抽油机井电动机匹配功率裕量分析

陈溪（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

抽油机井电动机匹配功率裕量分析

陈溪（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

针对抽油机井电动机匹配后由于动态的变化，导致部分井功率裕量偏小的问题，从电流、载荷变化幅度情况、以及上产调参方面进行了统计分析，通过建立匹配计算模型，根据载荷变化幅度计算需要增加的功率裕量，从而使电动机匹配功率更加合理，使所匹配的电动机既能满足生产的需要，同时达到降低能耗，降低采油成本的目的，可有效提高油田开发的经济效益。

抽油机井 电动机功率匹配 合理裕量

喇嘛甸油田进入高含水后期开发阶段，由于水驱和聚驱开发工作的深入调整。地下动态变化幅度较大，油井生产动态也相应变化，抽油机运行负荷降低，原来设计的电动机功率偏大，根据现场测试情况统计，现在使用的55kW的电动机，正常运行功率小于20kW功率利用率为18.26%，有82%的抽油机井功率因数在0.4左右，大容量电动机驱动较轻的负载，势必造成电能的浪费，增加采油的成本。因此，对抽油机井电动机进行合理匹配，以此降低能耗具有重要意义，同时为满足上产、调参的需要，因此开展了电动机匹配功率裕量分析，从而更好地开展电动机合理匹配工作。

1 电动机匹配合理裕量分析

抽油机井在正常生产过程中由于油管结蜡、抽油杆偏磨、不平衡等因素造成负荷增加，还有低含水井今后提高产液等因素都会使抽油机井负荷增加。电动机匹配计算功率时，是根据抽油机井正常生产时的示功图数据来计算的，所计算出的电动机功率是平均运行功率，数值较小，为使匹配的电动机功率比较合理，需增加一定的裕量来解决以上问题，使匹配的电动机既能满足正常生产以及上产需要的同时，尽量降低能耗。

电动机匹配计算模型：

如果把抽油机光杆载荷与电动机输出功率看成是一种线形关系，就可以建立如下数学模

式中：

Pd——电动机实际功率需求，kW；

CLF——曲柄轴上周期载荷系数；

E——实际平均效率；

Pr——悬点处的光杆功率，kW；

η——从电动机轴到悬绳器的平均效率；

A——功图面积，mm2；

Sd——减程比，m/mm；

Fd——力比，N/mm；

N——冲速，min-1；

Ie——均方根电流，A；

Im——平均电流，A；

Ii——对应每个曲柄转角启动电流，A。

2 正常生产过程中的功率裕量分析

对正常生产过程中的裕量，从两个方面进行分析，一是抽油机井负荷变化情况；二是抽油机井电流变化情况。

2.1 负荷变化情况统计分析

为了研究抽油机井在正常生产过程中负荷的变化情况，对50口抽油机井一个洗井周期内的负荷数据变化情况进行了统计、分析，平均负荷变化曲线函数为Y=0.0034ln(X)+0.24，即：抽油机井在正常生产过程中平均负荷变化幅度约为24%。其平均负荷变化幅度见图1。

图1 平均负荷变化散点图

2.2 电流变化情况统计分析

抽油机井正常生产过程中负荷变化势必造成电动机运行时的电流发生变化，为分析电流的变化情况，对50口抽油机井的电流变化情况进行了统计分析，经分析得电流变化曲线函数为：Y=0.0071 ln(X)+0.27，即：正常生产过程中电流的变化幅度约为27%。电流变化幅度见图2。

图2 电流变化幅度散点图

根据公式（1）（2）（3）计算负荷、电流变化裕量分别为2.66kW、2.98kW，由计算数据分析可知，对同一口井，用电流的变化幅度和用平均负荷的变化幅度进行裕量计算，计算结果比较接近。根据负荷计算时利用到光杆功率、周期载荷系数、传动效率等实际生产数据，考虑的因素比较多，且是实际生产数据；电流是负荷变化情况的反映，如果该井装有节能控制箱，则电流显示数值较小，计算结果也就较小，理论和实际就相差较大，所以利用电流变化幅度计算的结果不如用负荷变化幅度计算的结果更准确。

2.3 上产调参时的功率裕量分析

2.3.1 含水在95%以上的油井

由于含水比较高，这样的抽油机井产能比较低，一般不再进行上调参，因为没有经济效益可再提高。对这样的抽油机井进行电动机匹配时不需要留有太多的裕量，以免能耗的增加。

2.3.2 含水在95%以下的油井

对于含水在95%以下的抽油机井，含水相对低些，产能也相对比较高，根据需要可进行提高产液。提高产液一般是通过以下三种方式：提高冲速；加大冲程；换大泵。

1）冲速调整分析。为提高产液进行提高冲速，冲速增加则会导致负荷增加，所需电动机的功率也将增加，为此在电动机匹配时需留有一定的裕量。冲速的提高应根据该抽油机井动液面的情况，地下流压的变化情况，以及抽油机允许的最大扭矩等因素来确定，再就是从经济效益方面考虑，由于冲速提高能耗增加，设备磨损严重，断杆及检泵率加大，缩短了抽油杆，油管以及井下工具的使用寿命。具体提高几次应根据具体情况进行预产，通过公式：Q/η=K×N×S计算来确定。

由于冲速的提高使抽油机负荷增加，扭矩增加，利用公式计算出最大、最小悬点载荷以及最大扭矩，最后求出所需增加的功率。

根据公式可以计算出功率裕量：

式中：

Wr——抽油杆在液柱中的重力令其等于抽油杆在下冲程作用在悬点的载荷，kN；

Wl——油管内柱塞以上液体重力，kN；

S——冲程，m。

2）冲程调整分析。加大冲程使产液增加，抽油机井的负荷增加也随之增加，为了使匹配的电动机功率满足正常调参的需要，需增加的裕量可以根据公式（4）（5）（6）（7）进行计算。具体匹配时应根据具体情况决定是否留出裕量，当该抽油机井已经在最大冲程位置了，匹配电动机时不需为冲程留有裕量功率。

3）泵型调整分析。对于动液面比较浅，而且含水比较低，产能较高的抽油机井，当提高冲速以及加大冲程动液面都变化较小，可以通过换大泵提高排量，具体功率裕量可以根据公式（4）（5）（6）（7）进行计算。

3 抽油机启动裕量分析

由于电动机种类、系列不同，其性能也有较大的差异，对其启动时留有的功率裕量也就不同，对于不同机型的抽油机来说，其静扭矩也不相同，需要的启动功率也就不同。经统计全厂抽油机机型主要有CYJ10型、CYJ11型、CYJ14型的。电动机主要有YCY系列的、Y系列的以及永磁的。

电动机启动时需克服较大的静扭矩，由于扭矩随曲柄角度变化，比较复杂，计算比较困难，因此对近年来电动机匹配的抽油机井进行了部分统计，并根据理论分析，给出了电动机启动时所需功率裕量，见表1。

表1 电动机启动裕量数值

4 裕量分析计算

根据以上分析可知，在不同情况下需要增加的裕量为：电动机实际运行功率与增加幅度的乘积，即为所需要增加的功率裕量。以抽油机井8-2501为例。该井正常运行时实际需求功率为11.08kW。

1）负荷变化裕量。

2）参数调整裕量。该抽油机井机型为：CYJ10-3-53HB，泵径为83的，泵挂为956.7m，动液面为874.9m，利用其示功图数据进行计算，原来冲速为8min-1，若该井冲速还可以再提高1次，经计算得：电动机功率为3.19kW，则在电动机匹配时需增加的裕量约为3.19kW。实际上该抽油机井动液面已经很深不能再增加冲速了，也就是不需再为冲速留有功率裕量。

3）启动功率裕量为8kW。该抽油机井匹配时的功率裕量为：

装机功率为：P=11.08+10.66=21.74kW，按计算结果我们现场匹配了22kW，见表2。

表2 安装前后效果比较

根据以上分析研究结果，现场进行了抽油机井电动机合理匹配355口井，实施后平均单井装机功率下降了24kW，有功功率降低了1.21kW，实现单井日节电29.04kWh，取得了较好的实施效果。

5 结论及认识

1）抽油机电动机功率的选择必须根据生产需要进行合理匹配，这样才可更好地改变目前装机功率偏大，能耗成本高的现状。

2）抽油机电动机功率的选择在满足正常生产需要的同时，还应考虑以后上产的需要，应留有一定的功率裕量。

3）利用扭矩、负荷的变化可较为准确地计算装机功率。

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.07.019

2012-05-18）

陈溪，1997年毕业于大庆石油学院，从事机采井及电气设备管理工作，E-mail：chenxi16@petrochina.com.cn，地址：黑龙江省大庆油田第六采油厂第二油矿机关，163000。