关于游梁抽油机最优应力最低冲程损失高泵效自动调参空抽控制运行举升系统的介绍

关于《游梁抽油机最低应力与冲程损失高泵效自动调参空抽控制举升系统》的介绍

1目前游梁式抽油机机械采油举升系统存在主要问题

游梁式抽油机是国内外石油工业的传统采油方式之一，在我国石油开采中有杆抽油系统一直占主导地位。在我国各油田中，大约80%以上的油井采用有杆抽油系统。游梁式抽油机以其结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位。但游梁式抽油机也存在很多缺点，如系统的效率低、能耗大、抽油冲次控制以及平衡性能差等。其中，游梁式抽油机的主要问题是能耗大，效率低。

游梁式抽油机的总效率在国内一般地区只有12%到23%。先进地区至今不到30%。美国的常规抽油机系统效率较高，但也仅有46%。系统效率低下，能耗大，耗能就多，以此，减耗提效成为有杆抽油系统的一个急需解决的问题。此外，随着老油田油井的注水开发，油田已经开始进入高含水采油期。不断提高产液量，以液保油，这是注水开采油田保证原油稳产的趋势。这种开采特点要求抽油机的冲程越长越好，冲次越低越好。但当前常规型游梁式抽油机型行程固定且偏小同时冲次调节困难，在一定程度上已经不能满足长冲程、低冲次生产的要求。

系统效率低的问题

究其原因，有杆抽油举升系统由电机地面传动设备及井下抽油设备组成，系统效率是各部分效率的连乘积，任何一环的效率低，都会使效率变低，因此要提高抽油机系统效率的总效率实现减耗是一个复杂的系统工程问题。

能耗大的主要问题

由于在同一工况、井况和同一时刻下，井下的能耗因地面游梁机型不同而会发生充满度、冲程损失，光杆功率的变化。致使抽油机能耗大的主要原因有： （1）抽油机的负荷特性与异步电动机的转矩特性不匹配，甚至出现“发电机”工况，出现二次能量转化。一般电动机的负载率过低，约为30%。致使电动机以较低的效率运行。电动机在一个冲程中的某个时段下落的抽油杆反向拖动，运行于再生发电状态，抽油杆下落所释放的机械能有部分转变成了电能回馈电网，但所回馈的电能不能全部被电网吸收，引起附加能量损失，同时负扭矩的存在使减速器的齿轮经常收反向载荷，产生背向冲击，降低了抽油机的使用寿命。 （2）常规抽油机的扭矩因数大，载荷波动系数CLF也大，故均方根扭矩大，能耗增加。

（3）常规抽油机运行的悬点加速度，速度最大值过大，影响悬点载荷，动载荷增大。采用对称循环工作制使充满度下降，影响产量，泵效率降低，能耗也增大。

（4）当前游梁抽油机都是驱动电机“大马拉小车”直接启动。因为抽油机是变载运行。启动扭矩和电流都很大。但运行负载又很小。电机是在较低效率下运行。 （5）由于常规抽油机是变载荷周期运行，机械冲击，疲劳失效是整个机采系统的先天缺欠。因此，机械故障与机件损坏维修费用增大了油田的生产成本。增大了消耗。

供液不足产生的问题

随着油田开发的不断进行，油井产能受到地质特征、油藏管理、采油工程、生产维护等多方面影响，当油层的供液量发生变化时，就需要对老油井抽汲参数优选，否则，当供液不足时，就会出现空抽现象使能耗增高。当供液充足时，抽汲强度偏低，就会限制油井的产液量。由于现有常规抽油机结构限制，无论冲程还是冲次的调节都不连续，很难达到理论要求。特别是低产低效井，调低冲次很困难。换多极电机和减速箱增加了费用消耗但如果井况变化还需调整。这两种方法成本高，不宜在现场使用。对比降低冲次的方案效果对比如表，使用变频调速是应用较多的方法。见表。

表：降低抽油机冲次的方案对比

适应性 设备更新可用12极电机,但不低速电机 有极调速 较高 适用热洗清蜡井 设备更新可用6/12极多速电多速电机 有极调速 较高 增加极数 机，电机效率低 大电机维修改造成双速电机改增极改造 有极调速 低 造后效率降低、性能变差，主要是噪音大。 电机结构复杂，可靠性差，低滑差电机 无极调速 高 速时损耗大、效率低。 增加转差率 液力偶合器 无极调速 高 不适宜 增加传动比 中间减速器 有极调速 较高 电机效率低、功率因数低 减少频率 变频调速柜 无极调速 高 调速方便，效果较明显 采用变频器虽然解决了常规抽油机冲次减少的问题。但仍然不能改变抽油机的运动规律和应力状态。只是相对减少了冲次，（降到2次以下稳定运行还是有困难的）。但原来的运动规律没有改变。应力，加速度，载荷变化都没有变。

2、针对以上问题，国内外在游梁式抽油机机械采油举升系统采用的改进或提高方法、主要技术措施、工作原理，各种方式存在的优点、不足。 国内各地区针对以上问题都采用了以下措施： 一．更换改进型游梁式

1. 采用异相式抽油机，改变抽油机的运动规律。降低上冲程的速度和加度。 改变每个运转周期的上下冲程的周期时间。部分改善了抽油机应力状况。但因为抽油机的原理和结构限制收效很小。没有得到广泛应用。

方案 项目 调速特点 价格

2. 采用了新的抽油机平衡结构。其中有游梁平衡和曲柄平衡等方案。但由

于没有真正的改变运行规律。虽然冲击载荷有了部分改善。但对井下工况没有根本解决。

二．更换抽油机电机

1. 稀土永磁同步电机

这是一种油田所用的新型抽油机电机，其效率和功率因素都优于一般异步电机。稀土永磁同步电机转子为稀土磁钢，采用异步启动，同步工作方式，转子转速与定子旋转磁场完全同步，无转差损耗，转子不需要外加励磁电源，消除了励磁损耗，具有起动力矩大、过载能力强、效率高、功率因数高等特点。与Y系列电机和超高转差相比稀土永磁电机节电明显，功率因数提高。但是电机本身是硬特性，运行中无转差，比Y系列电机还硬的机械特性，使负有功和功率最小值增加，加剧抽油机系统振动。和高转差电机比，没有消减振动载荷的能力，反而会增大对减速箱齿轮的冲击损害；釹铁硼材料本身的居里点只在120℃－130℃，一旦电机烧毁就会失磁；此外转子级数已定不能适用调参的需要实行变极调速。 2.高转差率电机

高转差率电机与Y系列电机相比，加大了转子电阻及转子损耗，使电机机械特性变“软”，减少了提拉速度和加速度，从而使抽油机系统的峰值阻力矩减少，降低了输出功率。缺点电机效率和功率因数低。其转差率靠提高转子电阻实现的，增加了滑差损耗，其输出功率降低，输入功率不一定降低。近些年，采油工艺的发展日趋于大冲程、低冲次，这种工艺本身就能最大限度的减少惯性负荷和振动负荷，因此超高转差率电机的应用范围被大大缩小。 二．其他解决方案

节能配电箱

节能配电箱主流产品有四大类：一类是实现自动调节电机工作电压的配电箱；另一类是实现自动调整电机接线方式变换电机工作功率；第三类是无功补偿的配电箱；第四类是变频配电箱。

①Y一△转换配电箱

Y一△转换适合功率利用率低、大马拉小车严重的抽油井使用。电机三角形启动后，再将定子绕组切换成星型接法运转。转换后平衡变差，如果角接时平衡性差，转换后平衡性更差，现场需要转换井平衡性好。

②可控硅调压节能箱

主要是采用单片机实时检测电机电压与电流之间的相位差变化，控制晶闸管的导通角，自动调节电机的供电电压，使电机在空载或轻载时降压运行从而达到提高功率因数，节能的目的。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无功补偿器

无功补偿器主要是采用加装一定容量的电容器对电网进行无功补偿，减少无

功电流来提高功率因数，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，效果一般，缺点是不能提高电机效率，也不能降低电机输入功率，功率因数提高到0.5～0.6，电容器容易损坏。

④变频控制器

变频控制柜是实现了电动机的软启动，对电网无冲击，电动机功率因数可由0. 25～0. 50 提高到0. 90以上，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了线损。操作方便，不需停产即可根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度。利用最新研制的四象限矢量控制变频调速器，配以过程控制、位置传感等技术改造现有的抽油机，可以部分实现油井节电、增效和增产，提高了部分有杆抽油系统的机采效率，但没有改变杆柱的应力和速度分布和悬点载荷变化规律。只考虑了地面的问题综合效果不明显。

现阶段，提高机采系统效率主要是地面节能，提高地面效率，除了调参工作外，提高井下效率工作开展的很少，而当前油田机采系统效率低主要问题是井下效率低，提高井下效率才是提高机采系统效率的主要工作。

国外在这方面具体有如下做法：

1. 在美国用大型计算机对一个区域的游梁抽油机运动状态进行运动分析。针对井下的高能力的供液，在对光杆允许的应力条件下进行最大能力的运行，来取得最大的采油量。这方面技术不适合我们的国情。

2. 在北美针对原有的抽油机进行机械运动的规律进行高转差电机应用的柔性化改造。降低冲击载荷延长机械设备的维护周期和设备运行寿命。增加了空抽报警器。在采液有问题时停止运行。减少无谓的磨损和能源的浪费。 2. 我们采取的技术方案原理、技术特点、技术优势、效果优势

通过对国内外游梁抽油机运行过程在井下运行状况的分析，国内目前能有一定效果的技术方法就是采用长冲程，低冲次的技术方案。但在现有的游梁抽油机机构和驱动系统不适应这个技术条件的要求。

我们针对上述问题，认为解决了游梁抽油机的系统效率的问题是关键。经过了认真的分析和研究。我们认为进行实验性的开发是最直接和最有针对性的最好方法。我们首先创造性的用先进的运动应力分析实验方法对现有的游梁抽油机举升系统的系统运行效率进行了科学的应力分析。找出了哪段周期位置速度数值对提效贡献大。那段时间加速度值对系统产生副作用。为此，我们设计制造了先进的游梁抽油机模拟实验测试设备。通过无数次的模拟，实验与测试，模拟出游梁抽油机举升系统在不同的运动状态的各种工况。通过对各种工况的因数分析。采用各种不同针对性的改变措施和手段。一一的解决了柱塞泵冲程损失，柱塞泵有效行程延长，井下气体对柱塞泵的液体充满度的不利影响和抽油机运动状态对井下供液不足的影响等针对性问题和解决方案。这些方案通过技术整理和运算。设计成功一个游梁抽油机最低应力举升运行方法。编制了一整套低应力举升系统的应用软件，应用先进的计算机系统控制。经过在大庆油田的采油五厂和采油二厂

油井上试用取得了满意的结果。

我们采用的这个方案在国内是非常先进的。（我们这套低应力举升系统同时可以自动对举升系统进行不停机动态调参，可以根据每次提升上来的液体多少来确定冲次的合理性，如果发现每次提升的液体没有保持标定时的采液量，将自动减低冲次，如果出现采液量低到预定的最低采液量时系统将自动停机。以保证该举升系统高效运行。该功能在国内还没有看到有成熟的使用先例。只这一项技术就是国内先进水平。）因为，在地面能把井上和井下的工况能全部能模拟出来的技术是非常难的。这需要有抽油机技术设计测试能力。柱塞泵设计能力。井下地质举升技术和抽油机运行驱动技术的多学科技术的支撑。而其中一个方面出问题也是不可能成功的。在国内不论在任何机构和单位都不可能同时具备以上各方面技术人才和技术水平。所以，因为以上原因使游梁抽油机举升系统效率提升改造问题迟迟没有得到解决的关键问题。 1. 柱塞泵的冲程损失的解决

柱塞泵冲程损失的产生因素是来自抽油机的光杆在运动中的应变伸长和抽油管由于被光杆压缩应变变形。这一项在游梁抽油机是一个原理上的缺欠。一般抽油机冲程损失都在0.3-1米左右。而抽油机冲程多数都是2-3米的冲程。该项占游梁抽油机举升效率很高的比例。解决了冲程损失就抓住了问题的核心。为解决其他降耗提供了必要保证。我们在模拟实验设备上进行无数次实验。找出了使光杆在能正常运行的而应变最小的力。用这个最小的力去标定抽油机的运行中速度和加速度。通过数学计算，用软件再现实验过程。从而解决了游梁抽油机的顽症---冲程损失的关键问题。 2. 解决了柱塞泵的充满度的问题

影响抽油泵的充满度因素有液体的沉没度，动液面，井下液体中气体溶解度和进液阀的开关大小及进液时间多少。沉没度和动液面是由抽油机的运动参数和地质条件而决定的。不能轻易改变。而井下液体中气体溶解度保持和进液时间是可以人为调整的。在柱塞泵进液时，柱塞的初始速度决定了进液腔的负压。负压大进液快，但负压加大了井下液体中气体的析出加大。由于气体的析出而产生了气堵。又产生了对充满度不利的副作用。所以，在柱塞泵进液时的柱塞初速度极其关键。进液量决定了充满度。没有冲满度，就不可能有高泵效。而这个参数的实验和井上的实测需要一一对应的比照和实际验证。通过模拟设备的实验到实井上的实测。确定了合理地抽吸速度和加速度数据组合。解决了这个充满度的难题。 3. 有效地解决了光杆的偏磨问题

光杆的偏磨在游梁抽油机的举升过程是一个有普遍性的问题。这个问题是

一个长期困扰采油工作者的问题。产生原因是光杆下行时由于井下液体的浮力和光杆重力相对应的原因。光杆下降是不能人为逼迫他加快下降速度的。如果不去考虑他们的相关因素就加速悬点下降速度。就会使光杆在油管中弯曲而磨檫损坏油管和光杆。使油井使用寿命降低。增加了经济损失。 我们在光杆下落时对光杆进行了牵拉。使光杆竖直下落与油管不接触。这种做法是即减少了光杆的偏磨。又降低了光杆的应力幅度。延长了光杆的使用寿命取得了一举三得的收获。 4. 降低了悬点的最大载荷

在保证最好的冲程损失，和最佳的充满度的前提下，我们适当地降低了悬点的载荷。通过降低悬点的载荷，减少了电机的消耗，减少了减速机的输出扭矩，改善了抽油机的运行特性。使抽油机在最柔和的状态下工作。基本上杜绝了冲击载荷的出现。使整个举升系统处于低载荷长寿命的运行态势。为油田高效安全生产提供了最大的保障。 5. 我们的系统实现了0.5-2次/分钟的最低冲次稳定运行

由于我们选用了先进的电器执行设备和最优化的控制理念。解决了游梁抽油机最低冲次运行的难题。实现了在油田举升系统最低冲次运行的先例。 6. 该系统解决了举升系统自动调参国内难题

通过对游梁抽油机举升系统的运行原理分析，我们创造性的设计了一套自动调参举升系统。我们在井口安装一个检测传感器。检测每次举升液体的多少。根据每次液体的举升多少来调节抽油机的每分钟冲次。使的油井能可靠地供采平衡。减少了由于空抽而浪费能源和对机件的的无谓磨损和损坏。提高了举升系统的经济性。

7. 该系统用运动中的加速度改善了抽油机的动态平衡

经过我们对抽油机运转速度和加速度修正后的调整。大大的改善了抽油机运行中由于原来人工调正平衡块不足的问题。使在不改变原来平衡块位置的前提下上下冲程的运行电流有了明显的改善。使机械运行过程更柔和顺畅。

8. 该系统控制单元可以使一般常规运行的抽油机空抽报警

该系统的控制单元安装到常规运行的抽油机开关柜上可以使该抽油机具有空抽控制功能。当出现空抽时可以自动报警停机。如果允许隔一段时间重新启动。它可以按要求再次启动运行。完全实现自动控制空抽运行。

3 根据抽油机市场的需求我们设计成功的产品

1. 具有自动调参，空抽报警全功能控制的《游梁抽油机最优应力自动调参

空抽控制运行举升系统》。该产品有三个产品。其中主要有不同的显示面板与操作器（控制器，传感器原理和驱动器的型号不同）。该系统有最优应力运行，根据每次抽油量的多少调整抽油机的单位时间的冲次。出现空抽时自动停机报警。本系统由控制器，传感器和调速驱动器组成。根据客户喜好来选购。

2. 空抽报警自动停机装置。该装置是安装到原来运行的游梁抽油机的开关

箱旁。与原开关箱启动按钮常闭点串联。当出现空抽时立即切断开关箱的运行自锁触点。点亮报警灯。使抽油机停止运行同时在远处可以看到停机报警灯闪动。该装置有控制器，传感器组成。

3. 空抽自动控制运行装置。该装置是在《空抽报警自动停机装置》上加装

了停机时间和自动启动功能。在安全运行允许的条件下自动根据井下供液停止时抽油机自动停机。当所设定的停机时间到达时该抽油机可以自动启动再次运行。运行时间由传感器发现空抽时运行停止。自动按周期运行。该装置有控制器和传感器组成。

4 现场测试案例 某采油厂

2015年2月3日测试结果和对比数据：

在2015年对采油厂装的低应力运行系统进行测试。具体测试数据和功图如下：

本次测试是对变频器更换了主板后的第一次测试。功图如下：

左图是冲次在1.8次的示功图。具体参数如下：

悬点最大拉力 4.56吨

悬点最小拉力 1.15 吨 冲次 1.8次/分钟 冲程 2.7米

充满度 2.7米 （100%）

左图是冲次在2.1次的示功图。具体参数如下：

悬点最大拉力 4.49吨 悬点最小拉力 1.19 吨 冲次 2.1次/分钟 冲程 2.7米

充满度 2.7米 （100%）

左图是冲次在1.9次的示功图。具体参数如下：

悬点最大拉力 4.55吨

悬点最小拉力 1.13 吨 冲次 1.9次/分钟 冲程 2.69米

充满度 2.7米 （100%）

左图是冲次在1.4次的示功图。具体参数如下：

悬点最大拉力 4.59吨

悬点最小拉力 0.55 吨 冲次 1.4次/分钟 冲程 2.69米

充满度 2.69米 （100%） 测试数据分析：

本次采用了最低应力运行技术的后的1.4冲次，1.8冲次，1.9冲次，2.1冲次的数据看此次的测试结果反映了该油井已经实现了井下液体的供采平衡工作状态。这是我们需要的结果。

此次测试与2015年1月15日的测试有了非常大的不同。冲次降低运行充满度有了非常大的提高。2015年1月15日的工频6.3次运行，低应力4.7次运行和2月3日的低应力2.1次运行的功图和数据对比如下：

原工频运行， 低应力控制4.7次运行 低应力控制2.1次运行

1，悬点最大拉力

4.9吨 4.12吨 4.49吨 2. 悬点最小拉力

0.5吨 1.16吨 1.19 吨 3. 冲次

6.3次/分钟 4.7次/分钟 2.1次/分钟 4. 冲程

2.88米 2.89米 2.7米 5. 充满度

0.5米 0.95米 2.7米

从以上的数据分析，低应力运行技术首先降低了悬点的最大载荷8.3%。由于降低了最大载荷，大大减少了冲程损失。从功图观察，该井原工频6.3次运行冲程损失约0.3米。而

低应力2.1次运行冲程损失非常微小。功图接近理论功图。

低应力运行提高了悬点的最小拉力。该项的改变减少了杆柱和抽油机的运行应力幅度。大大减少了系统的疲劳破坏的机会。对减速机起到了最好的保护。防止了齿轮的损坏。由于提高了最低拉力。提高了抽油机的上下冲程的平衡度。从抽油机的上下冲程的电流可以验证。 由于下冲程的拉力的提高。减少了杆柱偏磨的机会。

由于采用了低应力运行，充满度接近达到了100%。冲程损失非常之小。从充满度的角度进行计算;

原工频运行6.3次/分钟,每分钟6.3次，按0.5米充满度。因为泵径相同不参与计算。每分钟抽出0.5X6.3次=3.15米长液柱。

采用低应力2.1次冲次运行2.7X2.1次=5.67米液柱。 原工频6.3次冲次每分钟抽出3.15米长液柱。而低应力运行每分钟抽出5.67米长液柱。 （5.67米-3.15米=2.52米）

从上面的简单粗算。可以看出低应力运行的技术大大的提高了系统效率和延长了系统的工作寿命。不但能提高了运行效率还能极大的减少维护运营成本。

从1.4次到2,1次的运行参数来看。冲次的选择不是越低运行状态越好。冲次低了悬点最小拉力小了，增大应力幅度。降低了该光杆的疲劳寿命。增大了抽油机的不平衡载荷和减低了运行的稳定性。功图上的面积看总的做功有一定的减少。

以上所有分析都是粗算。有任何问题希望与相关专家进行深入交流。 附件是一月十五日的测试记录

联系电话：13804601541 QQ499412535 2015日2月4日

希望与采油工作者交流问题。有任何问题可以电话交流。 联系电话：宿伯萍 13804601541 小资料：

1999年我国抽油机井采油耗电1.05X10 1oKWh 占油气生产总用电比例的49.2%，年电费支出42亿。每台抽油机年维修费约3000元，全国抽油机年维护费用42亿。因抽油机维修影响油井产量约相当1.2亿。两项合计3.45亿。全国抽油机采油成本45.65亿。若每个抽油机按10KW计，每天全国抽油机耗电12X10。。。6KW。每年耗4.4X10.。。9 KWh .如果我们将抽油机效率提高15% 。年可以节约成本6.3亿。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3zvd.html