新型塔架式抽油機節(jié)能技術研究

穆菲（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

“十三五”期間，杏北油田抽油機主要采用偏置式抽油機替代常規(guī)抽油機，在拖動設備上，主要應用節(jié)能電動機和變頻配電箱。在優(yōu)化設計方面，基于“長沖程、大泵徑、低沖次”及桿柱優(yōu)化組合等方式進行參數和工具優(yōu)化。在機采井檢泵周期方面，通過整體優(yōu)化后，檢泵率明顯下降，檢泵周期明顯延長，但抽油機井受沖程和泵徑限制，參數無法進一步降低，進而導致交變載荷無法降低，機采井檢泵周期進一步延長較難。此外，目前油井數字化建設程度較低，現場資料數據仍然需要人工錄取數據且有一定的錄取周期，尚不能實現數據的實時、自動、精準錄取，存在效率低、質量低、強度大的問題，需要依靠數字化建設加以解決。

1 技術原理及現場應用

1.1 技術原理

塔架機整機無減速機構，采用永磁同步電動機通過鏈輪鏈條帶動負載皮帶做往復直線運動，通過電動機正反向轉動換向，完成抽汲動作。電動機僅對井下載荷與配重箱載荷差值做功，并配備智能控制柜，可根據負載變化自行調整電動機參數，實現自主調參，進一步提高節(jié)能效果。

1.2 技術優(yōu)勢

采用永磁同步直驅電機，具有低轉速、低電流及高啟動扭矩的特性，取消了減速裝置，直接驅動，無四連桿機構，傳動效率可達到92%；具有“長沖程、低沖次”的運行優(yōu)勢，減少換向沖擊，降低了桿管偏磨次數，可延長檢泵周期；節(jié)電效果明顯，節(jié)電率可達到30%～50%。

2 技術研究

2.1 新型舉升系統選型設計研究

2.1.1 新型抽油機舉升能力

塔架機的驅動原理與游梁式抽油機不同，取消了四連桿機構，采用重力對稱平衡原理，負荷皮帶跨過抽油機頂部滾筒，一端與配重箱連接，另一端通過懸繩器與油井桿柱連接，電動機僅對載荷差做功即可（載荷差指井下載荷與配重載荷差值）。

塔架機是采用驅動輪方式實現由旋轉運動向直線往復運動的轉換，載荷相連的皮帶沿驅動輪的切線方向運動。

驅動輪的扭矩計算根據電動機轉矩計算設備最大扭矩設備額定起重量。得出塔架機電動機功率越大，轉矩越大，傳向驅動輪的扭矩越大，設備的額定起重量越大，舉升能力越強。

塔架機的載荷利用率區(qū)別于常規(guī)游梁式抽油機的計算方法。所以對載荷利用率方法進行了重新界定，定義塔架機的載荷利用率為載荷差與額定起重量的比值。

2.1.2 塔架機舉升能力影響因素

以12 型機為例，泵徑70 mm、桿徑22 mm、泵深950 mm、沖程7 m、沖次1 次/min，研究了井下載荷和配重的計算方法，得出配重和沉沒度是塔架機舉升能力的主要影響因素。

一是配重對載荷利用率影響。當沉沒度為350 m時計算不同配重對載荷利用率及平衡率的影響。得出沉沒度一定時，配重對平衡率影響很大，配重越接近理論配重，平衡率越高。在塔架機的選型設計過程中，需要按照理論配重進行指導單井配重設計和應用，塔架機配重影響結果統計見表1。

表1 塔架機配重影響結果統計Tab.1 Results statistics of counterweight impact of tower-frame pumping unit

二是沉沒度對塔架機的載荷利用率的影響。當配重為39.5 kN 時計算不同沉沒度下載荷利用率及平衡率的影響。得出沉沒度對油井載荷利用率和平衡率影響較大。油井沉沒度降低時，導致載荷差變大，使設備載荷利用率變大，因此在機型設計過程中，要計算最低沉沒度時載荷利用率的最大值，并留有余量，塔架機沉沒度影響結果統計見表2。

表2 塔架機沉沒度影響結果統計Tab.2 Results statistics of submergence impact of tower-frame pumping unit

三是其它參數對載荷利用率的影響。以10 型機為例、沉沒度設定在300 m，計算不同泵徑、桿徑、沖程、沖次及下泵深度對載荷利用率的影響。得出當泵徑變大時，載荷差也變大，設備的載荷利用率也隨著變大。在設計機型時，需要考慮舉升能力能否滿足后續(xù)上產措施需求；當泵徑、泵深一定時，當桿徑的承壓系數滿足生產時，優(yōu)先選擇小桿徑，塔架機其它參數對載荷利用率影響結果統計見表3。

表3 塔架機其它參數對載荷利用率影響結果統計Tab.3 Results statistics of the impact of other parameters on load utilisation for tower-frame pumping unit

2.1.3 塔架機設計選型方法

游梁式抽油機載荷利用率和扭矩的計算公式不適用于塔架機，在方案設計階段，無法模擬理論最大載荷利用率和最大扭矩等數據，帶來機型選取可能存在不當的問題。

充分考慮沉沒度及后續(xù)上產措施，通過對設備舉升能力計算方法優(yōu)化，模擬理論最大載荷、理論最小載荷和載荷利用率等數據，編制了塔架機選型設計模板，可指導方案設計人員選型設計，塔架機選型設計模板見表4。

表4 塔架機選型設計模板Tab.4 Design template of model selection of tower-frame pumping unit

2.2 提高塔架機舉升能力措施研究

2.2.1 配套應用不停機間抽控制裝置

針對沉沒度低于100 m 且示功圖嚴重供液不足的塔架機井，創(chuàng)新應用不停機間抽控制裝置8 套，利用電參功圖自動計算充滿度功能，重新設定間抽摸索程序，實現了智能化間抽運行和自動確定間抽周期。應用后，平均單井沉沒度上升138 m，消耗功率下降3.9 kW，年減少人工啟停機808 次，節(jié)電率達35.9%。

2.2.2 配套構建數字化管理模式

為有效提升塔架機管理水平，創(chuàng)新構建塔架機數字化管理模式，安裝數字化設備29 口井。

一是驗證電參功圖符合率。按照工況類別，對比電參功圖與測試功圖形狀符合度，對比載荷變化與功圖形狀一致性，跟蹤207 井次，符合188 井次，符合率90.82%。

二是驗證電參計產符合率。工頻狀態(tài)下，對比功圖計產與玻璃管量油誤差值，單井誤差值小于20%為標準，跟蹤185 井次，符合154 井次，符合率83.24%。

三是驗證電參液面符合率。工頻狀態(tài)下，對比電參動液面與測試動液面誤差值，單井誤差小于150 m 為標準，跟蹤169 井次，符合143 井次，符合率84.62%。

通過對比電參功圖、電參計產與電參液面符合率發(fā)現，符合率均超過了80%，可進行推廣使用，可逐步取消人工低壓測試及常規(guī)量油。

2.2.3 試驗應用碳纖維連續(xù)抽油桿

為進一步挖掘塔架機節(jié)能降耗潛力，開展了碳纖維連續(xù)抽油桿試驗，利用《桿柱優(yōu)化設計及工況診斷系統》，以試驗井X 為例，開展桿柱組合優(yōu)化設計。

X 井采用直徑22 mm 碳纖維連續(xù)抽油桿，碳桿長度占全井桿柱長度62.5%。經計算，試驗后桿柱重量由2.77 t 降至1.49 t，較試驗前下降1.28 t，降幅46.2%，X 井桿柱設計。從實驗前應用鋼質抽油桿929 m，優(yōu)化為應用碳纖維連續(xù)抽油桿575 m，加重桿354 m，很大程度上降低了井下的桿柱重量。

該井作業(yè)后經過多次平衡調整和參數調整，上/下電流為28.68/26.45 A，達到平衡狀態(tài)，沉沒度397 m 穩(wěn)定運行，消耗功率下降1.63 kW，系統效率上升8.59 個百分點，節(jié)電率30.8%，X 井試驗前后效果對比見表5。

表5 X 井試驗前后效果對比Tab.5 Comparison of effect before and after well X test

塔架機共應用碳纖維連續(xù)抽油桿8 口井，平均單井消耗功率下降2.05 kW，系統效率上升15.95 個百分點，節(jié)電率36.98%。

2.3 建立塔架機技術管理規(guī)范

2.3.1 形成了塔架機技術管理規(guī)范

一是根據塔架機機械結構、運行原理，同時結合杏北油田抽油機井運行管理辦法，制定了塔架機的安全操作規(guī)程、常規(guī)維護保養(yǎng)規(guī)范。現場管理人員可根據安全操作規(guī)程、常規(guī)維護保養(yǎng)規(guī)范進行日常操作和維護保養(yǎng)。

二是建立塔架機的生產管理辦法。由于塔架機具有長沖程、低沖次運行特點，沖程可達6～8 m，較游梁式抽油機大，整機高度達10 m，且結構原理與游梁式抽油機差異較大，為此制定了生產管理辦法。

2.3.2 創(chuàng)建塔架機平衡調整計算模板

塔架機屬于重力平衡型抽油機，可根據電流的平衡情況來改變配重箱的質量進行平衡調整，當配重箱向下運行時的最大電流和向上運行時的最大電流相等時，塔架機處于最佳平衡狀態(tài)。

1）塔架機平衡配重的計算方法。根據塔架機運行的平衡原理及平衡所需配重重量計算公式得出最佳配重。

為便于現場平衡調整，確定以下三種平衡配重的計算方法。

一是初始配重調整。計算固定沉沒度300 m 時塔架機常用泵徑、泵深的理論載荷，根據此時的懸點理論最大載荷及最小載荷，計算得出的理論配重作為初始平衡配重，不同泵徑初始配重計算結果見表6。

表6 初始配重理論計算結果Tab.6 Calculation results of initial counterweight theory

二是電流法配重調整。通過現場平衡調整試驗，摸索上、下電流的差值與配重之間關系，得出經驗公式（1）：

式中：X為需調整配重磚的重量（當X＞0 時，增加配重磚重量；當X＜0 時，減少配重磚重量），kg；R為重量系數，kg/A，經驗賦值60。

三是懸點載荷法配重調整。根據桿柱和液柱重量計算，或實測示功圖獲得最大及最小載荷的值來計算配重。

式中：Pmax為懸點最大載荷（根據桿柱和液柱重量計算，或實測示功圖獲得），kN；Pmin為懸點最小載荷（根據桿柱和液柱重量計算，或實測示功圖獲得），kN；M為調整前配重重量，kg。

2）塔架機動態(tài)平衡調整方法。結合塔架機出現不平衡情況的原因，將塔架機的動態(tài)平衡調整方法分為以下三類：

一是泵況正常井的平衡調整方法。對于供排關系相對穩(wěn)定的井，進行一次平衡調整，采取電流法或懸點載荷法來進行平衡調整。

二是作業(yè)開井后的平衡調整方法。若泵況正常時是平衡井，作業(yè)后不需要立即進行平衡調整，作業(yè)開井后跟蹤電流變化，待穩(wěn)定運行5～7 d 后再決定是否進行平衡調整，采取電流法或懸點載荷法進行平衡調整。

三是措施開井后的平衡調整方法。實施調參、換泵、壓裂等措施后載荷變化較大，需要進行兩次平衡調整。措施后先通過初始配重法進行第一次平衡調整，待穩(wěn)定運行10～15 d，井下載荷穩(wěn)定后再采取電流法或懸點載荷法進行平衡調整。

3 現場應用效果

杏北油田125 臺塔架機平均時率98.6%，檢泵率5.8%，系統效率達41.6%，單井日節(jié)電60 kWh，節(jié)電率達31.6%，125 口井年可實現節(jié)電274×104kWh，節(jié)能效果顯著，具體情況見表7。

表7 杏北油田塔架機節(jié)能效果統計Tab.7 Statistics of energy conservation effect of tower-frame pumping unit in Xingbei oilfield

4 結論

1）新型塔架式抽油機實現了“長沖程、低沖次”的基礎結構優(yōu)化組合，完成了節(jié)能降耗、降本提效的機采設備運行目標，為油田提供了機采提質增效的基礎。

2）新型抽油機設計選型方法的制定，完善了目前油田新型抽油機設計選型的不足，為今后油田新型抽油機推廣應用提供了技術支撐。

3）沉沒度對塔架機的載荷影響較大，每變化100 m 的沉沒度，影響約2 kN 的載荷差變化，故塔架機計算配重量時采用的合理沉沒度為300 m。

4）通過開展新型塔架式抽油機節(jié)能技術研究，單井可實現年節(jié)電2.19×104kWh，共計應用塔架機125 臺，可實現年節(jié)電274×104kWh，以0.7 元/kWh 計算，年可創(chuàng)造經濟效益192 萬元。