(dòng)大的問題。為此，近年來，探索和實(shí)踐了電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)，該技術(shù)以隨抽油機(jī)井交變載荷變化而實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為手段，實(shí)現(xiàn)降低功率和載荷波動(dòng)幅度[7-10]、提高效率、改善抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過模擬井和現(xiàn)場不同工況井的試驗(yàn)，取得了較好的試驗(yàn)效果，為油田節(jié)能降耗工作開辟了發(fā)展途徑。

1 技術(shù)原理

隨動(dòng)變速就是隨著抽油機(jī)系統(tǒng)負(fù)載瞬時(shí)運(yùn)行情況實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出頻率在10～100 Hz范圍內(nèi)無級可調(diào)，載荷增大電動(dòng)機(jī)減速，載荷減小電動(dòng)機(jī)提速，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)功率平穩(wěn)輸出，抽油機(jī)系統(tǒng)時(shí)刻保持柔性運(yùn)行狀態(tài)，有效避免載荷沖擊。常規(guī)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和功率變化曲線見圖1，柔性運(yùn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和功率變化曲線見圖2。

圖1 常規(guī)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和功率變化曲線Fig.1 Speed and power variation curve of regular running motor

圖2 柔性運(yùn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和功率變化曲線Fig.2 Speed and power variation curve of flexible running motor

從地面驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)來看，游梁式抽油機(jī)的理想驅(qū)動(dòng)方式就是按負(fù)載需求動(dòng)態(tài)調(diào)整電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速，游梁式抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)是在不改變原有系統(tǒng)任何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種柔性隨動(dòng)控制技術(shù)，控制原理流程見圖3，該技術(shù)系統(tǒng)主要由智能控制器、變頻驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和曲柄位置傳感器組成，通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、曲柄位置[11]和電參等多參數(shù)回饋，智能控制器分析電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率和曲柄位置，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)速度和功率，變頻驅(qū)動(dòng)器按照智能控制器下達(dá)的指令驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，能夠?qū)τ瘟菏匠橛蜋C(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)控，且充分利用了系統(tǒng)慣性，有效降低電動(dòng)機(jī)功率峰值及波動(dòng)幅度，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)功率平穩(wěn)輸出，電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行，最終達(dá)到節(jié)能降耗，延長整機(jī)使用壽命的目的。

圖3 控制原理流程Fig.3 Control principle flow

（工況條件：CYJ10-3-37HB型抽油機(jī)、?57 mm抽油泵、3 m沖程、6次/min、1 000 m泵深、800 m動(dòng)液面）。

2 應(yīng)用效果

2.1 標(biāo)準(zhǔn)模擬井試驗(yàn)效果

在CYJ10-3-37HB常規(guī)游梁式抽油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)模擬試驗(yàn)井同等工況情況下（工況條件：CYJ10-3-37HB型抽油機(jī)、?70 mm抽油泵、3 m沖程、沖次為6次/min、600 m動(dòng)液面），開展了常規(guī)工頻運(yùn)行和電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速運(yùn)行狀態(tài)下對比測試試驗(yàn)，對比內(nèi)容包括電動(dòng)機(jī)輸入功率、減速箱輸出扭矩、減速箱振動(dòng)幅度和系統(tǒng)效率，對比結(jié)果為：

1）電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速運(yùn)行狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)功率峰值顯著降低，降幅達(dá)到70.4%，抽油機(jī)在一個(gè)沖程內(nèi)電動(dòng)機(jī)功率平穩(wěn)，消除了負(fù)功。電動(dòng)機(jī)輸入功率曲線對比見圖4。

圖4 電動(dòng)機(jī)輸入功率曲線對比Fig.4 The comparison of motor input power curve

2）電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速運(yùn)行狀態(tài)下減速箱輸出扭矩峰值降低，降幅16.2%，減速箱負(fù)扭矩明顯減小。減速箱輸出扭矩見圖5。

圖5 減速箱輸出扭矩Fig.5 Gearbox output torque

3）電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速運(yùn)行狀態(tài)下減速箱振動(dòng)降低，最大振動(dòng)幅度降低了76.1%，減輕了對設(shè)備的沖擊。減速箱振動(dòng)幅度分布見圖6。

圖6 減速箱振動(dòng)幅度分布圖Fig.6 The distribution diagram of gearbox vibration amplitude

4）電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速運(yùn)行狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)效率和系統(tǒng)效率明顯提高，電動(dòng)機(jī)效率提高3個(gè)百分點(diǎn)以上，系統(tǒng)效率提高4個(gè)百分點(diǎn)以上，常規(guī)運(yùn)行和電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速運(yùn)行電動(dòng)機(jī)效率和系統(tǒng)效率對比見表1。

表1 常規(guī)運(yùn)行和電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速運(yùn)行電動(dòng)機(jī)效率和系統(tǒng)效率對比Tab.1 Comparison of motor efficiency and system efficiency between regular running and motor with variable speed operation

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

在現(xiàn)場選取了不同工況的462口井開展了電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)應(yīng)用后的效果評價(jià)。

2.2.1 高沉沒度井應(yīng)用效果

開展了147口高沉沒度井測試，應(yīng)用電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)前后效果對比見表2，系統(tǒng)效率提高了5.7個(gè)百分點(diǎn)，單井日產(chǎn)液增加4.7 t，實(shí)現(xiàn)了耗電不升，提高了舉升能力。

表2 高沉沒度井應(yīng)用隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)前后效果對比Tab.2 Comparison of the effect of high-submergence wells before and after the application of variable speed operation technology

2.2.2 超負(fù)荷井應(yīng)用效果

開展了42口超負(fù)荷井測試，這些井原來經(jīng)常性出現(xiàn)過載停機(jī)，超負(fù)荷井應(yīng)用隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)前后效果對比見表3，功率峰值降幅37.4%，運(yùn)行時(shí)率由82.4%提高到96.5%，單井日產(chǎn)液增加5.7 t，不但提高了舉升能力，而且大幅減少了換機(jī)工作量。

表3 超負(fù)荷井應(yīng)用隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)前后效果對比Tab.3 Comparison of the effect of overload wells before and after the application of variable speed operation technology

2.2.3 老區(qū)油田低沉沒度井應(yīng)用效果

開展了79口大慶老區(qū)油田低沉沒度井測試，老區(qū)低沉沒度井應(yīng)用隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)前后效果對比見表4，系統(tǒng)效率提高了3.6個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)電率17.7%，單井年節(jié)電14 760 kWh。

表4 老區(qū)低沉沒度井應(yīng)用隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)前后效果對比Tab.4 Comparison of the effect of low-submergence wells in olddistrict before and after the application of variable speed operation technology

2.2.4 外圍油田低沉沒度井應(yīng)用效果

開展了76口大慶外圍油田低沉沒度井測試，外圍低沉沒度井應(yīng)用隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)前后效果對比見表5，系統(tǒng)效率提高了6.2個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)電率23.4%，單井年節(jié)電11 520 kWh，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量不降，節(jié)能增效。

表5 外圍低沉沒度井應(yīng)用隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)前后效果對比Tab.5 Comparison of the effect of peripheral low-submergence wells before and after the application of variable speed operation technology

2.2.5 合理沉沒度井應(yīng)用效果

開展了118口合理沉沒度井測試，合理沉沒度井應(yīng)用隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)前后效果對比見表6。系統(tǒng)效率提高了3.3個(gè)百分點(diǎn)，單井日產(chǎn)液增加1.3 t，節(jié)電率12.8%，單井年節(jié)電13 320 kWh。

表6 合理沉沒度井應(yīng)用隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)前后效果對比Tab.6 Comparison of the effect of reasonable low-submergence wells before and after the application of variable speed operation technology

3 應(yīng)用前景分析

3.1 數(shù)字化油田領(lǐng)域的應(yīng)用

應(yīng)用游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)無需改變原有抽油機(jī)和電動(dòng)機(jī)，在現(xiàn)場應(yīng)用中表現(xiàn)出了提高舉升能力、降能耗、降功率峰值、削減負(fù)扭矩等顯著效果，系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)載荷、扭矩和電參的數(shù)字化，具備遠(yuǎn)傳控制、能耗計(jì)算等功能。

3.2 保障游梁式抽油機(jī)高效運(yùn)行

電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)可在10～100 Hz超寬頻率范圍內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)速度，當(dāng)?shù)貙庸┮喊l(fā)生變化時(shí)，無需更換抽油機(jī)、抽油泵和電動(dòng)機(jī)等設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)供排協(xié)調(diào)，油井高效運(yùn)行。

當(dāng)油井產(chǎn)量明顯增加（比如地層壓裂等增產(chǎn)措施），動(dòng)液面偏高的情況下，可做到自動(dòng)調(diào)高頻率，提高抽油機(jī)沖次；當(dāng)油井產(chǎn)量明顯降低，出現(xiàn)嚴(yán)重供液不足的情況下，可與不停機(jī)間抽技術(shù)有機(jī)結(jié)合，即：地面示功圖充滿度嚴(yán)重偏低時(shí)（小于65%）抽油機(jī)曲柄自動(dòng)進(jìn)入擺動(dòng)運(yùn)行、井下泵停抽狀態(tài)，地面示功圖充滿度大于一定值時(shí)（大于等于65%）抽油機(jī)自動(dòng)進(jìn)入電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。

因此，電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)的合理應(yīng)用，既可以節(jié)省一次性投資，又能保證油井高效運(yùn)行。

3.3 提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性

有些無轉(zhuǎn)差率的特種電動(dòng)機(jī)比如永磁電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等同步電動(dòng)機(jī)，固有特性剛性強(qiáng)、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)設(shè)備沖擊大，電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)變速運(yùn)行技術(shù)應(yīng)用到這種電動(dòng)機(jī)的油井上，不但能提高設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性，延長設(shè)備使用壽命，還能保持油井高效運(yùn)行。

4 結(jié)論

1）該技術(shù)在不改變游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)的條件下，按供采平衡原則主動(dòng)調(diào)整電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度，能夠使游梁式抽油機(jī)的整體運(yùn)行效果接近直線式抽油機(jī)的水平。

2）該技術(shù)運(yùn)行方式特征為重載慢驅(qū)、輕載快驅(qū)的運(yùn)行模式，保障電動(dòng)機(jī)功率平穩(wěn)輸出，使得系統(tǒng)的運(yùn)行速度范圍大幅提高，并且實(shí)現(xiàn)了柔性運(yùn)行，減輕地面?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)和整個(gè)桿柱結(jié)構(gòu)的疲勞環(huán)境，延長設(shè)備使用壽命。

3）該技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用中表現(xiàn)出提高舉升能力，在一定程度上提高電動(dòng)機(jī)效率和抽油機(jī)系統(tǒng)效率、降能耗、降功率峰值、削減負(fù)扭矩等顯著效果，系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，降低減速箱振動(dòng)，減少設(shè)備沖擊，技術(shù)有效性和可靠性得到了充分驗(yàn)證。

4）該技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用于不同工況油井，均見到了明顯效果，同工況油井節(jié)能提效明顯，低負(fù)載油井節(jié)能效果突出，高負(fù)載油井提高了系統(tǒng)舉升能力，高沉沒度油井提液增效顯著。

5）該技術(shù)可在游梁式抽油機(jī)全生命周期內(nèi)發(fā)揮特有的優(yōu)勢，游梁式抽油機(jī)是油田第一大舉升方式，在用井?dāng)?shù)眾多，該技術(shù)應(yīng)用空間廣闊。