于海山?。ù髴c油田有限責(zé)任公司第八采油廠）

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低滲透油田功率平衡技術(shù)應(yīng)用及節(jié)能潛力分析

于海山（大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠）

在低滲透油田應(yīng)用電流法調(diào)整游梁式抽油機(jī)平衡，因電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)過低而無法真實(shí)反映抽油機(jī)平衡狀況，常出現(xiàn)虛假平衡現(xiàn)象。傳統(tǒng)電流法無法滿足油田日益增長的變頻設(shè)備的需求，不能有效降低機(jī)采能耗；因此，現(xiàn)場應(yīng)用了功率平衡技術(shù)調(diào)整游梁式抽油機(jī)曲柄平衡。應(yīng)用功率法判定抽油機(jī)平衡可以避免虛假平衡的發(fā)生，相比于電流法更加準(zhǔn)確、更加節(jié)能，而且適用于變頻設(shè)備。試驗(yàn)得出功率平衡可以在電流平衡的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)平均單井日節(jié)電8.87 kWh的節(jié)能效果，若功率平衡標(biāo)準(zhǔn)P下/P上為60%～150%時(shí)，節(jié)能效果更好；功率平衡與電流平衡在功率因數(shù)大于0.6時(shí)存在一定的相關(guān)性，此時(shí)電流平衡度至少在85%～125%范圍內(nèi)，功率都是平衡的；應(yīng)用功率平衡技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)年節(jié)電555.4×104kWh。

游梁式抽油機(jī)；功率平衡；電流平衡；機(jī)采節(jié)能

平衡是抽油機(jī)安全、節(jié)能運(yùn)行的重要保障，可以降低減速箱沖擊、增加皮帶及電動(dòng)機(jī)使用壽命、優(yōu)化抽油桿工作條件、延長檢泵周期，實(shí)現(xiàn)降低油田生產(chǎn)成本的作用［1］。目前，針對游梁式抽油機(jī)平衡調(diào)整的方法主要有功法、電流法、功率法3種，功法由于低滲透油田產(chǎn)液量低，油井生產(chǎn)多且供液不足，基本不適用；電流法操作方便、儀器價(jià)位較低，在現(xiàn)場得到廣泛應(yīng)用，但常出現(xiàn)虛假平衡現(xiàn)象，在造成抽油機(jī)運(yùn)行能耗增加的同時(shí)也帶來了安全生產(chǎn)隱患；功率法在近幾年的研究中技術(shù)得到長足發(fā)展，技術(shù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了便捷化，可以有效避免載荷過低現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能運(yùn)行［2-4］。低滲透油田具有井深、油稠、含蠟量高的特點(diǎn)，機(jī)采井開采產(chǎn)量低、泵效低、能耗高，節(jié)能降本問題突出?，F(xiàn)場應(yīng)用功率法調(diào)整抽油機(jī)平衡，節(jié)能效果顯著，可有效降低開采成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1　抽油機(jī)平衡調(diào)整現(xiàn)狀

目前，現(xiàn)場平衡調(diào)整主要采用電流法，對功率法進(jìn)行局部推廣。電流法平衡判斷標(biāo)準(zhǔn)為I下max/I上max的比值在85%～100%；功率法平衡判斷標(biāo)準(zhǔn)為P下與P上之中的小值與大值之比在50%～100%（換算成P下/P上的比值在50%～200%），出現(xiàn)負(fù)值時(shí)功率平衡度為0［5］?，F(xiàn)場隨機(jī)測試138口井平衡狀況，其中電流平衡127口井，電流平衡率92%；功率平衡87口井，功率平衡率63%。造成電流平衡率與功率平衡率之間差值為29%的主要原因是由于電流法存在以下幾方面的問題：

1）虛假平衡。鉗形電流表測試出的電流值不分正負(fù)，無法判斷是電動(dòng)機(jī)發(fā)電電流還是輸電電流。如A1井上沖程電流峰值23 A，下沖程電流峰值20.4 A，電流平衡度為88.7%，判定抽油機(jī)處于平衡運(yùn)行狀態(tài)。但是，功率法測試結(jié)果顯示下沖程過程中存在負(fù)功，因而判定抽油機(jī)處于嚴(yán)重不平衡狀態(tài)（圖1）。所以，該井下沖程電流峰值為假峰值，是電動(dòng)機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的，此時(shí)的電流平衡不能代表該井處于平衡運(yùn)行狀態(tài)［6-7］。

2）讀值誤差。鉗形電流表測試電流隨抽油機(jī)運(yùn)行讀數(shù)時(shí)刻發(fā)生變化，測試時(shí)需要一邊看上下沖程情況，一邊觀察鉗形電流表峰值電流，因而讀數(shù)時(shí)存在取值誤差，影響平衡判定的準(zhǔn)確性。

3）調(diào)整量不確定。應(yīng)用電流法調(diào)整抽油機(jī)平衡時(shí)，常依據(jù)現(xiàn)場工人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，相差1個(gè)電流大概調(diào)整幾個(gè)齒，調(diào)整量因人而異，因而常出現(xiàn)平衡反復(fù)多次調(diào)整現(xiàn)象，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖1　A1井實(shí)測電流、功率曲線

4）變頻設(shè)備不適用。應(yīng)用鉗形電流表測試使用變頻設(shè)備的抽油機(jī)平衡時(shí)，需要先把變頻設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換成工頻再進(jìn)行測試，常造成安裝變頻設(shè)備的抽油機(jī)平衡度差，甚至無法變頻運(yùn)行。在目前油田大量應(yīng)用變頻設(shè)備的情況下，電流法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)場平衡調(diào)整的需要，成為造成資源浪費(fèi)的重要因素。

應(yīng)用功率法可以有效解決以上4個(gè)方面的問題，平衡判定準(zhǔn)確、方便，技術(shù)方法適用于不同供液能力的井，對變頻設(shè)備也適用，能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機(jī)最節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)［8］。

2　功率平衡技術(shù)應(yīng)用效果分析

2.1節(jié)能效果分析

從測試的138口井中集中選取27口井應(yīng)用功率法調(diào)整平衡。其中，26口井實(shí)現(xiàn)節(jié)能，平均單井日節(jié)電10.2 kWh，節(jié)電率7.4%；1口井日耗電增加12.96 kWh，27口井平均單井日節(jié)電9.3 kWh，節(jié)電率6.5%（表1）。從27口井應(yīng)用功率法調(diào)整抽油機(jī)平衡的效果對比中可以得到以下幾個(gè)結(jié)論：

1）功率平衡相比于電流平衡節(jié)電效果明顯。27口井中有22口是電流平衡功率不平衡的井，功率平衡調(diào)整后22口井平均單井日節(jié)電8.87 kWh，去除功率平衡標(biāo)準(zhǔn)寬泛引起能耗增加的A2井，21口井平均單井日節(jié)電9.94 kWh，可見功率平衡相對于電流平衡更加節(jié)電。

2）功率法平衡判別標(biāo)準(zhǔn)過于寬泛。如A2井平衡調(diào)整后功率平衡度由810%下降到197%，滿足功率平衡標(biāo)準(zhǔn)，但日耗電增加；A3井平衡調(diào)整后功率平衡度由54%上升到139%，仍節(jié)電。這說明功率平衡判定標(biāo)準(zhǔn)P下/P上的比值在50%～200%，在低滲透油田應(yīng)用范圍較寬，根據(jù)測試數(shù)據(jù)得出P下/P上在60%～150%時(shí)，節(jié)能效果更好。

表1　27口井功率平衡調(diào)整效果對比

3）電流平衡度與節(jié)電量多少無關(guān)。如A18井平衡調(diào)整后電流平衡度由94%下降到87%，但日節(jié)電7.92 kWh；A6井平衡調(diào)整后電流平衡度由87%上升到91%，日節(jié)電41.04 kWh；A2井平衡調(diào)整后電流平衡度由97%上升到100%，電流平衡度雖然上升了，但是日耗電增加了12.96 kWh?？梢?，平衡調(diào)整前后電流平衡度差值的大小并不能決定節(jié)電量的多少。

4）功率法可以有效避免電流法出現(xiàn)的虛假平衡現(xiàn)象。從A1井平衡狀況看，A1井用電流法判定均平衡，但功率法判定均為嚴(yán)重不平衡。按功率法調(diào)整后，A1井消除了負(fù)功，避免了電流法存在的虛假平衡現(xiàn)象（圖2），產(chǎn)生了節(jié)電效果。

圖2　A1井功率平衡調(diào)整后實(shí)測電流、功率曲線

5）功率平衡技術(shù)能夠提高電動(dòng)機(jī)用電效率。從27口井測試數(shù)據(jù)可以看出，所有井的功率因數(shù)或多或少都有提升，可見功率平衡技術(shù)能夠消除負(fù)功、降低無功消耗、提高有功功率、降低視在功率，從而提升電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。

2.2功率平衡度與電流平衡度相關(guān)性分析

從27口井功率平衡調(diào)整數(shù)據(jù)中很難得出功率平衡度與電流平衡度之間是否存在相關(guān)性，但從138口井測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況可以發(fā)現(xiàn)，功率平衡度與電流平衡度通過功率因數(shù)表現(xiàn)出一定的相關(guān)性（圖3）。

圖3　功率平衡度與電流平衡度相關(guān)關(guān)系

1）功率因數(shù)大的井，功率平衡度與電流平衡度相關(guān)性好。pf≥0.6時(shí)，功率平衡度與電流平衡度之間可以擬合出合理的對數(shù)曲線，表明功率平衡度與電流平衡度存在對數(shù)相關(guān)性。圖3中散點(diǎn)與擬合曲線充分說明，隨著功率因數(shù)的提高，相關(guān)性更加明顯、合理，功率因數(shù)在0.8及以上時(shí)，功率平衡度與電流平衡度之間的相關(guān)性高。并且，從5條擬合曲線走勢可以看出，電流平衡度至少在85%～125%范圍內(nèi)，功率都是平衡的；隨著功率因數(shù)的增加，這個(gè)范圍會(huì)不斷擴(kuò)大，在70%～150%以內(nèi)，功率會(huì)處于平衡狀態(tài)。

2）功率因數(shù)小的井，功率平衡度與電流平衡度相關(guān)性差或不存在相關(guān)性。pf＜0.6時(shí)，相同功率因數(shù)的點(diǎn)分布散亂，無法擬合出合理的相關(guān)性曲線，表明功率平衡度與電流平衡度之間相關(guān)性差或不存在相關(guān)性。并且，隨著功率因數(shù)的減小，電流敏感度下降，功率敏感度提升；功率因數(shù)過小時(shí)，電流平衡度失去判定意義，無法真實(shí)反映抽油機(jī)平衡。在測試的138口井中，有101口井的pf＜0.6，占測試總數(shù)的75.9%（表2）。由此可見，在低滲透油田中，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)普遍較低，這種情況下仍然應(yīng)用電流法進(jìn)行平衡判定具有很強(qiáng)的不確定性，平衡調(diào)整后無法實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的節(jié)能、安全運(yùn)行，應(yīng)用功率法更加合理。

表2　133口井電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)情況

2.3變頻控制柜適應(yīng)性分析

根據(jù)油井運(yùn)行工況應(yīng)用智能變頻控制柜，通過對抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、加速度、輸出轉(zhuǎn)矩等的精確控制，實(shí)現(xiàn)沖速調(diào)節(jié)，從而減少了電動(dòng)機(jī)有功用電量和無功用電量，提高了電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，在提高泵效的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高節(jié)電率。目前，油田上應(yīng)用了SURF柔性控制柜、SEEKA系列伺服控制柜、純崖控制柜、潤裕控制柜等變頻控制柜?，F(xiàn)場測試了9口安裝變頻控制柜的抽油機(jī)井，其中5口井處于變頻運(yùn)行狀態(tài)，變頻運(yùn)行井?dāng)?shù)占測試總井?dāng)?shù)的55.6%（表3）。

表3測試數(shù)據(jù)中，電流平衡井?dāng)?shù)有6口井，功率平衡井?dāng)?shù)有5口井，工頻運(yùn)行的抽油機(jī)電流都平衡，而變頻運(yùn)行的抽油機(jī)功率都平衡，電流卻不一定平衡。數(shù)據(jù)說明，變頻運(yùn)行的抽油機(jī)電流平衡度不一定符合平衡標(biāo)準(zhǔn)，但功率平衡度必須在平衡范圍內(nèi)。因?yàn)閼?yīng)用電流法只能在工頻狀態(tài)下調(diào)整抽油機(jī)平衡，在變頻運(yùn)行狀態(tài)下抽油機(jī)平衡度不一定好，致使控制系統(tǒng)由變頻運(yùn)行跳轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行。功率平衡技術(shù)之所以適用于節(jié)能設(shè)備是由其平衡原理決定的，功率平衡調(diào)整使電動(dòng)機(jī)的均方根功率最小，保證了抽油機(jī)曲柄軸均方根扭矩最小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)運(yùn)行的最節(jié)能狀態(tài)。此時(shí)不僅消除了負(fù)功影響，在電動(dòng)機(jī)均方根功率最小的情況下，電動(dòng)機(jī)功率變化幅度最小，變頻運(yùn)行后，功率變化也相對穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)大幅度變化。不存在相關(guān)性。功率因數(shù)過小，電流平衡度無法真實(shí)反映抽油機(jī)平衡狀況，低滲透油田應(yīng)用功率法判定抽油機(jī)平衡更加準(zhǔn)確、可靠。

3）低滲透油田可用功率法調(diào)整的不平衡井達(dá)到運(yùn)行井?dāng)?shù)的37%，應(yīng)用功率平衡技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)年節(jié)電555.4×104kWh，年節(jié)省成本費(fèi)用355.5萬元的節(jié)能效果。

表3　變頻設(shè)備油井測試情況

3　節(jié)能潛力分析

目前，油田運(yùn)行4521口油井，其中抽油機(jī)4409口井、電潛柱塞泵49口井、螺桿泵63口井，抽油機(jī)井占運(yùn)行油井總數(shù)的97.5%，是油田生產(chǎn)最重要的舉升方式，應(yīng)用功率平衡技術(shù)具有很大的機(jī)采節(jié)能潛力。

按測試的138口井中功率平衡率63%，不平衡率37%計(jì)算，4409口抽油機(jī)井的功率不平衡井?dāng)?shù)達(dá)到1631口。按功率平衡試驗(yàn)中27口井平均單井日節(jié)電9.33 kWh計(jì)算，1631口井功率平衡調(diào)整后實(shí)現(xiàn)日節(jié)電1.5×104kWh，年節(jié)電555.4×104kWh，年節(jié)省成本費(fèi)用355.5萬元。

4　結(jié)論

1）應(yīng)用功率法調(diào)整抽油機(jī)平衡相比于電流法更加節(jié)能，能夠?qū)崿F(xiàn)平均單井日節(jié)電8.87 kWh的節(jié)能效果。若功率平衡標(biāo)準(zhǔn)P下/P上的比值為60%～150%時(shí)，節(jié)能效果更好。

2）功率平衡與電流平衡通過功率因數(shù)存在一定的相關(guān)性，但是功率因數(shù)小于0.6時(shí)相關(guān)性差或

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.007

2016-03-23

（編輯賈洪來）

于海山，工程師，2011年畢業(yè)于東北石油大學(xué)（礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)），從事機(jī)采、節(jié)能管理相關(guān)工作，E-mail：yuhaishan@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶油田第八采油廠工程技術(shù)大隊(duì)機(jī)采室，163514。