邹润发

（大庆油田有限责任公司试油试采分公司，黑龙江大庆 163000）

0 引言

某油田采油区近40 年一直使用游梁式抽油机采油，游梁式抽油机的工作原理是使用高转差电机、永磁电机等设备通过有杆泵采油，其优点是能够有效节能，存在的弊端是操作不便、对相关参数的优化及开发节能技术等一系列问题，其中最明显的问题出现在上下冲程这一环节中，速度不能根据实际杆管偏磨来确定。将有杆泵作为一个完整的系统进行综合测评，通过分析其工作过程找出影响采油能耗的因素，最终选择抽油机多功能调速装置。

1 机械采油能耗影响因素分析

针对抽油机有杆泵的工作特点，将采油的整个过程进行划分，一般情况下，分别对地面和井下划分出4 个节点，共8 个节点，将每个节点存在的问题进行相应的研究和优化。将地面使用的拖动装置改造作为首要任务，采用具有耐磨强度高、方便检查等特点的节能设备，此做法的优点是提高驱动效率，在一定情况下能够有效改善设备覆盖率低的现象。但由于采用的拖动装置工作时的速度无法和预期的相匹配，称为固定转速，因此该系统效率无法达到预期目标。

1.1 抽油机井能耗分析

由于抽油机井消耗的总能量为光杆功率和输入电能总和，通过抽油机井的不同节点，针对性分析井下和地面能源消耗的分布情况。通过探究批量井能耗分布状态，借助油井功图载荷分析得出抽油机井光杆的工作功率，分别统计抽油机井地面和井下能耗，如图1 所示，井下消耗的能量为总耗能量的3/5 左右。

图1 抽油井功图载荷分析

1.2 抽油机井井下能耗影响因素分析

有杆泵工作时，向上升起时的耗能等于在该环节作业时损失的能量和举升液体所产生能量的叠加。地面损失能量和井下损失能量之和等于损失能量。一般情况下，地面损失的能量包括拖动装置耗能与连杆摩阻耗能两个方面，从摩阻耗能角度来说，因为该技术发展较为完善，所以不做考虑。井下耗能包括：滑动摩阻耗能、粘滞摩阻耗能、水击耗能。由于水击发生的时间短、频率低，在进行能耗分析时通常不做考虑。

抽油机作业时，从电机输入功率角度分析主要包括：杆柱损失功率、滑动损失功率、地面损失功率、粘滞损失功率和有效功率。

（1）粘滞损失功率。粘滞损失功率是指在有杆泵工作的过程中，由于被举升的液体油会和抽油杆和油管产生摩擦，在摩擦过程中损耗的功率。粘滞损耗功率主要取决于油管直径、液体黏度、抽油杆直径、冲程、泵挂深度和冲次等6 个方面。

粘滞损失功率:

式中，Pr是粘滞损失功率，kW；s 是冲程，m；n 是冲次，次/min；μi为第i 段液体黏度，MPa·s；li是第i 段油管长度，m；m 是管径杆径比。

（2）滑动损失功率。抽油机井由于井斜导致泵柱塞和泵筒之间的摩擦与抽油杆和油管之间摩擦损耗的功率。其功率的大小主要取决于杆管材质、抽油杆重度、井斜的水平轨迹长度、冲程以及冲次等5 个方面的影响。

滑动损失功率:

式中，Pk是滑动损失功率，kW；fk是杆与管的磨擦因数；L 是井斜的水平轨迹长度，m；qr是杆重度，N/m；g 是重力加速度。

（3）杆柱损耗功率。有杆泵作业时，由于其产量不是一个稳定的值，导致静载荷上升，功率消耗加大。

式中，Wr是杆柱损耗功率，kW；fr是杆截面积，m2；ρs是抽油杆密度，kg/m3；L 是抽油杆长，m。

粘滞消耗的功率和冲次和冲程的平方呈正相关，与滑动消耗的功率相同。由于井下相关的参数包括杆截面积和冲次，因此，优化时应该将目标产液量作为条件，先降低冲次，然后再使抽油机井参数与目标值相符合。

1.3 电机损失能量

抽油机工作过程中，电机产生动力，因为其特殊的要求，必须实现拖动装置符合最大条件，也就是最大冲程、最大冲次、最大允许挂重。另外，对于克服启动时静态的不平衡问题，要有较高的堵转转矩。因此，在分析后进行设计时，初步设定的容量裕度值较高。作业的环境下，由于受到交变载荷的影响，在启动时所消耗的功率为普通的3～5 倍，该特点的影响导致抽油机井只能采用负载率低的电机。

在额定负荷下工作时，电机运转处在功率消耗最低的范围，但实际工作与理想情况不同，通常是轻载运行。

临界负荷率βa是指效率即点a 对应的负荷率。当βa＜β，其效率变化没有较大的波动，然而，在负荷率小于0.7 时，功率因数下降非常明显，图2是效率和功率因数随负荷率变化曲线。

图2 效率和功率因数随负荷率变化曲线

电机节能技术在油田使用中主要从3 个方面实施：①高转差或者超高转差电机，对电机的机械特性进行改变，使抽油机和电机能够很好地匹配；②采用变频类控制装置，改变电机的机械特性进而改善举升系统效率；③双功率或者三功率电机，提升电机的功率因数和负荷率，以达到节能的目的。

2 抽油机多功能调速装置的应用

2.1 技术原理

抽油机多功能调速装置包括变频器、传感器等。传感器识别上下冲程的位置信号，将识别信息传递到分析仪进行信号整理后传递到变频器；变频器接受信号后，控制电机转速不停机调整等功能。

2.1.1 冲次精细调整

配套使用的电机为感应式电机，由电机的级数和频率决定感应交流电机的旋转速度。电机的极数值是2 的倍数，且是动态的固定值，因此，通常采用改变供电频率的方式改变电机的转速。和采用改变级数的方式不同，当电机通电后，其频率作为一个电信号，频率调节后使电机按需要调节转速。

电机转速调整的基本原理：

式中，p 表示同步转速，r/min；f1是电机匹配的定子供电电源频率，Hz；p 是电机运行过程中的磁极对数。

式中，n 是异步电机转速，r/min；s 是异步电机转差率。

从式（5）可以看出，n1和n 存在一个滑差关系。若需要完成电机的调速功能，则需要将p、s、f1的值进行相应的调整，改变频率进而实现异步电机转速控制的措施为频率的调整与修改。

2.1.2 实现上快下慢运行模式

实际工作过程中，采油油井通过设置电流平衡度、累计电量、在线时实监测抽油机的电参数、抽油机多功能调速装置运行模式（表1）等，在进行相应的计算后，对位于曲柄总承和减速箱输出轴之间的传输感应设备进行监测，分析抽油机在工作过程中的上下冲程位置，发出相应的信号，将开关信号传输给分析仪，从而对抽油机在工作环境下，对冲程频率开始监测，能够有效地在上下冲程位置之间稳定进行，最终达到在不停机的情况下，能够对其进行不间断调节，达到工作要求。抽油机井在工作周期内实现上快下慢的方式，能够有效提高泵效和充满度。

表1 抽油机多功能调速装置运行模式

2.1.3 实现功率随动运行模式

抽油机带负载时，电机负载监测电路通过节能处理，CPU 根据负载下的抽油机进行计算，通过模糊控制器将所需要的相关数据分析整理，将整理后的数据传送给功率调节器、节能模块修复后，改善PWM 驱动模块，对调节电机的供给电压进行跟踪后，降低电机工作过程中铜和铁的损耗，使得电机处于功率因数较高、高效和经济的情况下工作。此外，对该设备采用多个监测装置进行实时监控，使抽油机能够一直保持高效、稳定的工作环境。

2.2 应用效果

在现有的使用环境中，抽油机多功能调速装置的应用，使该种类型的抽油机能够很好地解决调参困难、启动困难等问题。变频控制电机技术在相关作业区域应用后，年创经济效益1602.76万元，年节电2516.1×104kW·h。

2.2.1 冲次任意调节

抽油机多功能调速装置采用的电机型号为YCHD250-8/6，其频率为30 Hz 时，运行平稳冲次为3.14 次/min，频率为40 Hz时，运行平稳冲次为5.31 次/min，频率为50 Hz 时，运行平稳冲次为6.34 次/min，节电率达到7.86%。

2.2.2 提高功率因数

对10 口老井、更新井连续监测10 d 生产动态参数和电参数，对比多功能调速装置安装前的数据，测得的功率因数由0.46提高到0.97，无功功率由12.22 kVar 下降至1.20 kVar。

2.2.3 抽油杆受力状况得到改善

抽油杆作业时，冲次对其造成的影响需要重点关注。优化抽油杆受力的方式有很多种，比如：通过变频器对冲次做出调整、采用上快下慢或者是下快上慢措施。在研究中选择12 口井进行分析，连续记录10 d 运行过程总的工频和变频，数据分析显示，抽油杆受力状态明显得到改善。

2.2.4 提高系统效率

油井作业时，在泵的充满程度提升的情况下，井下的驱动效率也会增加，从而有效地使四连杆机构耗能减小，大幅提高了工作过程中的系统效率。

2.2.5 减少负功影响

为了减少出现负功的现象，应用自动调节的方式进行针对性的解决，相比之前的电机无功损耗，该措施能够明显减小这一损耗，使得电机一直保持高倍功率因数、高效的情况下工作。

2.6 热洗清蜡效果提高

在对抽油机井进行热洗时，可以通过变频器实现冲次调大，使得含水恢复期减短，理论排量在短时间内提升，从而减少对产油量的负面影响。

3 结语

（1）采用变频器的方式实现无极调速，符合抽油机井地面井下的参数精准优化。

（2）该设备段速使用6+1 形式，可以在6 中段速中任意选择一种形式，1 种恒速的选择，方便对冲次调参的稳定性。

（3）在一个冲程周期中，抽油机井工作过程中实现变速运行和变频调速，并且实现泵充满程度的有效增加，从而进一步降低杆管偏磨的频率。

（4）采用非节能电机节能技术，相比传统方式，能够有效使用现有的设备资源。