易正昌（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

隨著大慶油田的不斷開(kāi)發(fā)，地層供液能力不斷下降，油井產(chǎn)液量逐漸降低，機(jī)采井系統(tǒng)效率低、能耗高等問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重制約了油田的經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)，節(jié)能降耗工作愈發(fā)重要。抽油機(jī)作為目前主要的舉升方式，更是節(jié)能降耗治理工作的重點(diǎn)對(duì)象。相比于常規(guī)抽油機(jī)系統(tǒng)，長(zhǎng)沖程抽油機(jī)系統(tǒng)具有效率高、節(jié)能顯著等優(yōu)點(diǎn)[1]。近年來(lái)，在大慶油田開(kāi)展的單機(jī)單井超長(zhǎng)沖程舉升系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均取得了良好的應(yīng)用效果[2-3]。

目前，大慶油田某采油廠有叢式井平臺(tái)632個(gè)，共1 873口井，占機(jī)采井的23.2%，仍沿用“一機(jī)一井”的生產(chǎn)模式。叢式井處于同一平臺(tái)、距離較近的特點(diǎn)沒(méi)有得到發(fā)揮，井與井之間的能量沒(méi)有綜合利用。針對(duì)這一問(wèn)題，在現(xiàn)有超長(zhǎng)沖程新型抽油機(jī)的基礎(chǔ)上開(kāi)展了“一拖二”互平衡式超長(zhǎng)沖程舉升系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，完善相關(guān)配套技術(shù)，對(duì)今后平臺(tái)井高效節(jié)能開(kāi)發(fā)具有重要意義。

1 “一拖二”互平衡式超長(zhǎng)沖程舉升系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

“一拖二”互平衡式超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)由青島新盛石油機(jī)械有限公司研發(fā)與制造。該節(jié)能舉升系統(tǒng)主要由控制柜、電動(dòng)機(jī)、滾筒減速器、柔性鋼絲繩、傳動(dòng)輪、抽油桿、超長(zhǎng)沖程抽油泵、主機(jī)架、基座等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示?；ㄟ^(guò)螺栓固定在井場(chǎng)水泥基礎(chǔ)上，電源控制柜和主機(jī)架直接用螺栓安裝在基座之上，滾筒減速器則經(jīng)滾筒座用螺栓連接到基座上。滾筒減速器由行星減速器和卷筒兩部分組成，行星減速器安裝于卷筒內(nèi)部。減速器的輸入軸通過(guò)聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)的輸出軸連接，卷筒上盤(pán)繞柔性鋼絲繩，鋼絲繩經(jīng)由兩側(cè)固定于主機(jī)架上的傳動(dòng)輪，穿過(guò)井口與井下抽油桿柱上端連接，抽油桿柱下端與超長(zhǎng)沖程抽油泵柱塞連接。

圖1 “一拖二”互平衡式超長(zhǎng)沖程舉升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

抽油機(jī)工作時(shí)，智能控制柜驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)，經(jīng)卷筒內(nèi)部的行星減速器將電動(dòng)機(jī)輸出的高轉(zhuǎn)速變?yōu)榫硗驳牡娃D(zhuǎn)速。在卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，卷筒一端柔性鋼絲繩不斷盤(pán)繞在卷筒上，通過(guò)固定于主機(jī)架上的傳動(dòng)輪，帶動(dòng)與之相連的抽油桿柱和抽油泵柱塞向上運(yùn)動(dòng)；與此同時(shí)，卷筒另一端柔性鋼絲繩不斷釋放，經(jīng)另一側(cè)傳動(dòng)輪帶動(dòng)相連抽油桿柱和抽油泵柱塞向下運(yùn)動(dòng)，利用一上一下互平衡的方式實(shí)現(xiàn)1臺(tái)抽油機(jī)同時(shí)帶2口井運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。

1.3 性能特點(diǎn)

“一拖二”互平衡式超長(zhǎng)沖程舉升系統(tǒng)通過(guò)智能控制柜實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的柔性啟停，降低電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率，提高電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率和運(yùn)行效率，同時(shí)減輕上下死點(diǎn)換向過(guò)程中抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的劇烈變化；在上下沖程運(yùn)行過(guò)程中，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)整，柔性鋼絲繩幾乎勻速運(yùn)行，懸點(diǎn)加速度極小，因此慣性載荷和振動(dòng)載荷也很小，有效地改善了柔性鋼絲繩和抽油桿柱的受力情況。此外，通過(guò)智能控制系統(tǒng)能夠方便快捷地調(diào)節(jié)沖程、沖速等抽汲參數(shù)，通過(guò)設(shè)置上下沖程死點(diǎn)滯留時(shí)間，還能實(shí)現(xiàn)油井智能間歇采油，大大降低現(xiàn)場(chǎng)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度?！耙煌隙被テ胶馐匠L(zhǎng)沖程舉升系統(tǒng)采用直驅(qū)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，省略常規(guī)抽油機(jī)皮帶輪、曲柄、連桿、游梁等傳動(dòng)部件，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)環(huán)節(jié)，能耗大幅度降低。該抽油機(jī)未配置平衡重，主要利用柔性鋼絲繩一下一上的運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互平衡，充分利用井與井之間的能量。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 柔性控制技術(shù)

針對(duì)“一拖二”互平衡式超長(zhǎng)沖程舉升系統(tǒng)上下沖程換向點(diǎn)載荷變化大、振動(dòng)大，導(dǎo)致柔性鋼絲繩易斷的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了柔性控制技術(shù)，通過(guò)智能控制柜實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的柔性啟停和勻速運(yùn)行。由于抽油機(jī)屬于帶負(fù)荷啟動(dòng)設(shè)備，其啟動(dòng)過(guò)程需要較大的啟動(dòng)扭矩[4]。柔性啟動(dòng)通過(guò)變頻裝置使電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速由零開(kāi)始逐漸增大，直至變頻器所設(shè)置的頻率[5]。由式（1）可知，此時(shí)電動(dòng)機(jī)達(dá)到相同扭矩時(shí)所需的功率較小，相應(yīng)電流也較低，避免了載荷的劇烈變化，載荷變化產(chǎn)生的振動(dòng)也基本消除，運(yùn)行更加平穩(wěn)，從而延長(zhǎng)了柔性鋼絲繩等部件的使用壽命。

式中：P——電動(dòng)機(jī)輸出軸功率，kW；

M——電動(dòng)機(jī)輸出軸扭矩，N?m；

2.2 超長(zhǎng)沖程抽油泵

超長(zhǎng)沖程抽油泵主要由泵筒、柱塞、泵筒進(jìn)油閥、柱塞出油閥、閥座和油管接箍等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

超長(zhǎng)沖程抽油泵采用5級(jí)泵筒連接，泵筒全長(zhǎng)50 m。多級(jí)泵筒通過(guò)細(xì)螺紋平扣連接，采用端面密封，泵筒間同軸度小于0.03 mm；泵筒內(nèi)壁鍍鉻處理，提高了耐磨及抗腐蝕性能；泵筒底部采用雙套固定閥總成，以降低固定閥漏失量；柱塞和泵筒配合間隙為1級(jí)，柱塞長(zhǎng)度為1.2 m。超長(zhǎng)沖程抽油泵增加了沖程長(zhǎng)度，減小了漏失量，泵效較高[6]，有助于提高系統(tǒng)效率。

2.3 柔性鋼絲繩

“一拖二”互平衡式超長(zhǎng)沖程舉升系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)沖程運(yùn)行，主要是因?yàn)槿嵝凿摻z繩在滾筒內(nèi)盤(pán)繞與井下超長(zhǎng)沖程抽油泵配套進(jìn)行舉升。經(jīng)過(guò)對(duì)柔性鋼絲繩逐步優(yōu)化改進(jìn)，采用直徑16 mm的鋼絲繩在外部編織成鋼絲網(wǎng)，并涂覆高分子改性材料，以提高耐磨、抗腐蝕性能，有利于井口密封。相比于普通抽油桿，柔性鋼絲繩具有線(xiàn)密度小的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用柔性鋼絲繩替代部分抽油桿能夠降低抽油機(jī)運(yùn)行載荷，提高系統(tǒng)效率。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

2017年，在大慶油田某采油廠的2口井上開(kāi)展了“一拖二”互平衡式超長(zhǎng)沖程舉升系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。試驗(yàn)前，2口試驗(yàn)井的地面部分采用高轉(zhuǎn)差雙速電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速控制柜和偏置游梁式抽油機(jī)等節(jié)能設(shè)備。新安裝的“一拖二”互平衡式超長(zhǎng)沖程舉升系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備性能參數(shù)如下：10型抽油機(jī)，最大提拉力100 kN，額定提拉力80 kN，總傳動(dòng)比235i；永磁同步電動(dòng)機(jī)型號(hào)200L2-6-22，功率22 kW，轉(zhuǎn)速970 r/min；減速器型號(hào)GFT80-235，額定扭矩90 kN·m；卷筒直徑1 000 mm，長(zhǎng)度800 mm，轉(zhuǎn)速4.1 r/min，容繩量78 m；柔性鋼絲繩直徑28 mm，額定速度0.22 m/s；抽油桿為?19+?16的組合桿柱，同時(shí)配套使用旋轉(zhuǎn)刮蠟扶正器；抽油泵為直徑57 mm的多級(jí)管式整筒泵。

圖2 超長(zhǎng)沖程抽油泵結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，與試驗(yàn)前應(yīng)用的節(jié)能設(shè)備對(duì)比，平均單井日增產(chǎn)液量5 t，泵效由58.1%提高到 83.2%，噸液百米耗電由 1.109 kWh/（t·100 m）下降到 0.748 kWh/（t·100 m），系統(tǒng)效率提升 11.8 個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)電率達(dá)32.6%（表1），預(yù)計(jì)年節(jié)電1.9×104kWh，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益1.22萬(wàn)元。

4 結(jié)論

1）對(duì)“一拖二”互平衡式超長(zhǎng)沖程舉升系統(tǒng)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和效果跟蹤測(cè)試，平均單井日增產(chǎn)液量5 t，泵效提高25.1個(gè)百分點(diǎn)，系統(tǒng)效率提高11.8個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)電率達(dá)到32.6%，節(jié)電效果十分明顯。

2）“一拖二”互平衡式超長(zhǎng)沖程舉升系統(tǒng)滿(mǎn)足“大泵徑、長(zhǎng)沖程、低沖速”節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)需求，能夠有效利用井與井之間的能量，在平臺(tái)井高效節(jié)能開(kāi)發(fā)上具有良好的應(yīng)用前景。

表1 試驗(yàn)井措施前后數(shù)據(jù)對(duì)比