塔河油田抽油机效能提升技术研究与应用*

刘玉国 杨利萍 彭振华 曹畅 丁保东

（1.中国石油化工集团公司碳酸盐岩缝洞型油藏提高采收率重点实验室；2.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司）

塔河油田埋藏深度达5 300~7 000 m，油藏流体性质变化大，原油从凝析油、轻质油到重质油、超重质油均有分布，稠油井主要采用掺稀生产[1-2]。塔河油田主要采用抽油机生产系统生产[3-4]，现有抽油机井1 400 余口，综合含水率56.3%，平均动液面744 m。根据SY/T 5264—2012《油田生产系统能耗测试和计算方法》[5]，实测的抽油机井地面效率为65.6%，系统效率平均为28.6%，均较低。

由于抽油机井占比高，其能耗直接决定了油田的耗能水平。系统效率分为地面效率与井下效率[6]，目前抽油机井系统效率与中石化平均水平尚有差距。通过分析塔河油田抽油机的能耗状况，重点研究其地面效率提升方法，对于提升塔河油田抽油机井的系统效率水平具有重要意义。

1 运行现状与问题分析

塔河油田机采主要以游梁机-有杆泵、抽稠泵为主，为满足深抽长冲程、低冲次需要，抽油机以14 型节能游梁式抽油机为主[7]，抽油杆全部采用了H 级超高强度抽油杆，应用的抽油泵包括管式泵和液力反馈泵。

1.1 运行现状

塔河油田机抽井应用最广泛的是CYJQ14-5-73HY型抽油机(含Ⅱ），共738 口，占比67.5%；其次是CYJ16-5.5-89HPF 型抽油机，共115 口井；其他型号抽油机仅是小范围的试验。其中，大冲程抽油机系统效率相对较高，但主力机型CYJQ14-5-73HY（含Ⅱ） 平均地面效率53.3%、系统效率15.76%，明显较低，且低效井比例大，因此主力机型低效井的治理是降低抽油机能耗的关键。

1.2 地面效率测试分析

对1 094 井次开展了系统效率测试，近3 a 不同电动机负载率下的抽油机效率平均值汇总见表1。其中，电动机负载率是指抽油机电动机实际（实测）输入功率与电动机额定功率之比。

表1 近3 a 不同电动机负载率下的抽油机效率平均值汇总Tab.1 Summary of pumping unit efficiency averages at different motor load rates in recent three years

以上统计表明：抽油机地面效率、系统效率、功率因数均与电动机负载率密切相关。随着电动机负载率的降低，抽油机地面效率等指标明显降低，因此提高电动机负载率对于提升抽油机效率、系统效率、节能等将有明显效果。

1.3 能效影响因素分析

影响抽油机能效的因素主要包括皮带传动、减速箱、四连杆和电动机四个部分[8]。据统计，一般各节点能耗损失占整体损耗的比例：电动机损耗约占8%～30%，皮带损耗约占2%～10%，四连杆机构损耗约占5%，减速箱损耗约占10%～15%。其中主要影响因素是电动机效率，次要影响因素是皮带传动效率、减速箱效率、四连杆机构效率及管理水平（如平衡度的检查与调节）等[9-10]。由于系统效率测试时并未单独对皮带传动、减速箱、四连杆机构的效率进行测试，同时皮带传动效率、减速箱效率、四连杆机构效率的提升空间较小，因此抽油机效能（地面效率）适宜用电动机效能进行表征。由于电动机效能与电动机负载率密切相关，因此以电动机负载率为主要研究对像对抽油机效能进行分析。

1.4 抽油机运行中存在的主要问题

1）抽油机配置偏大，空载消耗大。原油埋藏深，为满足地层能量下降后的深抽需要，抽油机主要为大型抽油机，配置的电动机功率较大。但油田实际开发过程中，注采关系的不断变化导致原有配置的机型、电动机配置偏大，空载消耗大，地面效率与系统效率低。

2）电动机负载率低。由于电动机额定功率偏大，载荷过低，造成电动机运行效率较低。在使用过程中普遍存在电动机无功功率高、功率因数低、平衡度差、启动扭矩大、“大马拉小车”现象严重等诸多问题。

3） 抽油机的平衡度低。当抽油机不平衡时，上冲程中电动机承受着极大的负荷，下冲程中抽油机反而带着电动机运转，从而造成功率的浪费，增加能源的消耗。塔河油田以大型抽油机为主，泵挂深度大，载荷大，抽油机不平衡问题更为突出。

2 效能提升潜力与方案

2.1 提升潜力

1）抽油机地面效能理论值。游梁式抽油机效能由电动机、皮带传动、减速箱和四连杆机构的效率决定。根据以上分项构成，运行良好的抽油机效能约55%~74%左右。

2） 塔河油田抽油机效能目标值与提升潜力。根据塔河油田抽油机地面效率测试基本数据，统计电动机负载率大于或等于35%的井平均地面效率为69.91%，结合节能监测规范，推荐塔河油田抽油机井效能目标值为70%。

因此，塔河油田抽油机效能的提升，应重点针对电动机负载率小于25%的井，此类井占比较大。尤其是电动机负载率小于20%的井，其提升潜力可达6%以上；电动机负载率小于10%的井，其提升潜力可达10%以上，是塔河油田抽油机效能提升的重点井。

2.2 地面效能主要提升方案

1）实测系统效率并分析电动机负载率，筛选电动机负载率低于25%、地面效率低于60%的井作为主要目标井。

2） 更换电动机、换小抽油机或改变电源接法，解决抽油机选型过大的问题。其中，电源由三角形接法改为星形接法后，电动机降压运行（-5%左右）能够节电并提高电动机效率。该方案不消耗功率，节电效果明显，在塔河油田的完全可对比井中，地面效率分别提高8.3%和9.6%。

3） 推广使用节能型抽油机（如皮带式抽油机、直线电动机抽油机）、节能控制柜（姿态控制器、四功能控制箱、变频控制柜）等设备。

3 抽油机智能姿态控制增效系统研制

3.1 工作原理

抽油机电动机姿态控制器包括主回路、信号检测、信号处理、位置检测电路以及逆变电路等部分。其矢量控制的基本思想是在交流电动机上模拟直流电动机转矩控制规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁场的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两分量互相垂直、彼此独立，然后分别进行调节。转矩方程如式（1）所示：

式中：Td为转矩N・m；p为电动机的极对数，两极为一对，四极为两对，如此类推；ψr为转子磁钢在定子上的耦合磁链，Wb；Ld为电动机的轴d主电感，H；Lq为电动机的轴q主电感，H；id为定子电流矢量的d轴分量，A；iq为定子电流矢量的q轴分量，A。

由式（1）可见，电动机的电磁转矩基本上取决于定子轴电流d-q轴分量。抽油机矢量控制算法中考虑整体的效率，将每个冲程分段控制并进行反馈优化。将抽油机每个冲次的运行分为10 个时间段，通过控制软件，可设置驴头上（下） 行速度、上（下）行加减速时间、止点附近低速运行时间、上（下） 行时间等参数。以实时计算悬点位置，综合外部输入的光杆每个冲次的基准信号，自动计算出驴头运行的上下止点，作为变速运行的依据，从而自动控制驴头上下止点附近平稳的加、减速及低速运行，进而减少冲程损失，提高泵效，减小抽油杆冲击载荷。抽油机姿态控制增效系统工作原理见图1。

图1 抽油机姿态控制增效系统工作原理Fig.1 Working principle of attitude control and efficiency system of pumping unit

通过系统软件自动计算出驴头运行的上下止点，作为变速运行的依据。根据油井生产需要，实现抽油机运行过程中全程变速运行。在上下止点段内，抽油机悬点在上下止点附近时自动调节电动机低速(V1，V3)运行，减小悬点的超前量，尽力使柱塞与驴头同步运行，从而减少冲程损失，增加有效冲程及减少抽油杆的冲击载荷或拉伸载荷，提高泵效，减少杆管的偏磨、断脱现象。在上下行过程中电动机缓慢加速（ΔV1，ΔV3）或减速(ΔV2，ΔV4)，平稳时高速(V2，V4)运行，达到驴头和抽油泵活塞同步的目的。

3.2 主要功能

抽油机姿态控制系统包括电动机姿态控制器、电动机旋转编码器及传动比定位校正传感器三部分，通过软件控制系统，实现信号的自动接收、处理以及运行姿态的自动调节。抽油机节能增效系统集成见图2。

图2 抽油机节能增效系统集成Fig.2 Energy conservation and efficiency enhancement system of pumping unit

姿态实控制系统实现了对异步/同步电动机的速度、位置、电流、扭矩、电压等电参数独立的闭环控制，从而自动调节抽油机悬点在上下止点附近低速运行，其他行程中高速运行，减少冲程损失及抽油杆的冲击载荷；根据油井供液能力及示功图的变化，优化工作冲次，使泵保持合理的沉没度，避免空抽现象；通过控制软件，按预设程序自动调节“峰-平-谷”不同时段的抽油冲次，在供采匹配、节能降耗的同时，提高经济效益；改变传统的依靠调节皮带轮调冲次的方法，降低劳动强度；安装简单，无需更换原异步电动机，不需改造机械结构。

同时该系统还具有电子刹车、通讯和平稳低速启动等辅助功能。通过电子刹车功能，可让驴头极方便地停在任意位置，便于示功图测试、抽油机检查等工作；其通讯功能兼容现有的数字化油田通讯，能够快速传递信息，及时了解抽油井工况；低速启动，大力矩运转更平稳，皮带所受力矩更均匀，有效减少皮带的抖动、打滑现象，提高皮带传动效率。

4 姿态控制器应用效果

目前该控制器应用3 口井，3 口井姿态控制器应用前后主要参数对比见表2。应用后悬点最大载荷降低3%~10%，载荷差降低10%~25%，电动机输入功率降低20%~30%，节电20%以上。姿态控制器可以明显降低上下冲程电流、悬点最大载荷与载荷差，从而降低电动机输入功率4.1~6.8 kW，节电22%~36%，显著提升抽油机效能。

表2 3 口井姿态控制器应用前后主要参数对比Tab.2 Main parameters comparison of three wells before and after the application of the attitude controller

以S**-1 为例， 该井为三叠系井， 产层4 391~4 394 m，原油密度0.828 4 g/cm3，地面原油黏度6 mPa·s。2022 年7 月13 日18:30 停机更换姿态控制节能柜，23:00 启抽计量。试验采用44 mm管式抽油泵，泵挂2 000.02 m，冲程3.3 m，冲次3.2 min-1，动液面1 998.4 m，气油比25。该井存在沉没度很小、供液不足的情况，更换姿态控制节能柜前后的示功图对比见图3。使用前供液不足、气体影响明显，使用后供液不足及气体影响基本消除。

5 结论

1）影响塔河油田抽油机井地面效率的主要因素是抽油机型号偏大及电动机负载率偏低，换小功率电动机、将电源从三角形接法改为星形接法、更换较小型号的抽油机均可有效提高抽油机效率。

2）抽油机姿态控制器可自动控制驴头上下止点附近平稳的加、减速及低速运行，减少冲程损失，提高泵效，减小抽油杆冲击载荷。应用表明，姿态控制器可显著降低上下冲程电流，降低悬点最大载荷，减小上下冲程载荷差，从而减小电动机输入功率，提升抽油机地面效率与系统效率。

3）塔河油田抽油机井效能目标值为70%，电动机负载率低于25%井地面效率提升潜力4%～5%，电动机负载率低于20%井地面效率提升潜力6%～7%，电动机负载率低于10%井地面效率提升潜力10%以上。