降低抽油机井运行能耗方法研究

2013-05-05王斌大庆油田有限责任公司第五采油厂

石油石化节能 2013年8期

王斌（大庆油田有限责任公司第五采油厂）

降低抽油机井运行能耗方法研究

王斌（大庆油田有限责任公司第五采油厂）

HPT抽油机效能分析仪可以快速提供直观、准确的电动机运行参数曲线，通过分析可以掌握抽油机电动机运行情况，优化抽油机平衡调整方法，实现抽油机节能、高效运行。详细讨论了功率曲线的原理，指出功率曲线中负功的产生原因及其调整方法。通过现场的实际应用，证明功率曲线法可实现抽油机井平衡调整，这种分析方法简单、效果明显，适合在油田生产中广泛使用。

抽油机功率曲线电流曲线节能

抽油机是油田生产中主要的能耗设备之一，对该设备的管理直接关系到油田能否正常生产以及运行成本能否得到有效控制。目前，抽油机达到最佳节能状态的标准是在平衡条件下运行，现场普遍采用的平衡标准是抽油机下冲程与上冲程峰值电流比调整到 85% ～ 100% 范围内[1-3]。然而在生产实践中发现，电流法检验抽油机平衡时会出现假平衡现象。在日益严峻的节能形势面前，电流法已经无法满足实际需求，因此又提出利用功率曲线调整抽油机工作状况，继续提高抽油机井的管理水平[4-6]。

1 原理

抽油机井在运行过程中下冲程为平衡块储能过程，上冲程为平衡块释放能量过程，功率曲线可以直接反映电动机在一个冲程中不同点的做功情况。在下冲程中，电动机和悬点载荷一起对平衡块做功，电动机所做的功为

当只考虑静载荷做功时，悬点在下冲程做的功为

平衡块在储存能量的过程中，在任一点的位能为

由此，可得任一点电动机所作的功为

上述表达式中： Aw是下冲程中悬点载荷和电动机对平衡系统做的功，即平衡系统储存的能量；Wr′s是液体中的杆柱重力在下冲程中做的功； φ 是曲柄旋转角； φ1是曲柄与平衡块重心旋转角； m是曲柄平衡块的质量； s是悬点移动距离； L是曲柄与平衡块重心到输出轴的长度。

在上冲程中平衡系统放出能量，帮助电动机对悬点做功，则电动机在上冲程中做的功为

当只考虑静载荷做功时，悬点上冲程做的功为

由此可知电动机在上冲程中做的功为

式中 WL′s是液柱在上冲程中做的功。

由以上公式可知，电动机在一个冲程中的输出功率是不断变化的，只有测量功率曲线，才能够准确地认清一个冲程中电动机的运行情况。

2 应用效果

2.1部分机型的特征曲线

通过对 33口电流平衡的正常生产井进行测试，在不配套安装变频控制箱的情况下，不同的抽油机有自己的功率特征曲线，图1、图2是常规抽油机和偏置式抽油机的电流、有功功率特征曲线：

从曲线可以看出，在合理工况下，由于抽油机设计理念不同，在完成一个冲程的过程中，电动机输出功率曲线具有明显不同的形态：常规抽油机井功率曲线（所对应的沉没度 254m，示功图显示全充满）在零轴上方，上、下冲程有功功率曲线形态基本对称；偏置式抽油机井（对应的沉没度 198m，示功图显示全充满）功率曲线在零轴上方，上、下冲程有功功率曲线形态不对称。

图1 常规抽油机电流、功率特征曲线

图2 偏置式抽油机电流、功率曲线

2.2特征曲线分析及调整措施

同一机型抽油机在生产过程中具有相似形状的特征曲线，但同种机型不同井的特征曲线具有不同形态。通过对变化原因进行分析，有助于查出单井运行过程中出现的各类问题，从而制定针对性调整措施，改善单井运行状况。从实测曲线可以看出，利用功率曲线可以进行正常的平衡调整，即电流峰值的平衡调整，在对 33口井测试单冲程功率曲线过程中，发现电流平衡率在 85%～100%的条件下仍有 60.6%的井存在做负功问题，做负功较多的井占总井数的 18.2%，而负功的产生能够造成电动机损坏和加大耗电量。从功率特征曲线看，产生负功分为以下3种情况。

2.2.1 上冲程开始时做负功

从公式（7）可知，当（ Wr′+WL′）s-mgLsin φ ＜ 0时，电动机做负功，可以分为两种情况：

1）偏置角在曲柄运行方向之前且过大，上冲程开始时曲柄方向释放的能量大于举升杆柱、液柱需要的能量而带动电动机做负功。

2）由于注水受效、泵况变差等原因影响，液面高于原平衡状态时的液面，悬点载荷在上冲程开始时不能及时加载，悬点载荷做的功小于曲柄和平衡块所做的功。对上冲程开始时产生负功的情况进行调整时，可根据以上分析进行调整，如果是动液面上升造成的，应及时调大参数，如果动液面合理，则应进行偏置角调整。

实例：该井功率曲线表现为两个波谷不在同一水平线上，在上冲程开始时做负功，如图3所示。通过分析，该井为偏置型抽油机，电流平衡率89.83%，共安装 4 块平衡块，每个曲柄上安装一大一小2块，且方向不一致，从而造成偏置角过大。通过将小平衡块调整到曲柄运行方向的内侧，达到了减小偏置角的目的，使上冲程开始时的负功消除，消耗功率有所降低。

图3 偏置角调整前后的有功功率曲线

2.2.2 下冲程开始时做负功

同样存在两种情况：

1）偏置角滞后时，即重心在曲柄运行方向之后，当悬点已到上死点、曲柄到下死点，曲柄与平衡块的重心未到下死点，悬点开始下行后，此时φ =180° 、 90° ＜ φ1＜180°、sin φ1＞0，曲柄与悬点载荷共同做功，带动电动机做负功。

2）由于动液面降低，打破了以前的平衡状态，杆柱在下行时未受到浮力及时卸载，而远大于曲柄及平衡块上升需要做的功，带动电动机做负功。对于以上情况，可根据生产情况，进行动液面调整或偏置角调整。

实例：该井在 6min-1生产状态下，流压 1.89MPa，泵效 50.1%，在泵况控制图所处区位属于优良区，而通过功率曲线发现该井在 180°以后出现负功，如图4所示。主要原因是该井供液不足，下冲程开始时，驴头方向无法卸载，此时作用在驴头方向的载荷包括抽油杆在空气中的质量和活塞以上液柱质量，该质量之和在输出轴产生的力矩超过了举升平衡块所需的力矩，从而带动电动机旋转做负工。通过下调冲速（6min-1→ 4min-1），该井供采矛盾缓解，避免了做负工情况。调整后，该井日产液下降7.4% ，而能耗却下降了 25.95% ，降低了该井的吨液耗电。