胥晉（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠(chǎng)）

薩中油田抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置功能試驗(yàn)和應(yīng)用界限研究

胥晉（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠(chǎng)）

游粱式抽油機(jī)的負(fù)荷是一種以抽油機(jī)的沖程為周期性變化的負(fù)荷，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較大，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩又比較小，重載運(yùn)行時(shí)間很短，這樣抽油機(jī)配套的電動(dòng)機(jī)平均負(fù)載不足30%。抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置可實(shí)現(xiàn)工頻、變頻之間任意切換。其中：傳感器負(fù)責(zé)傳輸曲柄旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的位置信號(hào)，分辨出抽油機(jī)懸點(diǎn)位于上沖程或是下沖程，并將信號(hào)傳遞給控制面板；控制面板向變頻器傳達(dá)工作指令，測(cè)量電參數(shù)，分析判斷工況，根據(jù)需要供給電參數(shù)，從而達(dá)到節(jié)能目的。對(duì)該裝置的選井原則、適應(yīng)性等進(jìn)行了研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用2585口井，實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)電率11.16%，取得較好效果。

抽油機(jī)；多功能調(diào)速；應(yīng)用界限研究

大慶薩中油田共有機(jī)械采油井10 647口，抽油機(jī)井8609口，占總井?dāng)?shù)的80.86%。抽油機(jī)作為機(jī)械采油井的主要舉升工藝設(shè)備，因其自身的重載啟動(dòng)特性[1]，在設(shè)計(jì)匹配電動(dòng)機(jī)容量時(shí)，需要增大電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率[2]，以滿(mǎn)足抽油機(jī)的啟動(dòng)負(fù)載需求，從而保證抽油機(jī)的正常運(yùn)行。這種增加電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率的方法，可以滿(mǎn)足電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求，但也增加了電動(dòng)機(jī)的自身功率損耗，使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率降低，造成了抽油機(jī)載荷過(guò)低的問(wèn)題[3-4]。同時(shí)部分抽油機(jī)井在平衡塊勢(shì)能釋放的作用下，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生了負(fù)發(fā)電狀態(tài)，降低了電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)?！笆晃濉币詠?lái)，加大了節(jié)能配電箱技術(shù)的推廣規(guī)模，使抽油機(jī)拖動(dòng)裝置在自身運(yùn)行特性上有所提高，電動(dòng)機(jī)的自身?yè)p耗略有下降，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能效果。

1 多功能調(diào)速裝置功能試驗(yàn)和應(yīng)用界限研究

抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置主要由傳感器、控制面板、變頻器、濾波器組成。設(shè)備共設(shè)有兩個(gè)控制回路，可實(shí)現(xiàn)工頻、變頻之間任意切換。其中：傳感器負(fù)責(zé)傳輸曲柄旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的位置信號(hào)，分辨出抽油機(jī)懸點(diǎn)位于上沖程或是下沖程，并將信號(hào)傳遞給控制面板；控制面板向變頻器傳達(dá)工作指令，測(cè)量電參數(shù)，分析判斷工況，監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行，同時(shí)具備過(guò)載、欠載保護(hù)功能；變頻器接受控制面板工作指令，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、軟啟、軟停、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整和無(wú)級(jí)調(diào)整沖速的功能；濾波器可有效減少對(duì)周邊其他電力設(shè)備的干擾及電網(wǎng)的沖擊[5]，有效控制諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響。

由于多功能調(diào)速輸出頻率可在30～70 Hz變化，具有沖速無(wú)級(jí)調(diào)整功能，考慮沉沒(méi)度治理的需要，初步確定選井原則為：

◇沉沒(méi)度低于200 m，泵效低于40%;

◇沉沒(méi)度大于200 m，泵效低于40%且示功圖顯示供液不足。

根據(jù)上述原則進(jìn)行推廣，同時(shí)在推廣中，通過(guò)功能試驗(yàn)和適應(yīng)性研究，驗(yàn)證并完善選井原則。

1.1 軟啟動(dòng)特性試驗(yàn)

根據(jù)抽油機(jī)變負(fù)載的運(yùn)行特性，針對(duì)啟動(dòng)困難、液面波動(dòng)較大的井應(yīng)用抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置，并通過(guò)跟蹤測(cè)試應(yīng)用前后電動(dòng)機(jī)工作電壓、電流和功率變化曲線(xiàn)，分析曲線(xiàn)變化規(guī)律，對(duì)比啟動(dòng)電流和有功功率等電能參數(shù)，評(píng)價(jià)該裝置的軟啟動(dòng)特性。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)井進(jìn)行了動(dòng)液面200、300、400、500 m時(shí)的啟動(dòng)及運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的電流、功率曲線(xiàn)的測(cè)試。在動(dòng)液面200 m情況下（其他工況類(lèi)似），對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)井工頻與變頻的啟動(dòng)電流（圖1）。由圖1可知，工頻啟動(dòng)時(shí)的電流為正常運(yùn)行時(shí)的7～8倍，而變頻啟動(dòng)時(shí)的電流小于正常運(yùn)行時(shí)電流值。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)井啟動(dòng)電流對(duì)比

為驗(yàn)證該裝置軟啟動(dòng)特性，選取了20口生產(chǎn)井進(jìn)行了啟動(dòng)過(guò)程和運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的電流和功率測(cè)試（表1）。

表120 口井軟啟動(dòng)性能評(píng)價(jià)

從測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)可知，啟動(dòng)過(guò)程中，在工頻狀態(tài)下，啟動(dòng)瞬間功率、電流同時(shí)達(dá)到峰值，而在變頻狀態(tài)下，電流及功率遠(yuǎn)小于正常狀態(tài)下的峰值、平均功率與電流，而且電流與功率是從0逐漸上升到運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的峰值。

以高146-斜43井為例，該井機(jī)型為CYJ10-3-37HB，下入φ57 mm泵生產(chǎn)，下泵深度945.67 m，電動(dòng)機(jī)額定功率37 kW，沖程2.5 m。在工頻狀態(tài)下，沖速6.1 min-1，最大啟動(dòng)電流332 A，最大啟動(dòng)功率77.5 kW，完成啟動(dòng)進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程。在變頻狀態(tài)下，上沖程頻率55 Hz，下沖程頻率45 Hz，沖速5.5 min-1，啟動(dòng)電流由0 A緩慢上升至峰值的13 A后開(kāi)始下降，啟動(dòng)功率由0 kW緩慢上升至7 kW后開(kāi)始下降，完成啟動(dòng)過(guò)程，進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程（圖2）。

圖2 高146-斜43啟動(dòng)與運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的電流、功率曲線(xiàn)

1.2 無(wú)級(jí)調(diào)速功能試驗(yàn)

該裝置的變頻器以“交—直—交”轉(zhuǎn)換的方式，通過(guò)三相逆變電路來(lái)調(diào)整頻率，來(lái)達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)調(diào)整沖速的功能。該裝置的控制面板上帶有電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕，轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕可以實(shí)現(xiàn)沖速的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。綜合考慮電動(dòng)機(jī)承受能力，普通Y系列電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)整范圍設(shè)定為工頻頻率的60%～120%之間，即可在30～60 Hz之間；高轉(zhuǎn)差系列及高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩系列電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)整范圍設(shè)定為工頻頻率的60%～140%之間，即可在30～70 Hz之間，進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)[6]。實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速后，節(jié)省更換皮帶、皮帶輪費(fèi)用，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)率。

為驗(yàn)證裝置的無(wú)級(jí)調(diào)速功能，選擇供液不足抽油機(jī)井作為試驗(yàn)對(duì)象。以中101-235井為例，該井沖程3.0 m，沖速6 min-1，通過(guò)頻率調(diào)整后，沖速為4.7 min-1，調(diào)整后沉沒(méi)度保持穩(wěn)定。試驗(yàn)前后示功圖變化情況見(jiàn)圖3。

圖3 中101-235井試驗(yàn)前后功圖變化情況

1.3 適應(yīng)性研究

綜合節(jié)電率與產(chǎn)液量關(guān)系評(píng)價(jià)：以測(cè)試資料的200口井為基礎(chǔ)，以產(chǎn)液量作為橫坐標(biāo)，綜合節(jié)電率作為縱坐標(biāo)制作了綜合節(jié)電率與產(chǎn)液量關(guān)系散點(diǎn)圖，并進(jìn)行了回歸（圖4）。

圖4 綜合節(jié)電率與產(chǎn)液量關(guān)系散點(diǎn)

由圖4可知，該裝置適用于產(chǎn)液量60 t/d及以下級(jí)別的抽油機(jī)井時(shí)均可取得綜合節(jié)電率11%節(jié)能效果。

綜合節(jié)電率與沉沒(méi)度關(guān)系評(píng)價(jià):以有測(cè)試資料的200口井為基礎(chǔ)，以更換前沉沒(méi)度作為橫坐標(biāo)，綜合節(jié)電率作為縱坐標(biāo)制作了綜合節(jié)電率與沉沒(méi)度關(guān)系散點(diǎn)圖，并進(jìn)行了回歸（圖5）。

表2 多功能調(diào)速節(jié)能效果對(duì)比

圖5 綜合節(jié)電率與沉沒(méi)度關(guān)系散點(diǎn)

由圖5可知，當(dāng)沉沒(méi)度低于250 m時(shí)，可取得綜合節(jié)電率10%以上的效果?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)實(shí)際調(diào)整情況，建議將沉沒(méi)度控制在250 m以下。

綜上所述認(rèn)為：

1）抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置適用于任何產(chǎn)液量級(jí)別的機(jī)采井，當(dāng)沉沒(méi)度控制在250 m以下時(shí)，綜合節(jié)電率較高；因此，初步確定的選井原則是合理的。

2）根據(jù)其軟啟動(dòng)特點(diǎn)，應(yīng)用多功能調(diào)速裝置可以實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速小功率啟動(dòng)，可以降低裝機(jī)功率。為取得最好的節(jié)能效果，可考慮與節(jié)能電動(dòng)機(jī)更換配套應(yīng)用。

3）考慮節(jié)能效果以及該技術(shù)具有的無(wú)級(jí)調(diào)速功能，建議該技術(shù)盡可能應(yīng)用于供液不足低產(chǎn)井。

2 多功能調(diào)速裝置應(yīng)用效果

自2013年至2015年，全廠(chǎng)共計(jì)更換多功能調(diào)速裝置2585口井，測(cè)試對(duì)比200口井，平均有功節(jié)電率8.03%，無(wú)功節(jié)電率58.39%，綜合節(jié)電率11.16%，系統(tǒng)效率提升3.80個(gè)百分點(diǎn)，上升了12.82%。由于措施前后產(chǎn)液量、沖速發(fā)生變化，節(jié)電率按百米噸液耗電折算，平均單井折算日節(jié)電40.8 kWh（表2）。

年有效生產(chǎn)天數(shù)為360 d，電價(jià)按0.6381元/kWh計(jì)算，年節(jié)電3 796.8×104kWh，年節(jié)省電費(fèi)2 593.6萬(wàn)元。

3 結(jié)論

1）抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置適用于任何產(chǎn)液量級(jí)別的機(jī)采井。軟啟動(dòng)功能可有效降低啟動(dòng)功率及電流，實(shí)現(xiàn)沖速無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)功能，能夠使參數(shù)無(wú)法下調(diào)井實(shí)現(xiàn)供采平衡。

2）產(chǎn)液量60 t/d及以下級(jí)別的抽油機(jī)井的有功節(jié)電率達(dá)8.03%，無(wú)功節(jié)電率為58.39%，綜合節(jié)電率11.16%，系統(tǒng)效率提升3.80個(gè)百分點(diǎn)，上升了12.82%。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2017.02.005

2016-09-28

（編輯 王 艷）

胥晉，2012年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院(機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè))，從事油田采油工程技術(shù)管理工作，E-mail：jinxu_a@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠(chǎng)第三采油隊(duì)，163000。