基于降低机采单耗的抽油机柔性运行技术研究与应用

＊周俁玒

（中国石油青海油田分公司采油三厂 青海 816400）

抽油机在实际运行时，受自身结构特性影响，电机与减速箱将会承受一定的负载，且这种负载会处于一种周期性变化状态。尤其是电机和减速箱在实际运行时，扭矩峰值与交变整体的幅度比较大，这意味着电机输入功率曲线将会出现较大幅度的波动。受此影响，电机会经常出现过载问题。减速箱输出轴扭矩在进行方向转换的过程中，齿轮会出现“背击”问题。抽油机在正常的运动状态下，悬点速度轨迹遵循的是准正弦规律，杆柱会受到不均衡振动的影响，承受一种惯性载荷，从而对抽油杆柱造成严重的冲击。抽油机在运行过程中，曲柄装置会呈匀速圆周转动方式，这会导致泵柱塞运行速度无法均匀分布，产生较高的速度峰值。在少部分出油井中，供液因为不够充足，还会引起泵烧坏问题。抽油机在启动过程中，面临的负载很大。为了保障启动安全性，在抽油机中只能配置大功率电动机，同时对变送器装置容量也有着较高的要求。虽然这种配置能够确保抽油机安全启动，但会导致电机负载利用率下降。因此为了降低抽油机的能耗，提升抽油机运行效果，近年来，在一些油田中会采用变频控制技术。通过应用这种技术，可以调节电机转速性能，提升电机启动稳定性，有效解决电动机变速难、启动电流大等问题，降低抽油机的整体能耗，提高抽油机的运行效率。但采用变频控制技术，只能够实现抽油机软启动。无法结合实际情况，做好上下冲程时间的合理分配，也无法在一个冲程周期内，实现变速调整，因此抽油机在能耗降低方面依然有很大的提升空间。为了有效降低抽油机的能耗，有必要加强抽油机柔性运行技术的研究分析。通过应用该项技术，可以促使抽油器整个运行过程实现柔性变更控制运行，从而显著提升抽油系统的整体性能，显著降低抽油机的能耗[1]。

1.抽油机柔性启动运行技术及其特点

相较于普通的变频控制技术，抽油机柔性启动技术功能更加强大，该项技术在抽油机的电机与曲柄装置之上安装了传感器，用于采集电信号，并对悬点位置进行智能分析，找出其与电机负荷之间具备的关系。最后，以上下冲程负载变化为依据，合理地进行电机转速变化的调整，同时确保电机的转矩、输出功率等符合实际运行情况，实现抽油机系统运行轨迹动态调整。在柔性启动技术的帮助下，还会充分利用抽油机系统的惯性，合理降低运行功率，并促使电机电流、扭矩峰值等处于一个最佳的状态，提升抽油机驱动能量输出的均衡性。在启动时，电机转速由零提升至所需要的转速，期间不会出现大电流、启动功率较大波动等问题，确保电机可以稳定、安全启动[2]。

总之，柔性运行技术是一种比较实用的抽油机运行控制技术，这种技术有很多优势特点，比如在不改变抽油机设备结构的前提下，可以通过调节电机运行速度，从而改变抽汲频率，促使柱塞运动速度分布更加均衡，在提升抽油机运行效率的同时，显著降低能耗。又如柔性运行技术的应用，还能够有效降低抽油机因轴向压力产生的径向偏磨力，减少杆管疲劳，降低井下采油无功损耗，提升采油经济性。再如在抽油机中应用柔性运行技术，还可以提升设备的使用寿命，减少停机时间以及维修作业，推动石油抽采实现更好的发展。

2.基于降低机采单耗的抽油机柔性运行技术研究

（1）变轨控制优化。这种技术可以从变速驱动入手，获取抽油机的悬点速度轨迹。在抽油机运行的过程中，悬点速度如果发生改变，将会对柱塞运动造成严重的影响。这种影响除了表现在泵的漏失率方面，还表现在下冲程过程中，流体对柱塞阻尼顶托力的大小方面。当杆柱与液柱惯性力发生变化，则会影响杆柱的受力分布情况。

通过变轨控制技术的优化，可以有效抑制惯性作用。在这一过程中，柱塞启动后，需要控制器加速过程，从而在上冲程阶段，减少惯性对杆柱负载带来的影响。与此同时，通过变轨控制技术的优化，还能够对空气影响起到一定的抑制作用。在这一过程中，需要立足上行全过程。加强对柱塞运行速度的控制，合理调整泵筒空间相对负压，从而避免溶解气溢出对柱塞运行造成负面影响。通过变轨控制技术的优化，还能对下行偏磨带来抑制作用，通过立足下行全过程，加强对柱塞最大运行速度的控制，当液流通过游动凡尔时，可以对其压头差造成控制影响，最终有效减小下冲程带来的动态偏磨影响。

（2）抽油机系统运行状态诊断识别。对柔性运行技术而言，本身具有一定的智能性，可以利用相关算法，实现对井下抽油机运行工况状态的诊断与识别。柔性运行技术的主要识别对象为光杆的速度和曲柄轴扭矩负荷。在这一过程中，采用模式特征识别方法，可以对系统运行工况进行诊断识别分析。抽油机在实际运行的过程中，自身的运行方式将会对下流压稳定性、抽油泵功率、悬点最大载荷和交变载荷造成直接影响。而针对驱动装置负荷峰值、地面系统的平衡率等，抽油机的运行也会产生间接的影响。通过对抽油机系统运行状态进行诊断识别，针对上下行程时间比，可以在0.5～2范围内，实现无级设定。如果井下油田供液高于采液，通过对抽油机系统运行状态进行诊断识别，可以起到参数自主调节的作用。反之，通过对抽油机系统运行状态进行诊断识别，可以避免出现液击现象。

（3）柔性运行控制。通过应用柔性运行控制技术，在抽油机中配置传感器，可以采集电机运行信号，对悬点位置与电机负荷之间的关系进行实时分析。从而根据悬点的实际负荷，制定出对应的电机转速变化方案[3]。与传统的变频控制技术相比，柔性运行控制转被动为主动，可以主动对电机变速驱动进行控制，从而能够结合实际工况，合理地调整电机转速。该项技术的应用，本身没有改变能量消耗。而是基于抽油机不同的工况，合理地进行能量分配，从而显著提升电能的利用率，降低了整体的能耗。

（4）负荷功率再分布技术。抽油机系统在实际运行的过程中，针对电机可以实现负荷功率的再分布，该项技术可以在不同工况下，改变调整电机的转速，以此来实现曲柄运行速度、加速度的再分布。当电机转速发展变化时，电机输出功率也会随之变化。通过负荷功率再分布，本质上是结合实际需求，提升电机功率变化的适应性。

3.基于降低机采单耗的抽油机柔性运行技术应用分析

（1）实验测试内容。为了更好地评价抽油机柔性运行技术的应用效果，本次通过开展实验，对电机启动/运行电流、启动/运行功率以及不同沉没度井的示功进行分析。

（2）实验测试方法。在本次实验测试中，采用了专业的电力测量仪器作为测量工具。在测量的过程中，首先需要调整控制开关，使其处于工频运行状态。然后再利用测量工具，完成电机启动/运行电流、启动/运行功率的测量。电机运行时间为16min，期间需要完成电机运行数据的记录。随后，还需要通过调整控制开关，使其处于优化运行状态。再利用测量工具，完成电机启动/运行电流、启动/运行功率的测量。电机运行时间为16min，期间需要完成电机运行数据的记录。最后，还需要记录沉没井的功率信息。

（3）选井条件。本次实验选择在某采油厂开展，测井数量为6口，井号可以分别记录为1～6号。不同采油井基本情况信息，如表1所示。

表1 不同采油井基本情况信息

4.结果分析

（1）启动功率、电流对比分析。在本次实验中，通过以上述6口井为研究对象，对应用柔性运行技术的启动电流以及功率进行了对比分析。从中可知，在柔性运行技术的帮助下，电机的启动功率与电流均得到了明显的下降。通过数据对比分析可知，启动功率的峰值比为9.62:1，启动电流峰值比为17.93:1。之所以产生这一问题，可以采用公式（1）解释背后的原因：

式中，M()ϕ代表的是电机扭矩；P()ϕ代表的电机功率；()ϕω代表的转速。抽油机在实际启动的过程中，一般对启动扭矩有着较高的要求。在实际工况要求下，启动转速会不断地提升，一直提升到满足实际工况要求的频率。在柔性启动模式下，需要应用变频装置。通过柔性运行技术的支持，在达到同样的扭矩目标下，实际需要的功率更小，启动电流也非常低，这意味着电机在启动后，可以通过低转速转动获得符合工况要求的大扭矩。在工频状态下，电机在启动时，一般在极短时间内需要达到电机额定转数，为了达到扭矩要求，必然需要提升电机功率，那么实际耗电量将会增加。通过上述对比可以发现，柔性运行技术下的电机对启动功率、电流要求更低，实际能耗也更少。

（2）运行功率、电流对比分析。为了对柔性运行技术更好地进行评价，在本次实验中，选择了6口井，借助电力测量仪器作为测量工具，对工作电流以及功率进行了对比测试分析。从最终的结果来看，运行功率与运行电流下降比较明显。其中电机的功率峰值比为2.61:1，电流的峰值比为2.58:1。抽油机实际运行时，在变频控制模式下，工频范围是34～50Hz。并且在运行过程中，工频变化具有一定的规律性。从而可以判断，电机在面临高负载时，依然可以在低功率模式下，提供较大的扭矩。保持高速转动的同时，实现高功率运行。如此一来，可以显著提升电机的有效功率，降低电机电能损耗。

（3）不同沉没度下井泵工作状况对比分析。从结果来看，沉没度在100m以内的井，冲次得到了显著提升，沉没度下降，每天的耗电量降低，井泵效率得到了有效的提升。而沉没度在100～300m的井，在应用柔性运行技术后，起到的效果与沉没度在100m以内的井基本相同。其中电能节约效果表现得更加突出。沉没度在300m以上的井，在应用柔性运行技术后，除了展现出较强的节电效果以外，沉没度下降幅度更大。从中可知，在柔性运行技术的帮助下，采油井的冲次、产液量和沉没度基本维持稳定，但抽采机的耗电量显著降低，泵运行效率提升，由此可以更好地发挥出节能降耗的作用价值。

5.结束语

传统抽油机在实际运行时，能耗过高，还会增加设备磨损，不利于抽油机设备使用寿命提升。因此需要通过加强柔性运行技术的应用，从而有效解决这一问题，促使抽油机的电机装置在运行时可以实现转速、功率的合理分配，有效降低抽油机能耗，提升抽油机的运行性能，降低石油生产成本，推动采油生产实现稳定顺利发展。本次研究中，通过结合相关实验，分析了柔性运行技术实际应用效果。结果表明，在柔性运行技术的应用下，电机对启动功率、电流要求更低，有效降低了启动能耗。在柔性运行技术的支持下，电机在面临高负载情况时，依然可以在低功率运行模式下提供较大的扭矩。保持高速转动的同时，实现高功率运行，从而提升电机的有效功率，降低电机电能损耗。不仅如此，在柔性运行技术的帮助下，采油井的冲次、产液量和沉没度基本维持稳定，抽采机的耗电量显著降低，泵运行效率提升，因此更有利于节约采油成本，推动油田开采实现更好的发展。