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摘要：石油天然氣采集過程既是能源生產(chǎn)過程，寸也是能源大量消耗過程。其中，抽油機(jī)能耗占整個能源消耗比例的1／3，其年耗電量超過1．0xl（FkW，同時能源效率最高僅為23％左右。如何降低抽油機(jī)的能耗一直是油氣行業(yè)的難題。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，安裝在井口的各種傳感器采集了大量的油氣生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)，為利用大數(shù)據(jù)技術(shù)研究抽油機(jī)節(jié)能降耗方法提供了有利條件，同時也帶來了新的能耗問題。本文對抽油機(jī)能耗進(jìn)行分析，概述了游梁式抽油機(jī)井工作原理及主流節(jié)能降耗技術(shù)，包括：改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)、＇添加光桿減震器或減載器等額外控制裝置、改進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、調(diào)整抽油機(jī)、基于回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)APEA2算法捜索最優(yōu)操作參數(shù)、示功圖壓縮等方法，指出了新技術(shù)在此領(lǐng)域應(yīng)用的方向。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)；物聯(lián)網(wǎng)；示功圖

〇引言

游梁式抽油機(jī)井是覆蓋范圍最廣的油井類型，中國內(nèi)陸地區(qū)90％的油井均為游梁式抽油機(jī)井。其能耗占整個能源消耗比例的1／3。因其數(shù)量巨大每年耗電量超過1．0xKFkW，同時能源效率最高僅為23％左右，如何降低抽油機(jī)能耗、提高能源效率是亟待解決的問題。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為加快推進(jìn)油氣田生產(chǎn)信息化建設(shè)，實現(xiàn)信息化與工業(yè)化的融合，提髙油氣生產(chǎn)管理水平，確保安全生產(chǎn)，各石油企業(yè)先后建設(shè)大量信息化系統(tǒng)。信息化系統(tǒng)依賴的機(jī)器儀表以及系統(tǒng)每天產(chǎn)生數(shù)據(jù)的傳輸和存儲又會耗費大量的資源，如何降低這部分能耗是擺在油氣企業(yè)面前的難題。本文對游梁式抽油機(jī)井能耗進(jìn)行原理分析，綜述主流的節(jié)能降耗方法，希望對抽油機(jī)降耗的研究人員起到引路的作用。

1游梁式抽油機(jī)能耗分析

現(xiàn)階段，梁式抽油機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、可靠耐用、維護(hù)方便等特點，已經(jīng)使用15＃年。由于梁式抽油機(jī)平面四連桿機(jī)構(gòu)的固有特點，盡管其具備出色的扭矩平衡特性，但實際生產(chǎn)中仍存在平衡效果差、負(fù)扭矩、齒輪箱扭矩波動較大￣工作效率逐漸降低、能耗不斷增加、“大馬拉小車”等現(xiàn)象。梁式抽油機(jī)的系統(tǒng)效率大部分低于30％，有極大的優(yōu)化改進(jìn)空間。除抽油機(jī)的能耗效率外，為了實時監(jiān)控抽油機(jī)井的工作狀態(tài)而安裝的抽油機(jī)輔助生產(chǎn)設(shè)備的能耗也日漸攀升。包括示功圖、變頻器、溫度、壓力等相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)的采集，傳輸與存儲。抽油機(jī)井大部分地處偏遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸需要自建通訊基站來完成。采集參數(shù)中數(shù)據(jù)量最大的示功圖，因采集頻度高、抽油機(jī)數(shù)量龐大，每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常巨大，按4．0xlO5口抽油機(jī)井計算，每幅功圖通訊時約需要20kbpS帶寬。對于地處偏遠(yuǎn)無公網(wǎng)的油井來說，需要自建基站來滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅珖某橛蜋C(jī)示功儀每年約耗電14400kwh，每臺示功儀需要3年更換一次電池。．以示功圖數(shù)據(jù)為代表的采集參數(shù)造成的能耗問題，亦有很大的提升空間。要提升抽油機(jī)工作效率，降低能耗，要從抽油機(jī)的工作原理人手。

2游梁式抽油機(jī)工作原理

抽油機(jī)的核心部件是由齒輪箱軸、曲柄與連桿連接點、連桿與游梁連接點、支架軸之間的連接線組成的平面四連桿機(jī)構(gòu)。該平面四連桿機(jī)構(gòu)具有將變速箱的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為操作井下泵所需的往復(fù)運動，它的幾何參數(shù)和動力學(xué)特性對抽油機(jī)的工作性能有著極其重要的影響。梁式抽油機(jī)的平面四連桿機(jī)構(gòu)具有出色的扭矩平衡特性，但實際生產(chǎn)中仍存在平衡效果差、負(fù)扭矩、齒輪箱扭矩波動較大、工作效率逐漸降低、能耗不斷增加，“大馬拉小車”等現(xiàn)象。梁式抽油機(jī)的系統(tǒng)效率大部分低于30％，有極大的優(yōu)化改進(jìn)空間。從原理出發(fā)，下面從改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)、添加額外控制裝置、改進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、調(diào)整抽油機(jī)參數(shù)及新技術(shù)在此領(lǐng)域的應(yīng)用這幾方面對抽油機(jī)節(jié)能降耗技術(shù)進(jìn)行分析。

3游梁式抽油機(jī)節(jié)能方法淺析

為了提高梁式抽油機(jī)的系統(tǒng)效率、節(jié)約能耗，國內(nèi)外研究學(xué)者從多個方面人手，取得了重要的研究成果。

3．1改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)

通過改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)來加強(qiáng)平衡，節(jié)約能耗的典型方法異相梁式抽油機(jī)，又稱偏置型抽油機(jī)，它具備良好的性能和耗電量低等特點。異相梁式抽油機(jī)與一般的梁式抽油機(jī)的區(qū)別主要是它的變速箱和支架是偏離的且曲柄中心線與平衡塊的中心線有個相位角。這種設(shè)計使曲柄設(shè)計降低了上沖程的載荷和加速度，減小齒輪箱的峰值扭矩，達(dá)到了節(jié)能降耗的效果＇異性游梁式抽油機(jī)，包括雙驢頭抽油機(jī)、彎游梁抽油機(jī)和其他基于常規(guī)游梁式抽油機(jī)改進(jìn)的機(jī)型。其中，雙驢頭抽油機(jī)自投入使用以來，其應(yīng)用效果表明節(jié)能率約為20％￣30％［46］。這種抽油機(jī)由于采用變徑圓弧的游梁后臂，使其實現(xiàn)負(fù)載大時平衡力矩大，負(fù)載小時平衡力矩小的工作狀態(tài)，從而降低光桿扭矩，達(dá)到加強(qiáng)平衡、降低能耗的目的。這種在機(jī)械結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)的抽油機(jī)具有很好的節(jié)能效果，在國內(nèi)大多數(shù)油田都有廣泛的應(yīng)用。但是，這種節(jié)能方法只適用于安裝抽油機(jī)之前抽油機(jī)的選型階段，對于已安裝投產(chǎn)的抽油機(jī)不太適用。

3．2添加額外控制裝置

梁式抽油機(jī)的基本原理是驅(qū)動光桿做上下往復(fù)運動，光桿的載荷包括抽油桿和流體的重力、慣性載荷、震動載荷、摩擦載荷和光桿的彈性力等。降低光桿的載荷是提高梁式抽油機(jī)性能的一種有效方法，具體方法包括加裝光桿減震器和減速器等。

3．2．1光桿減震器

光桿減震器能在光桿運動過程中起到緩沖作用，能有效抑制震動載荷和摩擦載荷，還能提高桿柱的使用壽命。研究人員設(shè)計了不同類型的減震器，如螺旋彈簧【7］、碟形彈簧［8＇橡膠彈簧m或空氣彈簧？。大慶油田研發(fā)的空氣彈簧減震器具有出色的減載節(jié)能效果，并且使用壽命優(yōu)于其他類型的光桿減震器，如用空氣彈簧減震器顯示指示圖，最大拋光桿負(fù)荷下降了16．1％，系統(tǒng)效率提高了9．58％？。目前，金屬彈簧和橡膠彈簧的使用壽命一般不超過3個月，而空氣彈簧的使用壽命為6￣12個月。減震器由于使用壽命過短，并沒有在實際生產(chǎn)中得到大規(guī)模應(yīng)用。

3．2．2減載器

如圖3所示，減速器工作時，減速器上下兩端分別位于不同的壓力系統(tǒng)（套管和油管）中。在上沖程階段，減速器通過壓差驅(qū)動抽油桿向上運動；在下沖程中，減載機(jī)由于抽油桿的重量而向下行駛。這樣，達(dá)到了減少光桿負(fù)荷的目的。

3．3改進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)

變速驅(qū)動技術(shù)研究經(jīng)歷了多個階段，從初期的抽油機(jī)自動關(guān)閉控制方法？，到后來的抽液速度控制方法m和降低沖程兩段速度的方法再到整個沖程階段的速度調(diào)節(jié)。最新的研究結(jié)果可以利用變速驅(qū)動技術(shù)來設(shè)計最優(yōu)的抽油機(jī)整個沖程中電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線，以便更充分地降低光桿載荷、較少的抽油機(jī)能耗。Palka［16］提出了一種方法，通過在單次沖程周期內(nèi)快速改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以提高產(chǎn)量，同時減少抽油桿內(nèi)的應(yīng)力和電機(jī)能耗叫81。現(xiàn)場試驗表明，抽油效率和產(chǎn)量得到顯著提高。此外，這種變頻驅(qū)動技術(shù)可以防止泵過載，降低故障率。然而，在油田應(yīng)用過程中，由于運動部件加速所引起的慣性載荷使平衡度發(fā)生了變化，會出現(xiàn)下沖程的最大扭矩比上沖程的還大的情況，這種情況可能會損壞變速箱。中國石油青海油田采油一廠采用新型矢量控制變頻交流驅(qū)動控制技術(shù)，不僅能大幅度提高抽油機(jī)電機(jī)的功率因數(shù)，還能動態(tài)調(diào)整電機(jī)電流、電壓和頻率。在尕斯中南采油區(qū)20口抽油機(jī)井上的試驗表明，這種電機(jī)變頻技術(shù)，使得抽油機(jī)的功率因數(shù)全部達(dá)到0．96以上，節(jié)能效果非常顯著網(wǎng)。

3．4調(diào)整抽油機(jī)參數(shù)

自動調(diào)節(jié)梁式抽油機(jī)生產(chǎn)參數(shù)也是最有效的節(jié)能手段之一。例如自動調(diào)節(jié)沖次、配重、扭矩等。1）自動調(diào)節(jié)沖次。對于高產(chǎn)井來說，提高沖次通常能提高石油的生產(chǎn)效率。但是，在采油的后期階段，采出的石油的價值并不比開采所消耗的電力成本高，從經(jīng)濟(jì)上來說這是無法接受的。針對這個問題，已經(jīng)有研究學(xué)者提出一些解決辦法。文獻(xiàn)［19］提出了一種新型的電力控制策略，為抽油機(jī)的節(jié)能提供了一種有效的方法。文獻(xiàn)［20］引人了雙脈沖寬度調(diào)制變頻器，能使抽油桿以“慢升快降”的模式運行。2）自動調(diào)節(jié)配重。梁式抽油機(jī)的平衡偏差對節(jié)能也很重要。一旦抽油機(jī)是完全平衡的，它不僅有利于安全生產(chǎn)，還可以在下沖程過程中將電機(jī)多余的能量轉(zhuǎn)化為配重塊的重力勢能，在上沖程過程中利用配重塊的重力勢能進(jìn)行抽油舉升。相反，如果梁式抽油機(jī)的平衡不合理，馬達(dá)就必須消耗更多的能量，將一部分轉(zhuǎn)換成抽油機(jī)的振動和噪聲。文獻(xiàn)［21］提出的能量反饋裝置和文獻(xiàn)［22］設(shè)計的新式橫梁，都能有效地解決梁式抽油機(jī)的平衡問題，但是這些裝置的不足是成本較高。在實際應(yīng)用中，有幾種可用于檢測平衡程度的可選方法，如峰值電流、總功率消耗，以及上下沖程之間的峰值扭矩。利用這些參數(shù)構(gòu)建自動平衡度評估系統(tǒng)，具有較高的實用價值。中國石油長慶油田從2012年以來，先后在第三采油廠和第六采油廠安裝了50臺數(shù)字化抽油機(jī)，這種抽油機(jī)能根據(jù)采集的電流、電壓、功率、頻率、功率因數(shù)、示功圖、沖程、沖次、平衡度等參數(shù)，自動調(diào)節(jié)自身運行狀態(tài)。現(xiàn)場試驗證明，這種數(shù)字化抽油機(jī)能提高系統(tǒng)效率6．47％，節(jié)電率達(dá)到18．2％［24］。綜上所述，抽油機(jī)技術(shù)正朝著低能耗、高效率、自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制技術(shù)、自動化和智能控制裝置等數(shù)字化抽油機(jī)的方向發(fā)展。

3．5其它智能手段

近年來，大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在語音識別、指紋識別、人臉識別、無人駕駛等領(lǐng)域都取得了突破性的進(jìn)展，然而在石油天然氣行業(yè)仍處于起步階段。從2013年以來，在國家政策的積極推進(jìn)下，中國油氣企業(yè)的信息化程度逐步提高，與之相關(guān)的大數(shù)據(jù)、人工智能應(yīng)用也不斷涌現(xiàn)出來。以下是國內(nèi)外一些學(xué)者將這些新技術(shù)用于抽油機(jī)生產(chǎn)的一些嘗試。Gu等提出的一種基于智能計算的方法，首先采用一般的回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GRNN）獲得梁式抽油機(jī)的最佳模型，然后使用改進(jìn)的SPEA2算法搜索最優(yōu)操作參數(shù)。實驗中建立了61套最優(yōu)參數(shù)，結(jié)果表明，在最優(yōu)參數(shù)下，獲得了增加5．34％的產(chǎn)油量，并節(jié)省了3．75％以上的能耗［25］。因此，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)之上，通過人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)研究抽油機(jī)節(jié)能降耗方法是有必要、可實現(xiàn)的；也是構(gòu)建智能油田，實現(xiàn)節(jié)能減排的必然發(fā)展方向。當(dāng)然，這些技術(shù)的興起也給油田帶來了新的能耗問題。下面對其主要能耗設(shè)備進(jìn)行淺析。

4主要耗能自動化設(shè)備能耗問題

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在抽油機(jī)上安裝傳感器進(jìn)行實時工況監(jiān)控成為保證安全生產(chǎn)的重要手段之一，隨之也帶來了新的能耗問題。其中，抽油機(jī)示功圖數(shù)據(jù)幾乎是所有其它數(shù)據(jù)占用資源的總和，故選擇對示功圖數(shù)據(jù)作為研究對紐行分析。

4．1不功圖原理

對抽油機(jī)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集形成抽油機(jī)示功圖，通過對示功圖數(shù)據(jù)的計算、處理和分析，實現(xiàn)對抽油機(jī)井遠(yuǎn)程監(jiān)視、工況診斷和計量。計量數(shù)據(jù)也可進(jìn)一步應(yīng)用于產(chǎn)量預(yù)測由于該技術(shù)價格低廉，可實現(xiàn)對傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的改變，減少人工成本，提高生產(chǎn)效率，近年來在石油生產(chǎn)中得到了迅速的發(fā)展和廣泛的使用［28］。用來表示懸點載荷與位移關(guān)系的示功圖稱為地面示功圖或光桿示功圖［29i，是由載荷隨位移的變化關(guān)系曲線所構(gòu)成的封閉曲線圖。在實際情況下，有多種因素影響示功圖的形狀，但每幅示功圖都有其主要影響因素，所以示功圖的形狀反映著主要因素影響下的IE況特征，利用示功圖在不同因素影響下表現(xiàn)出來的特征可以進(jìn)行產(chǎn)量計算和故障分析。

4．2示功儀節(jié)能方法

目前，每口井每半小時需要采集一幅示功圖，每幅示功圖需要分別存儲載荷和位移數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)約200￣300個實數(shù)，共需要存儲500￣600個實數(shù)，每個實數(shù)通常要求保留到小數(shù)點后6位。每幅功圖通信時需要占用帶寬20kbps，對于比較偏遠(yuǎn)的抽油機(jī)井來說，需要石油企業(yè)自建基站來完成數(shù)據(jù)的傳輸，這個費用是非常高昂的。而長期傳輸大批量的數(shù)據(jù)，也會造成相關(guān)設(shè)備的能耗。針對此現(xiàn)狀，文獻(xiàn)［30］將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于油氣生產(chǎn)領(lǐng)域，提出了一種抽油機(jī)示功圖數(shù)據(jù)無損壓縮存儲方法，取得了比傳統(tǒng)方法更好的效果。綜上所述，將示功圖數(shù)據(jù)進(jìn)行有效壓縮，使用實時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，且將實時數(shù)據(jù)點的費用降在可接受的范圍內(nèi)，既可加快處理速度，也可大大節(jié)約投資和能耗，并且可以節(jié)約通信信道，將基站數(shù)量降低，亦可以延長電池的使用綠

5結(jié)束語

梁式抽油機(jī)的耗能主要包括抽油機(jī)本身耗能和由于自動化程度的提高安裝的物聯(lián)設(shè)備及傳輸設(shè)備的耗能。本文概述了主流節(jié)能降耗的技術(shù)及方法，對每種技術(shù)的優(yōu)劣給出了簡要的分析。隨著窄帶物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)的興起，在低成本物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的大環(huán)境下，希望本文能為新技術(shù)應(yīng)用于油田的探索起到奠基石的作用。

作者：李金諾；胥小馬；李群；王從鑌 單位：中國石油勘探開發(fā)研究院