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摘要：针对抽油机井能耗高的问题，在现场实验的基础上，对孤东油田目前应用的各项节能技术进行了分析及评价。对不同的节能产品，在不同井况下，其节能效果有很大差别，筛选出节能效果好的进行优化组合，取得了很好的节能效果。
关键词：抽油机井；节能降耗技术；效果分析
游梁式抽油机是我国石油工业传统的采油方式之一，也是迄今为止在采油工程中占主导地位的人工举升方式。我国目前有8万多口抽油机井，其能耗占油田总能耗的三分之一左右，是主要的耗能设备。所以，搞好抽油机井的节能降耗工作，是降低成本、提高经济效益的必要条件和有效途径。
针对抽油机井能耗高的问题，在现场实验的基础上，对孤东油田目前应用的各项节能技术进行了分析及评价。不同的节能产品，在不同井况下，其节能效果有很大差别，筛选出节能效果好的进行优化组合。通过评价试验，新区方案设计应以节能抽油机为主，节能型拖动装置为辅，并且匹配要合理；对于供液不足井，应采用调速电机、智能间抽技术。资料统计表明，智能间抽时平均日产油比连续生产时上升0.4t/d，平均日耗电量比连续生产时下降50kW.h。
1目前抽油机井上应用的节能技术
目前抽油机井上应用的节能技术主要是在地面部分，并且主要是针对抽油机的结构及其拖动装置（电机和配电箱）的性能来开展的。抽油机节能技术分为两类：一类是节能抽油机，其原理主要是通过降低减速箱峰值扭矩，使电机功率下降，包括双驴头抽油机、偏轮抽油机、下偏杠铃抽油机、摩擦转向式抽油机和摆杆式抽油机；另一类是对常规抽油机进行节能技术改造。抽油机拖动装置节能技术也分为两类：一类是节能电机，主要有永磁电机、高转矩电机、变频调速电机和一体化拖动装置；另一类是节电箱，主要是控制电机定子绕组Y-△转换调压和采用功率因数控制器调压以及无功功率补偿。
我们将油田上推广应用的节能技术，在定点的水力模拟试验井上进行了测试。水力模拟试验井能消除生产井的含水、油气比、动液面和泵挂深度等因素影响，工作流程是以水为介质，在井筒和地面测试装置中形成循环回路，抽油机负载可调，通过计量设备及仪器仪表对有关测试参数进行计量，在同等条件下，对待测产品及设备进行全面准确的能耗对比和评价。
2.1 节能抽油机
我们对抽油机井在用的节能抽油机的节能效果进行了测试（表1）。
表1 抽油机节电性能对比表
抽油机类型 主要结构特点 使用范围 综合节电率（%）
双驴头抽油机 变参数四连杆，尾轴软连接 中低载荷、低冲次，平衡好 22.4
下偏杠铃抽油机 曲柄，杠铃复合平衡 中高载荷、低冲次，平衡好 20.1
摩擦换向抽油机 吊重平衡，钢丝摩擦传动 冲次、冲程连续可调 20.9
双驴头抽油机节能原理：该机以常规抽油机为基础，对四连杆机构进行了改进，采用变径圆弧状游梁后臂，游梁与横梁间采用柔性连接件等特殊结构。由于变参数四连杆机构的作用，使其扭矩变化接近正弦规律，静扭矩波动较小，从而达到节能的目的。
下偏杠铃抽油机节能原理：下偏杠铃复合抽油机工作时，游梁偏置平衡重心的运动轨迹是一段圆弧，当重心处于游梁回转中心的水平线上时，其重力矩最大；当重心处于回转中心的垂直线时，其重力矩最小。利用这一变矩原理与曲柄平衡共同作用，可有效削减峰值扭矩，改善抽油机曲柄轴净扭矩曲线的形状和大小，使其波动平缓，并且消除负扭矩，减小抽油机的周期载荷波动系数，提高电动机的工作效率。
摩擦换向抽油机节能原理：摩擦换向抽油机工作时，以功率因数cosφ=1的开关磁阻电动机为原动机，使用智能模拟及数字混合控制，采用摩擦轮传动作为工作机构，机械传动路线短、效率高，实现了正反转换向，启动换向平稳、冲击小，且冲程、冲次均可独立无级调节，控制抽油杆上行及下行速度，有效地降低了电动机输出扭矩的峰值，再加上直接平衡的作用，最终实现降低电机功率的目的。
2.2 节能拖动装置
2.2.1 节能电机
目前约70％的抽油机电机平均负载率小于40%，运行效率低于80%，“大马拉小车”现象较为普遍，使配电线路的功率因数降低，配电线路网损增大。造成这一现象的原因为：游梁式抽油机是一个四连杆机构，启动时静载力矩较大，正常工作时驴头悬点载荷是交变的，其负荷特性也是交变的，电机的电流、功率、功率因数随着抽油杆上下冲程的变化而变化。为了克服启动时负载的静载力矩，对于普通的Y系列电机只得加大容量，这就造成了“大马拉小车”。为解决这一问题，应用了高转矩电机、超高转差电机、永磁同步电机、一体化拖动装置等节能技术。各种节能电机节电原理如下：
①高转矩电机是机座为一整体式、内部为独立双定子结构、转子同轴的复式电机。该电机启动时为双电机工作，启动后正常工作时，只用一台单机工作。电机可在外电路控制下，依负载变化而自动停止或启动。
②超高转差电机通过增加转子电阻提高电机的转差率，使电机在重负荷时速度下降，扭矩增加；轻负荷时速度上升，扭矩减小，速度变化范围大于12%。该电机启动电流小，启动扭矩大，装机容量和普通电机相比降低约40%。
③永磁同步电机采用异步启动、同步工作方式，由于转子转速与定子旋转磁场完全同步，无转差损耗，且转子不需外加励磁电源，无励磁损耗，因此具有功率因数高，启动力矩大等特点。不同的节能产品，在不同工况下，节能效果存在很大差别。
2.2.2节电箱
节电箱节电原理及特性如下：
①电机定子绕组Y-△转换技术。主要是通过自动控制实现电机Y-△转换，从而提高电机负载率，同时以电流、电压为取样元，作为电机过载、缺相等保护的控制信号，并跟踪反馈，使电机输入功率随负载的变化而同步变化，强制降低电机的有功和无功损耗，从而达到节电的目的。当定子绕组△接时，绕组端电压为380V；当定子绕组Y接时，绕组端电压为220V。绕组端电压下降了，相应的负载率就增加了。
②功率因数控制器调压技术。主要是采用单片机实时检测功率因数，自动控制双向可控硅的开启角来调节电机的供电电压，从而达到节电的目的。该技术对负荷的适用范围比较大，使电机既可以全压启动又能降压运行，电机始终在高负荷状态下运行，提高了功率因数。但是在实际应用过程中节电效果不太理想，主要原因是电压的变化速率跟不上电流的变化速率。另外，由于可控硅引起电流产生谐波，受瞬变电势和瞬变电流的影响，引起电机发热和振动，影响了节电效果。
③无功补偿技术。主要是采用加装一定容量的电容器对电网进行无功补偿，消除无功电流以提高功率因数，降低供电变压器负荷，从而降低网损达到节电的目的。目前这种技术应用比较广泛，效果也较好。通过在模拟试验井上进行测试对比，筛选出效果较好的配电箱（表2）。
表2节能型配电箱性能对比表
类型 液面深度200～800m
有功节电率（%） 无功节电率（%） 综合节电率（%）
定子绕组Y－△转换＋动态补偿 -0.9～9.2 77.3～81.7 14.5～31.8
定子绕组Y－△转换＋功率因数控制器调压＋静态无功补偿 5.6～15.7 50.3～64.8 12.9～29.5
定子绕组Y－△转换 -0.1～3.9 56.9～86.8 7.7～29.2
無功补偿 0.6～9.2 65.8～85.6 13.2～21.5
定子绕组Y－△转换＋静态无功补偿 0.03～0.3 78.9～86.5 10.7～27.3
3 节能技术在抽油机井上的应用效果
不同的节能技术在一定的条件下都具有节能效果，但并不是将所有的节能技术用在一起，节能效果就最好，而是需要综合考虑节能产品的合理优化组合，才能收到最佳的节能效果，获取最大的经济效益。
3.1 新井合理选择抽油机井节能产品
采用节能型抽油机与节能拖动装置后，在节能拖动装置与节能型抽油机功能互补的情况下，最终节电率小于二者之和；而在二者不能达到功能互补的情况下，最终节电率将低于节能效果最好的设备甚至无节能效果。
现场试验证明，偏置机＋高转差电机的效果不如偏置机＋普通电机的效果好，甚至无节能效果。
在模拟试验井上进行了节能抽油机＋节能电机＋节电箱的组合评价试验。
试验表明，双驴头抽油机＋节能电机＋调压箱的叠加效果低于双驴头抽油机＋YMJ电机＋普通控制箱的节能效果。原因在于节能电机及节电箱都是在电参数上进行了改进或优化，叠加使用时因功能重复而互补性少甚至相互抵消。
3.2供液不足井的节能降耗
在供液不足井上应用抽油机智能间歇节电控制装置，该装置是利用短波吸收原理，自动采集出液管内的气液比，当出液管内的气液比大于75％时整时停机。CJZ-I抽油机智能间歇节电控制装置试验结果见表3。
表3供液不足井不同生产方式生产状况对比表
生产方式 平均日生产时间(h) 平均日产油(t/d-1) 平均耗电量 ( kw·h)
连续生产 24 1.3 118
智能间抽 7.8 1.7 68
差值 -16.2 0.4 -50
统计有对比资料的8口井，智能间抽时平均日产油比连续生产时上升0.4t/d，平均日耗电量比连续生产时下降50kw·h。不仅达到了增油降耗的目的，而且解决了因液面抽空造成抽油泵干磨，使检泵周期缩短的问题，使生产管理更具科学性。
4结论与认识
①目前应用的节能产品在不同井况下其节能效果有很大的差别，电机的负荷率越低，节能效果越好，反之越差。②新区方案设计应以节能抽油机为主，节能型拖动装置为辅，并且其匹配要合理。③对于供液不足井，宜采用调速电机、智能间抽技术，可以取得较好的节能效果。统计资料显示，智能间抽时平均日产油比连续生产时上升0.4t/d，平均日耗电量下降50kW·h。
參考文献：
[1]刘洪智，郭东．异形游梁式抽油机．北京：石油工业出版社，1997.2-7
[2]邻亦炯，刘卓钧，赵贵祥等．抽油机．北京：石油工业出版社，1994.25-28
[3]张植保．电机原理与应用．北京：化学工业出版社，2006.94-100
[4]吴浩烈．电机及电力拖动基础．重庆：重庆大学出版社，1996.112-115
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：抽油机井；节能降耗技术；效果分析
游梁式抽油机是我国石油工业传统的采油方式之一，也是迄今为止在采油工程中占主导地位的人工举升方式。我国目前有8万多口抽油机井，其能耗占油田总能耗的三分之一左右，是主要的耗能设备。所以，搞好抽油机井的节能降耗工作，是降低成本、提高经济效益的必要条件和有效途径。
针对抽油机井能耗高的问题，在现场实验的基础上，对孤东油田目前应用的各项节能技术进行了分析及评价。不同的节能产品，在不同井况下，其节能效果有很大差别，筛选出节能效果好的进行优化组合。通过评价试验，新区方案设计应以节能抽油机为主，节能型拖动装置为辅，并且匹配要合理；对于供液不足井，应采用调速电机、智能间抽技术。资料统计表明，智能间抽时平均日产油比连续生产时上升0.4t/d，平均日耗电量比连续生产时下降50kW.h。
1目前抽油机井上应用的节能技术
目前抽油机井上应用的节能技术主要是在地面部分，并且主要是针对抽油机的结构及其拖动装置（电机和配电箱）的性能来开展的。抽油机节能技术分为两类：一类是节能抽油机，其原理主要是通过降低减速箱峰值扭矩，使电机功率下降，包括双驴头抽油机、偏轮抽油机、下偏杠铃抽油机、摩擦转向式抽油机和摆杆式抽油机；另一类是对常规抽油机进行节能技术改造。抽油机拖动装置节能技术也分为两类：一类是节能电机，主要有永磁电机、高转矩电机、变频调速电机和一体化拖动装置；另一类是节电箱，主要是控制电机定子绕组Y-△转换调压和采用功率因数控制器调压以及无功功率补偿。
我们将油田上推广应用的节能技术，在定点的水力模拟试验井上进行了测试。水力模拟试验井能消除生产井的含水、油气比、动液面和泵挂深度等因素影响，工作流程是以水为介质，在井筒和地面测试装置中形成循环回路，抽油机负载可调，通过计量设备及仪器仪表对有关测试参数进行计量，在同等条件下，对待测产品及设备进行全面准确的能耗对比和评价。
2.1 节能抽油机
我们对抽油机井在用的节能抽油机的节能效果进行了测试（表1）。
表1 抽油机节电性能对比表
抽油机类型 主要结构特点 使用范围 综合节电率（%）
双驴头抽油机 变参数四连杆，尾轴软连接 中低载荷、低冲次，平衡好 22.4
下偏杠铃抽油机 曲柄，杠铃复合平衡 中高载荷、低冲次，平衡好 20.1
摩擦换向抽油机 吊重平衡，钢丝摩擦传动 冲次、冲程连续可调 20.9
双驴头抽油机节能原理：该机以常规抽油机为基础，对四连杆机构进行了改进，采用变径圆弧状游梁后臂，游梁与横梁间采用柔性连接件等特殊结构。由于变参数四连杆机构的作用，使其扭矩变化接近正弦规律，静扭矩波动较小，从而达到节能的目的。
下偏杠铃抽油机节能原理：下偏杠铃复合抽油机工作时，游梁偏置平衡重心的运动轨迹是一段圆弧，当重心处于游梁回转中心的水平线上时，其重力矩最大；当重心处于回转中心的垂直线时，其重力矩最小。利用这一变矩原理与曲柄平衡共同作用，可有效削减峰值扭矩，改善抽油机曲柄轴净扭矩曲线的形状和大小，使其波动平缓，并且消除负扭矩，减小抽油机的周期载荷波动系数，提高电动机的工作效率。
摩擦换向抽油机节能原理：摩擦换向抽油机工作时，以功率因数cosφ=1的开关磁阻电动机为原动机，使用智能模拟及数字混合控制，采用摩擦轮传动作为工作机构，机械传动路线短、效率高，实现了正反转换向，启动换向平稳、冲击小，且冲程、冲次均可独立无级调节，控制抽油杆上行及下行速度，有效地降低了电动机输出扭矩的峰值，再加上直接平衡的作用，最终实现降低电机功率的目的。
2.2 节能拖动装置
2.2.1 节能电机
目前约70％的抽油机电机平均负载率小于40%，运行效率低于80%，“大马拉小车”现象较为普遍，使配电线路的功率因数降低，配电线路网损增大。造成这一现象的原因为：游梁式抽油机是一个四连杆机构，启动时静载力矩较大，正常工作时驴头悬点载荷是交变的，其负荷特性也是交变的，电机的电流、功率、功率因数随着抽油杆上下冲程的变化而变化。为了克服启动时负载的静载力矩，对于普通的Y系列电机只得加大容量，这就造成了“大马拉小车”。为解决这一问题，应用了高转矩电机、超高转差电机、永磁同步电机、一体化拖动装置等节能技术。各种节能电机节电原理如下：
①高转矩电机是机座为一整体式、内部为独立双定子结构、转子同轴的复式电机。该电机启动时为双电机工作，启动后正常工作时，只用一台单机工作。电机可在外电路控制下，依负载变化而自动停止或启动。
②超高转差电机通过增加转子电阻提高电机的转差率，使电机在重负荷时速度下降，扭矩增加；轻负荷时速度上升，扭矩减小，速度变化范围大于12%。该电机启动电流小，启动扭矩大，装机容量和普通电机相比降低约40%。
③永磁同步电机采用异步启动、同步工作方式，由于转子转速与定子旋转磁场完全同步，无转差损耗，且转子不需外加励磁电源，无励磁损耗，因此具有功率因数高，启动力矩大等特点。不同的节能产品，在不同工况下，节能效果存在很大差别。
2.2.2节电箱
节电箱节电原理及特性如下：
①电机定子绕组Y-△转换技术。主要是通过自动控制实现电机Y-△转换，从而提高电机负载率，同时以电流、电压为取样元，作为电机过载、缺相等保护的控制信号，并跟踪反馈，使电机输入功率随负载的变化而同步变化，强制降低电机的有功和无功损耗，从而达到节电的目的。当定子绕组△接时，绕组端电压为380V；当定子绕组Y接时，绕组端电压为220V。绕组端电压下降了，相应的负载率就增加了。
②功率因数控制器调压技术。主要是采用单片机实时检测功率因数，自动控制双向可控硅的开启角来调节电机的供电电压，从而达到节电的目的。该技术对负荷的适用范围比较大，使电机既可以全压启动又能降压运行，电机始终在高负荷状态下运行，提高了功率因数。但是在实际应用过程中节电效果不太理想，主要原因是电压的变化速率跟不上电流的变化速率。另外，由于可控硅引起电流产生谐波，受瞬变电势和瞬变电流的影响，引起电机发热和振动，影响了节电效果。
③无功补偿技术。主要是采用加装一定容量的电容器对电网进行无功补偿，消除无功电流以提高功率因数，降低供电变压器负荷，从而降低网损达到节电的目的。目前这种技术应用比较广泛，效果也较好。通过在模拟试验井上进行测试对比，筛选出效果较好的配电箱（表2）。
表2节能型配电箱性能对比表
类型 液面深度200～800m
有功节电率（%） 无功节电率（%） 综合节电率（%）
定子绕组Y－△转换＋动态补偿 -0.9～9.2 77.3～81.7 14.5～31.8
定子绕组Y－△转换＋功率因数控制器调压＋静态无功补偿 5.6～15.7 50.3～64.8 12.9～29.5
定子绕组Y－△转换 -0.1～3.9 56.9～86.8 7.7～29.2
無功补偿 0.6～9.2 65.8～85.6 13.2～21.5
定子绕组Y－△转换＋静态无功补偿 0.03～0.3 78.9～86.5 10.7～27.3
3 节能技术在抽油机井上的应用效果
不同的节能技术在一定的条件下都具有节能效果，但并不是将所有的节能技术用在一起，节能效果就最好，而是需要综合考虑节能产品的合理优化组合，才能收到最佳的节能效果，获取最大的经济效益。
3.1 新井合理选择抽油机井节能产品
采用节能型抽油机与节能拖动装置后，在节能拖动装置与节能型抽油机功能互补的情况下，最终节电率小于二者之和；而在二者不能达到功能互补的情况下，最终节电率将低于节能效果最好的设备甚至无节能效果。
现场试验证明，偏置机＋高转差电机的效果不如偏置机＋普通电机的效果好，甚至无节能效果。
在模拟试验井上进行了节能抽油机＋节能电机＋节电箱的组合评价试验。
试验表明，双驴头抽油机＋节能电机＋调压箱的叠加效果低于双驴头抽油机＋YMJ电机＋普通控制箱的节能效果。原因在于节能电机及节电箱都是在电参数上进行了改进或优化，叠加使用时因功能重复而互补性少甚至相互抵消。
3.2供液不足井的节能降耗
在供液不足井上应用抽油机智能间歇节电控制装置，该装置是利用短波吸收原理，自动采集出液管内的气液比，当出液管内的气液比大于75％时整时停机。CJZ-I抽油机智能间歇节电控制装置试验结果见表3。
表3供液不足井不同生产方式生产状况对比表
生产方式 平均日生产时间(h) 平均日产油(t/d-1) 平均耗电量 ( kw·h)
连续生产 24 1.3 118
智能间抽 7.8 1.7 68
差值 -16.2 0.4 -50
统计有对比资料的8口井，智能间抽时平均日产油比连续生产时上升0.4t/d，平均日耗电量比连续生产时下降50kw·h。不仅达到了增油降耗的目的，而且解决了因液面抽空造成抽油泵干磨，使检泵周期缩短的问题，使生产管理更具科学性。
4结论与认识
①目前应用的节能产品在不同井况下其节能效果有很大的差别，电机的负荷率越低，节能效果越好，反之越差。②新区方案设计应以节能抽油机为主，节能型拖动装置为辅，并且其匹配要合理。③对于供液不足井，宜采用调速电机、智能间抽技术，可以取得较好的节能效果。统计资料显示，智能间抽时平均日产油比连续生产时上升0.4t/d，平均日耗电量下降50kW·h。
參考文献：
[1]刘洪智，郭东．异形游梁式抽油机．北京：石油工业出版社，1997.2-7
[2]邻亦炯，刘卓钧，赵贵祥等．抽油机．北京：石油工业出版社，1994.25-28
[3]张植保．电机原理与应用．北京：化学工业出版社，2006.94-100
[4]吴浩烈．电机及电力拖动基础．重庆：重庆大学出版社，1996.112-115
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。