于海山

（中國(guó)石油大慶油田第八采油廠，黑龍江 大慶 163514）

機(jī)采能耗一般占油田生產(chǎn)總能耗的40%～60%，抽油機(jī)井泵效低、能耗大一直是困擾油田生產(chǎn)單位的突出問(wèn)題。近年來(lái)，油田生產(chǎn)中應(yīng)用了大量的各種類(lèi)節(jié)能電機(jī)、節(jié)能控制柜等節(jié)能技術(shù)措施[1-5]，但這些技術(shù)措施沒(méi)有改變傳統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行狀況，沒(méi)有從根本上解決能耗高的問(wèn)題。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的動(dòng)力傳動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)將其高速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)最終轉(zhuǎn)換成活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，抽油出井。這種抽油機(jī)舉升運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎是恒定的，電機(jī)功率不停的變化，在抽油機(jī)上沖程過(guò)程中，平衡塊向下運(yùn)動(dòng)，幫助克服驢頭上的負(fù)荷，做功過(guò)多；但在下沖程過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)使平衡塊向上運(yùn)動(dòng)儲(chǔ)存能量時(shí)，電機(jī)多數(shù)在做負(fù)功。這和汽車(chē)在上陡坡時(shí)速度過(guò)高，下陡坡時(shí)踩剎車(chē)是一樣的道理，如果在上坡時(shí)低速，下坡時(shí)高速就能節(jié)約能源。因此，從根本上解決抽油機(jī)能耗高的部分，在不改變抽油機(jī)任何結(jié)構(gòu)的情況下，產(chǎn)生了衡功率柔性運(yùn)行技術(shù)。該技術(shù)是一種“非勻速舉升邏輯技術(shù)”，通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算分析基礎(chǔ)上的電機(jī)變速驅(qū)動(dòng)，改變了抽油機(jī)所固有的光桿速度模式，優(yōu)化了井下抽汲過(guò)程，彌補(bǔ)了四連桿機(jī)構(gòu)本性帶來(lái)的固有缺陷，在不對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何改動(dòng)的情況下，達(dá)到提高井下效率、確保系統(tǒng)按需運(yùn)行、降低設(shè)備損耗率和機(jī)采單耗的綜合目的。

1 柔性運(yùn)行技術(shù)原理

抽油機(jī)柔性運(yùn)行技術(shù)的基本原理：通過(guò)電機(jī)和曲柄上的傳感器采集的電信號(hào)，分析懸點(diǎn)不同位置與電機(jī)負(fù)荷之間的關(guān)系，根據(jù)上下沖程負(fù)載的變化進(jìn)而制訂出懸點(diǎn)負(fù)荷與電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的運(yùn)行方案，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、輸出功率等，動(dòng)態(tài)改變系統(tǒng)運(yùn)行軌跡，充分利用系統(tǒng)慣性能，降低運(yùn)行功率、電流和扭矩峰值，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量輸出趨于均衡化。即在啟動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速由0至所需轉(zhuǎn)速，消除了啟動(dòng)電流和啟動(dòng)功率峰值，電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)；運(yùn)行過(guò)程中，其運(yùn)算系統(tǒng)對(duì)采集到的電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的角速度、角加速度信號(hào)與對(duì)應(yīng)的電信號(hào)（電流、有功功率）進(jìn)行運(yùn)算，逐步完成其曲柄在不同轉(zhuǎn)角情況下電機(jī)速度與加速度的優(yōu)化，負(fù)荷大時(shí)低轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)大扭矩，負(fù)荷小時(shí)高轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)備，保證運(yùn)行過(guò)程中能量的合理分配，從而優(yōu)化了上下沖程速度，提高了泵效和系統(tǒng)效率，降低了機(jī)采單耗。主要包含以下四個(gè)方面的技術(shù)。

1.1 主動(dòng)柔性運(yùn)行控制技術(shù)

通過(guò)采集傳感器信號(hào)和電機(jī)的電信號(hào)，分析懸點(diǎn)不同位置與電機(jī)負(fù)荷之間的關(guān)系，進(jìn)而制訂出懸點(diǎn)負(fù)荷與電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的運(yùn)行方案。該技術(shù)在形式上體現(xiàn)為主動(dòng)變速驅(qū)動(dòng)，負(fù)荷降低時(shí)允許適當(dāng)加大驅(qū)動(dòng)速度并主動(dòng)保持一定的驅(qū)動(dòng)力的輸出，使機(jī)械系統(tǒng)吸儲(chǔ)一定的能量；負(fù)荷增大時(shí)主動(dòng)抑制電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的輸出，借助減速過(guò)程中機(jī)械系統(tǒng)釋放的動(dòng)能補(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動(dòng)力，技術(shù)本身并沒(méi)有減少一周之內(nèi)總能量消耗，而是起到了“負(fù)荷分配器”的作用。主動(dòng)柔性運(yùn)行控制技術(shù)不能影響和改變抽油機(jī)的懸點(diǎn)負(fù)荷。

1.2 功率隨動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

功率隨動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)由抽油機(jī)負(fù)荷功率再分布技術(shù)與額定功率隨動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)兩部分組成：

1）抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的抽油機(jī)負(fù)荷功率再分布技術(shù)。主動(dòng)柔性運(yùn)行控制技術(shù)通過(guò)改變電機(jī)不同利用率下電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)曲柄運(yùn)行速度、加速度的重新分布；電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的變化，使電機(jī)的輸出功率也隨之發(fā)生改變。速度重新分布的原則在于提升原本超低負(fù)荷率時(shí)段的負(fù)荷、降低原本過(guò)負(fù)荷時(shí)段的負(fù)荷，使電機(jī)在全周期都保持一定的負(fù)荷率范圍之內(nèi)。

2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自身的額定功率隨動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。額定功率隨動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)添加模糊過(guò)程電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，模糊過(guò)程電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置與電機(jī)有機(jī)結(jié)合形成了新的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝置具有與匹配電機(jī)所完全不同的負(fù)荷率—效率特性，基礎(chǔ)在于過(guò)程驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置的電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)方法可實(shí)現(xiàn)按驅(qū)動(dòng)輸出的需求供給電機(jī)能量，抑制無(wú)效能量消耗，使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝置在非常寬泛的電機(jī)負(fù)荷率范圍內(nèi)，都能處于較佳的效率狀態(tài)，客觀上基本等同于電機(jī)的額定功率跟隨實(shí)際負(fù)荷浮動(dòng)。

1.3 井下工況與系統(tǒng)自身運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別診斷技術(shù)

1）井下工況與系統(tǒng)自身運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別診斷技術(shù)，采用對(duì)光桿的速度和曲柄軸的扭矩負(fù)荷進(jìn)行模式特征識(shí)別的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全系統(tǒng)運(yùn)行工況的識(shí)別。

2）自適應(yīng)機(jī)制與方法。抽油機(jī)的運(yùn)行工作制度直接影響和決定著井下流壓的穩(wěn)定、抽油泵充滿程度、懸點(diǎn)最大載荷和交變載荷三個(gè)要素，間接決定了驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷峰值、地面系統(tǒng)的平衡率、井下液擊及其伴生的桿管間下行沖擊性偏磨的程度、無(wú)效抽汲的比重、機(jī)械的損耗效率以及能量消耗的有效率等因素。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了上下行程的時(shí)間比在0.5～2范圍內(nèi)無(wú)級(jí)設(shè)定。對(duì)于供大于采時(shí)，可起到自調(diào)參作用；對(duì)于供小于采液可避免液擊現(xiàn)象。

1.4 優(yōu)化變軌控制技術(shù)

優(yōu)化變軌是指通過(guò)循環(huán)內(nèi)變速驅(qū)動(dòng)獲得所需的懸點(diǎn)速度軌跡。循環(huán)內(nèi)懸點(diǎn)速度大小分布規(guī)律的改變將直接影響柱塞的運(yùn)動(dòng)，不僅對(duì)泵的漏失率、下沖程中流體對(duì)柱塞的阻尼性頂托力產(chǎn)生顯著影響，同時(shí)也因桿柱與液柱的慣性力的改變而對(duì)桿柱的受力大小分布有著非常大的作用。

1）慣性作用抑制：通過(guò)控制柱塞起動(dòng)后的加速過(guò)程，有效降低上行程初起階段桿液柱的慣性對(duì)桿柱最大負(fù)荷的影響。

2）氣影響抑制：通過(guò)控制上行全過(guò)程中的最大柱塞運(yùn)行速度，控制泵筒空間的相對(duì)負(fù)壓，減小溶解氣的溢出條件。

3）下行偏磨抑制：通過(guò)控制下行全過(guò)程中的最大柱塞運(yùn)行速度，控制液流通過(guò)游動(dòng)凡爾時(shí)形成的壓頭差，可以使下沖程的動(dòng)態(tài)偏磨減小。

4）漏失率抑制：通過(guò)縮短行程起點(diǎn)和終點(diǎn)的換向過(guò)渡時(shí)間，減少凡爾關(guān)閉過(guò)程中的液體漏失量。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

大慶外圍油田一般具有井深（1 600 m）、油稠（40.3 mPa·s）、含蠟量高（24.8%）、等特征，同時(shí)油井產(chǎn)液量低（多＜3 t）、抽油機(jī)系統(tǒng)效率低（多＜10%）、噸液耗電高（103 kWh/t），機(jī)采系統(tǒng)能耗居高不下，節(jié)能形勢(shì)嚴(yán)峻。開(kāi)展新的節(jié)能技術(shù)研究及應(yīng)用已經(jīng)成為油田節(jié)能降耗的重要內(nèi)容。

為客觀評(píng)價(jià)抽油機(jī)井柔性運(yùn)行技術(shù)在生產(chǎn)運(yùn)行中所起的作用，驗(yàn)證不同工況條件下，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和能耗的變化情況，同時(shí)消除井因素帶來(lái)的影響，選取標(biāo)準(zhǔn)井開(kāi)展了相同工況下前后對(duì)比測(cè)試試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比20口井，應(yīng)用柔性運(yùn)行技術(shù)實(shí)現(xiàn)了日耗電降低30.7kWh的節(jié)能效果，有功節(jié)電率達(dá)到13.75%（表1）。

表1 20口井安裝前后效果對(duì)比Table 1 Effect contrast of 20 wells before and after installation

從表1的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中可知，應(yīng)用該技術(shù)沖次變化不大，產(chǎn)液量略有上升，沉沒(méi)度略有下降，系統(tǒng)效率上升，日耗電下降。

2.1 功率、電流分析

抽油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程需要較大的啟動(dòng)扭矩，從式（1）可以得出，正常情況下啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)，只能以大功率獲得大扭矩。而柔性啟動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)由0開(kāi)始逐漸升高，達(dá)到相同的扭矩時(shí)所需的功率較小，即柔性起動(dòng)實(shí)現(xiàn)了以電機(jī)低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)獲得大扭矩啟動(dòng)抽油機(jī)。

式中：M（φ）為扭矩；P（φ）為功率；ω（φ）為轉(zhuǎn)速。

圖1 A1井功率曲線Fig.1 Power curve of well A1

柔性運(yùn)行過(guò)程中，抽油機(jī)工作頻率范圍為30～50 Hz，而且在工作過(guò)程中的工作頻率自始至終在有規(guī)律的變化，因而電機(jī)在重載情況下以較低的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，并以較低的功率提供較大的扭矩，在輕載情況下以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，并提供較高的功率。如此工作，起到了削峰填谷的作用，電機(jī)功率基本衡定，同時(shí)消除了大部分過(guò)剩功和負(fù)功，使電機(jī)在較高的效率下工作。

功率對(duì)比曲線（圖1）與電流對(duì)比曲線（圖2）可以看出，柔性啟動(dòng)避免了常規(guī)工頻啟動(dòng)過(guò)程的啟動(dòng)功率峰值和啟動(dòng)電流峰值，并且啟動(dòng)功率和啟動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)上升，進(jìn)而減少了電機(jī)損傷和啟動(dòng)能耗。運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行功率和運(yùn)行電流均較工頻運(yùn)行狀態(tài)要低且平穩(wěn)，因而運(yùn)行能耗降低。

圖2 A1井電流曲線Fig.2 Current curve of well A1

2.2 不同沉沒(méi)度井的示功圖對(duì)比分析

1）沉沒(méi)度低于100 m井的應(yīng)用效果分析

沉沒(méi)度低于100 m的井共計(jì)2口，應(yīng)用該技術(shù)后沖次上升、沉沒(méi)度下降、日耗電下降、泵效提高、系統(tǒng)效率上升、功率因數(shù)提高。

2）沉沒(méi)度100～300 m井的應(yīng)用效果分析

沉沒(méi)度100～300 m的井共計(jì)應(yīng)用15口，對(duì)比結(jié)果表明，應(yīng)用該技術(shù)后整體效果與沉沒(méi)度低于100 m的井效果基本相同，但節(jié)電效果更好。

3）沉沒(méi)度高于300 m井的應(yīng)用效果分析

沉沒(méi)度高于300 m的井共計(jì)應(yīng)用3口，對(duì)比結(jié)果表明，應(yīng)用該技術(shù)后，不僅節(jié)電效果好，沉沒(méi)度下降幅度相對(duì)300 m以下沉沒(méi)度的井要大。

從上述對(duì)比數(shù)據(jù)可以得出，使用柔性運(yùn)行技術(shù)后，沖次、產(chǎn)液量和沉沒(méi)度基本穩(wěn)定，日耗電下降、泵效上升、系統(tǒng)效率上升。

綜上所述，柔性運(yùn)行技術(shù)實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行，通過(guò)四項(xiàng)主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)效率上升，日耗電降低，功率因數(shù)提高的成果，節(jié)能效果顯著。

3 技術(shù)的適應(yīng)性分析

通過(guò)11口井的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況得出，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的變速旋轉(zhuǎn)和動(dòng)能釋放，提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，是有益的，其主要表現(xiàn)在于降低了能耗峰值和平均能耗、提高抽油泵的充滿程度。

在現(xiàn)有認(rèn)識(shí)水平下，可得到的技術(shù)適應(yīng)性主要有以下三點(diǎn)：

1）對(duì)于電機(jī)功率利用率小于50%的井可直接應(yīng)用與電機(jī)額定功率相等容量的裝置，即可獲得較好的效果。當(dāng)功率利用高于40%時(shí)，該技術(shù)可通過(guò)放大設(shè)備容量應(yīng)用。該技術(shù)的運(yùn)行過(guò)程是：首先進(jìn)行變頻啟動(dòng)，完成啟動(dòng)過(guò)程之后，其運(yùn)算系統(tǒng)將對(duì)采集到的電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的角速度、角加速度信號(hào)與對(duì)應(yīng)的電信號(hào)（電流、有功功率）進(jìn)行運(yùn)算，逐步完成其曲柄在不同轉(zhuǎn)角情況下電機(jī)速度與加速度的優(yōu)化，從而進(jìn)入優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)。在其優(yōu)化運(yùn)行過(guò)程中，一旦發(fā)生超出其容量一定倍數(shù)（通常設(shè)定為1.25）的電信號(hào)（電流、功率）的時(shí)間達(dá)到一定時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行保護(hù)，使優(yōu)化運(yùn)算過(guò)程自動(dòng)終止。即其運(yùn)算系統(tǒng)具有一定的學(xué)習(xí)功能，當(dāng)發(fā)生超出其容量一定倍數(shù)的電信號(hào)的時(shí)間達(dá)到一定時(shí)間，學(xué)習(xí)過(guò)程將被保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)終止。通常情況下，電機(jī)的最大運(yùn)行功率（電流）與電機(jī)的功率利用率密切相關(guān)。一般情況下，電機(jī)功率利用率越高，其最大的運(yùn)行功率越高，有時(shí)可以達(dá)到平均功率的4～5倍，當(dāng)功率利用率達(dá)到50%以上時(shí)，峰值功率通常是平均功率5倍以上，遠(yuǎn)超出系統(tǒng)設(shè)定的保護(hù)倍數(shù)（1.25），此時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)保護(hù)發(fā)生的幾率將明顯增大。通常情況下，遇到這種情況，可通過(guò)放大系統(tǒng)容量，避免發(fā)生上述情況，方可使學(xué)習(xí)過(guò)程得以延續(xù)，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行。

2）該技術(shù)對(duì)抽油機(jī)的平衡狀況要求嚴(yán)格，平衡狀況越好，應(yīng)用效果越好。若平衡度不好，上下沖程負(fù)荷嚴(yán)重兩極分化導(dǎo)致電機(jī)基本運(yùn)行在低效負(fù)荷率區(qū)，電機(jī)和齒輪箱的沖擊、疲勞與強(qiáng)度損失加重，控制運(yùn)行下妨礙光桿速度過(guò)程優(yōu)化進(jìn)而影響桿柱受力與偏磨控制，制動(dòng)能量加大、造成能耗浪費(fèi)并影響驅(qū)動(dòng)器的安全。

3）該技術(shù)對(duì)抽油機(jī)井的沉沒(méi)度無(wú)特殊要求。通過(guò)不同沉沒(méi)度井的示功圖對(duì)比分析得出，抽油機(jī)井的沉沒(méi)度對(duì)該技術(shù)沒(méi)有太大影響。

4 結(jié)論

1）柔性運(yùn)行技術(shù)通過(guò)主動(dòng)變速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了功率再分配，具有“削峰填谷”的作用。

2）通過(guò)主動(dòng)調(diào)整抽油機(jī)上、下死點(diǎn)及運(yùn)行過(guò)程中的線速度，實(shí)現(xiàn)了降低慣性負(fù)荷、提高抽油泵充滿程度。

3）柔性運(yùn)行技術(shù)對(duì)抽油機(jī)沉沒(méi)度無(wú)限制，對(duì)平衡狀況要求嚴(yán)格。

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