張東東（大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠）

抽油機(jī)其運(yùn)行參數(shù)（沖程沖速）對(duì)抽油機(jī)高效生產(chǎn)起著重要作用。與沖程相比，調(diào)整沖速簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。采油廠油井具有產(chǎn)液量低、井深、泵效低、系統(tǒng)效率低的特點(diǎn)。隨著地下原油的不斷采出，油井動(dòng)液面不斷下降，存在泵效率低井越來(lái)越多，供液不足井占比較大的問(wèn)題。抽油機(jī)變頻技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，使調(diào)整沖速更加容易。為此研究變頻狀態(tài)抽油機(jī)沖速與有功功率的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化沖速，提高系統(tǒng)效率，延長(zhǎng)抽油桿壽命，達(dá)到降本增效的目的。

1 沖速與抽油機(jī)有功功率關(guān)系

1.1 有功功率計(jì)算公式

對(duì)變頻狀態(tài)下的抽油機(jī)沖速進(jìn)行研究，抽油機(jī)的有功功率計(jì)算公式為

式中：P——有功功率，W；

U——運(yùn)行時(shí)電壓，V；

I——負(fù)載電流，A；

cosφ——功率因數(shù)。

1.2 電壓與頻率

三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值計(jì)算公式為

式中：E1——定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)的有效值，V；

N1——定子每相繞組有效匝數(shù)；

f1——定子頻率，Hz；

φm——每極磁通量，Wb。

由式（2）中可知，三相異步電動(dòng)機(jī)4.44 N1為定值，φm為一次函數(shù)，所以E1/f1為正比例關(guān)系。在電動(dòng)勢(shì)較高時(shí)，可忽略定子阻抗壓降，而用定子項(xiàng)電壓U1代替。即U1/f1始終為定值，可知電壓與頻率成正比例關(guān)系。

1.3 頻率與沖速

1）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系公式為

式中：n0——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；

f——電源頻率，Hz；

p——電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。

由式（3）可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率成正比例關(guān)系。

2）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與沖速的關(guān)系。常規(guī)抽油機(jī)沖速計(jì)算公式為

式中：n——抽油機(jī)沖速，min-1；

n0——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

i減——抽油機(jī)減速箱傳動(dòng)比；

d1——電動(dòng)機(jī)皮帶輪直徑，m；

D——減速箱大皮帶輪直徑，m。

由式（4）可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與沖速成正比。

通過(guò)式（3）、（4）分析頻率與沖速成正比。綜合以上分析有功功率與沖速成正比例關(guān)系，即P=kn，k為有功功率與沖速的比值。抽油機(jī)的井況（含水、井深、含蠟、平衡度等）因素決定負(fù)載，電動(dòng)機(jī)的有功功率是隨負(fù)載變化的。因此即使同種機(jī)型抽油機(jī)有功功率也會(huì)呈現(xiàn)出較大差異。即同口井k值相同，不同井的k值不同。

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)多口井進(jìn)行試驗(yàn)，與推導(dǎo)結(jié)果基本一致。頻率與有功功率關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

圖1 頻率與有功功率關(guān)系曲線

2 沖速過(guò)大對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)的影響

2.1 懸點(diǎn)載荷

抽油機(jī)沖速越大其上下載荷差越大，桿承受的交變載荷幅度越大。沖速越高循環(huán)次數(shù)越多和應(yīng)力變化幅度越大，加重了抽油桿的疲勞破壞，降低抽油桿使用壽命。某井不同沖速下功圖測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 某井不同沖速下功圖測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2 有功功率和抽油桿

過(guò)大的沖速會(huì)導(dǎo)致抽油泵供液不足。供液不足時(shí)本應(yīng)平滑的功率曲線出現(xiàn)突變，有功功率反應(yīng)動(dòng)力的變化，抽油機(jī)減速箱、抽油桿都會(huì)受到突變力的沖擊。沖速過(guò)大，加重了抽油桿的疲勞破壞，同時(shí)從示功圖上看載荷延遲卸載，供液不足會(huì)產(chǎn)生液擊，加快了抽油桿的疲勞損壞。沖速調(diào)整前后功率曲線變化見(jiàn)圖2、沖速調(diào)整前后示功圖變化見(jiàn)圖3。

圖2 沖速調(diào)整前后功率曲線變化

圖3 沖速調(diào)整前后示功圖變化

由圖2可知沖速調(diào)前有功功率曲線因抽油桿突然卸載出現(xiàn)突變(見(jiàn)圈點(diǎn)處），沖速調(diào)后突變的有功功率曲線變得平滑，通過(guò)調(diào)整得到修正。由圖3可知沖速調(diào)前抽油機(jī)下沖程抽油桿出現(xiàn)延遲卸載（見(jiàn)圈點(diǎn)處），沖速調(diào)后抽油桿下沖程延遲卸載得到修正，避免了出現(xiàn)液擊加重抽油桿疲勞損壞。

2.3 調(diào)整沖速方法

充分利用變頻調(diào)沖速的方法進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)示功圖、動(dòng)液面、產(chǎn)液量等資料綜合分析，結(jié)合井況生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定最佳沖速值，并在實(shí)施中跟蹤調(diào)整。對(duì)于抽油機(jī)沖速已達(dá)到最小參數(shù)的引進(jìn)抽油機(jī)減速器及應(yīng)用間抽恢復(fù)井底流壓提高泵效。

3 降低沖速潛力分析

對(duì)采油廠某小隊(duì)193口生產(chǎn)井進(jìn)行分析，其中供液不足井99口，占統(tǒng)計(jì)井總數(shù)的51%。對(duì)這部分井進(jìn)行潛力預(yù)測(cè)。

3.1 供液不足井統(tǒng)計(jì)

對(duì)供液不足井按沖速分三類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，沖速在5 min-1以上有20口井，沖速4 min-1有45口井，沖速在3 min-1以下有28口井。并統(tǒng)計(jì)其參數(shù)平均值，供液不足井參數(shù)（平均值）統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 供液不足井參數(shù)（平均值）統(tǒng)計(jì)

3.2 節(jié)能預(yù)測(cè)

根據(jù)文中論證：有功功率與沖速成正比例關(guān)系( p=kn)，來(lái)確定參數(shù)k值，進(jìn)而預(yù)測(cè)沖速降低一次后有功功率變化。不同沖速節(jié)能效果預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 不同沖速節(jié)能效果預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)

節(jié)能效果預(yù)測(cè)：由于供液不足井占全隊(duì)井的51%，針對(duì)供液不足降低沖速有功功率平均節(jié)約比例為29%，優(yōu)化后預(yù)計(jì)可降低機(jī)采能耗15%。

4 結(jié)論

1）抽油機(jī)的有功功率與沖速、頻率成正比例關(guān)系，其系數(shù)與含水、井深、含蠟、平衡度等因素有關(guān)。同口井系數(shù)相同，可預(yù)測(cè)降低沖速后有功功率數(shù)值變化。

2）沖速過(guò)大出現(xiàn)供液不足后，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)受力突變，加重減速箱機(jī)械磨損和抽油桿的疲勞損壞，縮短使用壽命。沖速應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，經(jīng)測(cè)算調(diào)整后預(yù)計(jì)機(jī)采能耗可降低15%。

3）雖然減速裝置能量損失小，可進(jìn)一步降低沖速，但畢竟又增加一個(gè)環(huán)節(jié)，增加了維護(hù)工作量。下步可研究在載荷小，功率小的抽油機(jī)上，實(shí)施更換減速箱皮帶輪方法降沖速的研究。