游梁式抽油机柔性运行节能技术应用研究

2013-04-10刘京张胜林黄红星

石油石化节能 2013年4期

刘京张胜林黄红星

（1.中石油煤层气有限责任公司忻州分公司；2.煤层气国家工程研究中心）

煤层气的开发具有初期生产投资大、中期生产周期长、运行维护成本高等特点，在煤层气的开采过程中寻求降低生产成本途径，提升开发效益成为关键。目前，国内煤层气的开采主要是以三抽有杆泵为主，其中游梁式抽油机的应用居多[1]，因而针对游梁式抽油机的柔性优化节能技术成为降低煤层气生产成本的一个重要途径。

1 抽油机系统柔性运行技术措施

抽油机系统柔性运行是指当抽油机在遇到负荷变化时，抽油机系统上的驱动力大小变化过程平滑，抽油机曲柄扭矩、电流负荷及功率负荷波动幅度相对较小，波动均匀。抽油机系统的柔性运行可以减轻传动齿轮撞击强度和负荷波动对动力源的冲击。从地面动力源（发电机或变压器）、抽油机驱动与传动系统的利益角度来考虑，游梁式抽油机运行方式越柔性越好。

当前国内具有柔性运行特性的技术措施主要包括以下几个方面：

1）采用柔性运行驱动设备，例如：高转差驱动电动机的应用。高转差电动机的转差随负荷变化而变化的特性可增加抽油机系统运行时的柔性。但由于依靠的是电动机自身的特性，而电动机的转差范围有限，故依靠电动机特性实现抽油机系统的柔性运行作用是有限的。另外，高转差电动机的额定转差指标越大，电动机自身的热负荷也越大，不利于节能，因此，不能对高转差电动机的柔性效果有过高的要求。

2）配有变频控制器的抽油机系统也具有一定的柔性运行特性，而当变频控制器再配以过程控制、位置传感等技术后，可以使抽油机系统运行变得更加柔性，从而进一步实现节能降耗的目标。

3）应用节能型抽油机，例如：双驴头抽油机、下偏杠铃复合平衡抽油机和弯游梁型抽油机等。节能型抽油机主要是通过改变抽油机的结构形式，达到降低抽油机扭矩因数峰值、降低减速箱最大扭矩峰值、减小整机装机功率的目的，并最终实现系统柔性运行的目标。

2 煤层气井抽油机系统柔性运行技术应用

目前，保德区块在游梁式抽油机柔性优化节能方面做了较多工作，如：大面积推广应用调径变矩游梁式抽油机、变频控制器和变频电动机，尝试应用长环型齿条抽油机。在优选节能型排采设备的同时，也引入了先进的Surf游梁式抽油机柔性优化技术，并通过利用Surf柔性优化技术及其装置对常规游梁式抽油机进行了节能技术改造，取得了很好的节能效益。

2.1 调径变矩游梁式抽油机和变频控制器的应用

截至2012年3月底，保德区块在投产的128口排采井中，以中原5型调径变矩游梁式抽油机（配套变频控制柜及变频电动机）的应用为主，占投产井的69%。该型抽油机在运行过程中通过下偏的游梁对抽油机悬点上、下冲程时最大和最小载荷进行有效平衡，平衡后的悬点载荷数值有所减小，并使作用到曲柄轴上的扭矩减小，扭矩曲线形态逼近正弦[2]，从而在一定程度上改善了抽油机的节能效果。在应用该调径变矩游梁式抽油机的同时，配备了变频控制柜和变频电动机，增加了抽油机的柔性运行效果，这使得抽油机整体节能效果较为明显（表1）。

表1 常规游梁和调径变矩游梁式抽油机节能效果对比

图1 5型调径变矩游梁式抽油机

从表1可以看出，配备变频控制器的中原5型调径变矩游梁式抽油机（图1）节能效果明显，相比常规游梁式抽油机日节电约135kWh，年节电约46710kWh（抽油机年运转时率按95%计算，为346天），而年生产成本约34098元（电价为0.73元/kWh），优化节能经济效益可观。

2.2 常规游梁式抽油机的柔性节能技术改造

通过引进和应用Surf游梁式抽油机柔性优化节能技术，对保德区块2010年底投产的部分老井进行了节能改造。Surf抽油机柔性优化节能技术是在保证产液量的前提下，通过按需调控抽油机驱动设备运行全过程中的驱动速度与驱动力，最大限度地降低游梁式抽油机全系统的无效运行成分，进而实现地面设备与井下杆管设备单产损耗率最小、单产能耗最小和泵效损失最小的综合性降损节能技术[3]。目前，该技术应用在常规游梁式抽油机的节能改造中，取得了较好的柔性节能优化效果。

2.2.1 常规游梁式抽油机优化节能技术改造效果分析

通过在保1-1井组4口井应用Surf柔性优化节能技术装置，发现该装置对于常规游梁式抽油机的柔性优化改造效果较好。

在应用Surf装置后，4口节能技术改造后的生产井节能效果明显，其中保1-1向4井在Surf状态下日耗电为97kWh，节电110kWh，节能率达到53.1%。在节能的同时，4口井系统效率大幅提高，整体平均提高系统效率72.28个百分点；功率因数由改造前单井最高0.62提高到改造后的单井最低0.97（表2）。由此可见，使用Surf柔性优化技术改造后的常规抽油机，系统效率大幅提高，系统损耗大幅降低，表现出较好的节能效果。

表2 保1-1井组节能技术改造前后能耗及系统效率对比（综合电量表测试数据）

使用Surf装置后，4口井峰值电流、峰值功率均有大幅度降低（表3）。4口井峰值电流平均降低23.9A，降幅61.3%，峰值功率平均降低13.0kW，降幅57.3%；同时4口井启机电流由小到大变化较为平稳（表4），实现了常规游梁式抽油机的柔性启动、柔性运行，减少了电动机机械特性硬对抽油机系统的不利影响，降低了抽油机系统的机械受力与损耗，达到了优化改造的目的。

表3 保1-1井组4口井节能技术改造后峰值情况

2.2.2 抽油机柔性优化节能效益分析

保1-1向4井在使用Surf柔性优化节能装置后，单井日节电110kWh，按照抽油机时率95%，即单台抽油机井年生产346天计算，年可节电约38060kWh，以电价为0.73元/kWh计算，单井年可节约电费27784元。目前，单井安装该装置总费用为4.5万元，粗略估算投资回收期约为1.6年（未考虑在柔性优化运行情况下，Surf柔性优化装置在减少地面举升装置及井下管杆泵的机械损耗、延长使用寿命、延长检修期、减少材料及维修等方面的费用）。

表4 保1-1井组4口井节能技术改造后起机电流变化情况

调径变矩游梁式抽油机使用Surf柔性优化装置并配备高级数、低转速异步电动机，则需再增加电动机投入成本约5000元，即Surf柔性优化装置及其配套电动机共计5万元，而现调径变矩游梁式抽油机使用的11kW变频电动机及其配套控制柜价格分别为4860元和15860元，合计20720元；因此，若使用Surf柔性优化装置及高级数、低转速电动机则需多投入资金29280元。由于目前并未对变频控制器及配套电动机与Surf柔性优化装置及其配套电动机进行节能对比，因此，仅以Surf柔性优化技术专家预计的10%节能效果进行经济效益评估。以保1井组单井平均日耗电72kWh为准，并按预计的10%节能效果计算，则安装Surf柔性优化节能装置及其配套电动机后，单井日耗电大约为64.8kWh，相比变频控制器及配套电动机，年可节电约2491 kWh，按电价为0.73元/kWh计算，则年可节省电费约为1818元，粗略估计投资回收期约为16年（未考虑柔性优化运行情况下，Surf柔性优化装置在减少地面举升装置及井下管杆泵的机械损耗、延长使用寿命、延长检修期、减少材料及维修等费用）。因此，仅在考虑经济效益的情况下，使用Surf柔性优化节能装置替代变频控制器是不够经济的。