变速运行优化在抽油机井上的应用

郑焕军（大庆油田有限责任公司第六采油厂）



变速运行优化在抽油机井上的应用

郑焕军（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

在抽油机井参数优化中，冲速对抽油机井能耗影响较大，低冲速油井能耗低，无法满足产能需求。根据抽油机的结构特点，建立抽油机井优化运行控制模型，提出一种抽油机井变速优化运行理论，可在同等冲速下确定抽油机井最佳的变速比，通过现场试验测试抽油机井变速运行的能耗变化，确定调节抽油机井变速运行参数的合理范围，确定其变化规律，达到提高系统效率，降低油井能耗的目标。

抽油机变速运行动液面变速比

抽油机作为最常用的机械采油设备，具有可靠性高、使用寿命长、维修方便等优势，但是由于运行过程中负载具有冲击性的周期交变特点，启动转矩大，曲柄的角度时刻变化，因此也存在着高能耗的缺点。常规的游梁平衡抽油机，在平衡率接近1时，上下冲程耗时一致；而异形抽油机则在平衡的条件下上冲程时间短于下冲程时间，会产生节能的效果。分析表明，通过调节抽油机井变速比（上下冲程速度比），可以提高原油在泵中的充满度；适当提高上冲程的速度，可以减少在提升过程中的漏失量，有效地提高单位时间内的原油产量，达到节电效果［1］。对于黏度大的油井，因原油黏度上升，驴头、光杆等部件会运行不畅，通过调节冲程频次和选用“上快下慢”的开采工艺，能保证抽油机井的有效运行，确保油井长期稳产［2］。

1　曲柄运动中变速度计算

抽油机井变速运行计算主要对抽油机井杆柱瞬时速度进行计算，从而保证抽油机井产量的计算［3-4］准确。根据抽油机生产参数，其理论产量的计算主要涉及抽油泵柱塞截面积、冲程、冲速。其中，等效的悬点冲速可按下式计算：

式中：

n——等效的悬点冲速，min-1；

ωup、 ωdown——上、下冲程时，电动机对应的

旋转角速度，rad/s；

θup、θdown——上、下冲程时，曲柄对应所转过

的角度，rad。

当抽油机匀速运行时的冲速为n，对应的每个冲程一个循环所用的时间t为

则可推导上、下冲程中曲柄角速度的计算方法，如式（3）、式（4）：

式中：

x——上冲程所用时间，s；

y——下冲程所用时间，s；

z——上冲程曲柄转过的角度，°。

2　现场试验

为验证理论计算与现场的拟合情况，分别在3口油井上进行了变速运行试验，油井生产参数见表1。

依据试验井实际生产参数的理论计算和现场测试结果，绘制出百米吨液耗电与变速比的关系如图1。试验与理论模拟表明，对于生产参数不同的抽油机井，均存在一个最佳变速比，在该点抽油机井变速运行的百米吨液耗电低于常规匀速运行能耗。同时，理论计算结果与现场测试结果趋势均相同，说明理论模拟较为准确，理论计算结果也表明存在最佳变速比，“上快下慢”的变速设计使油井能耗低于常规匀速运行时的能耗。

表1　变速运行试验抽油机井数据

图1　不同变速比下试验井百米吨液耗电变化

试验表明，虽然能耗与变速比变化的趋势相同，但3口井能耗最低值点不同，为进一步确定在不同生产参数下的变速运行最佳点，分别调整3口井动液面深度，动液面为800m、500m和300m时，变速比在1.1～1.2之间变化，计算百米吨液耗电值，绘制出百米吨液耗电与变速比的函数关系（图2）。

由图2可知，动液面在800m、500m，变速比在1.1～1.2之间时，抽油机井百米吨液耗电较低。液面在300m，变速比在1.7～1.8之间时，百米吨液耗电较低。

计算表明，抽油机井变速运行时，尽管抽油机井能耗的最低值点对应变速比始终大于1.0，但最低值并不固定，而是随动液面由深到浅的变化而发生变化。

图2　不同动液面下百米吨液耗电与变速比的关系

3　结论

1）通过建立抽油机井采油系统能耗及效率计算的数学模型，包括对曲柄轴运行速度、悬点运行规律分析、系统能耗及系统效率等的计算，建立了抽油机井变速运行计算方法，通过与现场实测数据的对比分析，验证了计算方法的合理性。

2）计算表明，抽油机井变速度运行，能耗最低值点并不唯一，而是随油井动液面的变化逐渐变化。但在喇嘛甸油田的油藏物性及条件下，选择“上快下慢”变速运行时，油井的能耗较低，变速比的范围在1.1～2.0之间。

［1］刘学成.抽油机专用变频器在抽油机节能改造中的应用［J］.变频器世界，2005（10）：73-75.

［2］肖朝明.开发稠油长冲程上快下慢抽油机可行性分析［J］.石油机械，1996，24（12）：33-35.

［3］赵洋.抽油机井优化运行理论研究［D］.大庆石油学院：朱君，2009.

［4］姜民政，王慧.变速驱动抽油机井运行参数变化规律研究［J］.石油矿场机械，2010，39（10）：4-7.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.09.003

2015-05-21）

郑焕军，高级工程师，2012年毕业于中国科学院广州地球化学研究所，从事油气田采油工程技术工作，E-mail：zhenghuanjun@petrochina.com.cn，地址：黑龙江省大庆市让胡路区第六采油厂，163114。