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探究抽油机节能降耗技术

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摘要:石油天然气采集过程既是能源生产过程,寸也是能源大量消耗过程。其中,抽油机能耗占整个能源消耗比例的1/3,其年耗电量超过1.0xl(FkW,同时能源效率最高仅为23%左右。如何降低抽油机的能耗一直是油气行业的难题。近年来,随着物联网技术的发展,安装在井口的各种传感器采集了大量的油气生产相关的数据,为利用大数据技术研究抽油机节能降耗方法提供了有利条件,同时也带来了新的能耗问题。本文对抽油机能耗进行分析,概述了游梁式抽油机井工作原理及主流节能降耗技术,包括:改进机械结构、'添加光杆减震器或减载器等额外控制装置、改进电机驱动技术、调整抽油机、基于回归神经网络改进APEA2算法捜索最优操作参数、示功图压缩等方法,指出了新技术在此领域应用的方向。

关键词:抽油机;物联网;示功图

〇引言

游梁式抽油机井是覆盖范围最广的油井类型,中国内陆地区90%的油井均为游梁式抽油机井。其能耗占整个能源消耗比例的1/3。因其数量巨大每年耗电量超过1.0xKFkW,同时能源效率最高仅为23%左右,如何降低抽油机能耗、提高能源效率是亟待解决的问题。同时,随着物联网技术的发展,为加快推进油气田生产信息化建设,实现信息化与工业化的融合,提髙油气生产管理水平,确保安全生产,各石油企业先后建设大量信息化系统。信息化系统依赖的机器仪表以及系统每天产生数据的传输和存储又会耗费大量的资源,如何降低这部分能耗是摆在油气企业面前的难题。本文对游梁式抽油机井能耗进行原理分析,综述主流的节能降耗方法,希望对抽油机降耗的研究人员起到引路的作用。

1游梁式抽油机能耗分析

现阶段,梁式抽油机因其结构简单、可靠耐用、维护方便等特点,已经使用15#年。由于梁式抽油机平面四连杆机构的固有特点,尽管其具备出色的扭矩平衡特性,但实际生产中仍存在平衡效果差、负扭矩、齿轮箱扭矩波动较大 ̄工作效率逐渐降低、能耗不断增加、“大马拉小车”等现象。梁式抽油机的系统效率大部分低于30%,有极大的优化改进空间。除抽油机的能耗效率外,为了实时监控抽油机井的工作状态而安装的抽油机辅助生产设备的能耗也日渐攀升。包括示功图、变频器、温度、压力等相关生产参数的采集,传输与存储。抽油机井大部分地处偏远,数据传输需要自建通讯基站来完成。采集参数中数据量最大的示功图,因采集频度高、抽油机数量庞大,每天产生的数据量非常巨大,按4.0xlO5口抽油机井计算,每幅功图通讯时约需要20kbpS带宽。对于地处偏远无公网的油井来说,需要自建基站来满足数据传输的需求,全国的抽油机示功仪每年约耗电14400kwh,每台示功仪需要3年更换一次电池。.以示功图数据为代表的采集参数造成的能耗问题,亦有很大的提升空间。要提升抽油机工作效率,降低能耗,要从抽油机的工作原理人手。

2游梁式抽油机工作原理

抽油机的核心部件是由齿轮箱轴、曲柄与连杆连接点、连杆与游梁连接点、支架轴之间的连接线组成的平面四连杆机构。该平面四连杆机构具有将变速箱的旋转运动转化为操作井下泵所需的往复运动,它的几何参数和动力学特性对抽油机的工作性能有着极其重要的影响。梁式抽油机的平面四连杆机构具有出色的扭矩平衡特性,但实际生产中仍存在平衡效果差、负扭矩、齿轮箱扭矩波动较大、工作效率逐渐降低、能耗不断增加,“大马拉小车”等现象。梁式抽油机的系统效率大部分低于30%,有极大的优化改进空间。从原理出发,下面从改进机械结构、添加额外控制装置、改进电机驱动技术、调整抽油机参数及新技术在此领域的应用这几方面对抽油机节能降耗技术进行分析。

3游梁式抽油机节能方法浅析

为了提高梁式抽油机的系统效率、节约能耗,国内外研究学者从多个方面人手,取得了重要的研究成果。

3.1改进机械结构

通过改进机械结构来加强平衡,节约能耗的典型方法异相梁式抽油机,又称偏置型抽油机,它具备良好的性能和耗电量低等特点。异相梁式抽油机与一般的梁式抽油机的区别主要是它的变速箱和支架是偏离的且曲柄中心线与平衡块的中心线有个相位角。这种设计使曲柄设计降低了上冲程的载荷和加速度,减小齿轮箱的峰值扭矩,达到了节能降耗的效果'异性游梁式抽油机,包括双驴头抽油机、弯游梁抽油机和其他基于常规游梁式抽油机改进的机型。其中,双驴头抽油机自投入使用以来,其应用效果表明节能率约为20% ̄30%[46]。这种抽油机由于采用变径圆弧的游梁后臂,使其实现负载大时平衡力矩大,负载小时平衡力矩小的工作状态,从而降低光杆扭矩,达到加强平衡、降低能耗的目的。这种在机械结构上进行改进的抽油机具有很好的节能效果,在国内大多数油田都有广泛的应用。但是,这种节能方法只适用于安装抽油机之前抽油机的选型阶段,对于已安装投产的抽油机不太适用。

3.2添加额外控制装置

梁式抽油机的基本原理是驱动光杆做上下往复运动,光杆的载荷包括抽油杆和流体的重力、惯性载荷、震动载荷、摩擦载荷和光杆的弹性力等。降低光杆的载荷是提高梁式抽油机性能的一种有效方法,具体方法包括加装光杆减震器和减速器等。

3.2.1光杆减震器

光杆减震器能在光杆运动过程中起到缓冲作用,能有效抑制震动载荷和摩擦载荷,还能提高杆柱的使用寿命。研究人员设计了不同类型的减震器,如螺旋弹簧【7]、碟形弹簧[8'橡胶弹簧m或空气弹簧?。大庆油田研发的空气弹簧减震器具有出色的减载节能效果,并且使用寿命优于其他类型的光杆减震器,如用空气弹簧减震器显示指示图,最大抛光杆负荷下降了16.1%,系统效率提高了9.58%?。目前,金属弹簧和橡胶弹簧的使用寿命一般不超过3个月,而空气弹簧的使用寿命为6 ̄12个月。减震器由于使用寿命过短,并没有在实际生产中得到大规模应用。

3.2.2减载器

如图3所示,减速器工作时,减速器上下两端分别位于不同的压力系统(套管和油管)中。在上冲程阶段,减速器通过压差驱动抽油杆向上运动;在下冲程中,减载机由于抽油杆的重量而向下行驶。这样,达到了减少光杆负荷的目的。

3.3改进电机驱动技术

变速驱动技术研究经历了多个阶段,从初期的抽油机自动关闭控制方法?,到后来的抽液速度控制方法m和降低冲程两段速度的方法再到整个冲程阶段的速度调节。最新的研究结果可以利用变速驱动技术来设计最优的抽油机整个冲程中电机的转速曲线,以便更充分地降低光杆载荷、较少的抽油机能耗。Palka[16]提出了一种方法,通过在单次冲程周期内快速改变电机转速,可以提高产量,同时减少抽油杆内的应力和电机能耗叫81。现场试验表明,抽油效率和产量得到显著提高。此外,这种变频驱动技术可以防止泵过载,降低故障率。然而,在油田应用过程中,由于运动部件加速所引起的惯性载荷使平衡度发生了变化,会出现下冲程的最大扭矩比上冲程的还大的情况,这种情况可能会损坏变速箱。中国石油青海油田采油一厂采用新型矢量控制变频交流驱动控制技术,不仅能大幅度提高抽油机电机的功率因数,还能动态调整电机电流、电压和频率。在尕斯中南采油区20口抽油机井上的试验表明,这种电机变频技术,使得抽油机的功率因数全部达到0.96以上,节能效果非常显著网。

3.4调整抽油机参数

自动调节梁式抽油机生产参数也是最有效的节能手段之一。例如自动调节冲次、配重、扭矩等。1)自动调节冲次。对于高产井来说,提高冲次通常能提高石油的生产效率。但是,在采油的后期阶段,采出的石油的价值并不比开采所消耗的电力成本高,从经济上来说这是无法接受的。针对这个问题,已经有研究学者提出一些解决办法。文献[19]提出了一种新型的电力控制策略,为抽油机的节能提供了一种有效的方法。文献[20]引人了双脉冲宽度调制变频器,能使抽油杆以“慢升快降”的模式运行。2)自动调节配重。梁式抽油机的平衡偏差对节能也很重要。一旦抽油机是完全平衡的,它不仅有利于安全生产,还可以在下冲程过程中将电机多余的能量转化为配重块的重力势能,在上冲程过程中利用配重块的重力势能进行抽油举升。相反,如果梁式抽油机的平衡不合理,马达就必须消耗更多的能量,将一部分转换成抽油机的振动和噪声。文献[21]提出的能量反馈装置和文献[22]设计的新式横梁,都能有效地解决梁式抽油机的平衡问题,但是这些装置的不足是成本较高。在实际应用中,有几种可用于检测平衡程度的可选方法,如峰值电流、总功率消耗,以及上下冲程之间的峰值扭矩。利用这些参数构建自动平衡度评估系统,具有较高的实用价值。中国石油长庆油田从2012年以来,先后在第三采油厂和第六采油厂安装了50台数字化抽油机,这种抽油机能根据采集的电流、电压、功率、频率、功率因数、示功图、冲程、冲次、平衡度等参数,自动调节自身运行状态。现场试验证明,这种数字化抽油机能提高系统效率6.47%,节电率达到18.2%[24]。综上所述,抽油机技术正朝着低能耗、高效率、自适应调节控制技术、自动化和智能控制装置等数字化抽油机的方向发展。

3.5其它智能手段

近年来,大数据、人工智能技术在互联网企业已经得到了广泛的应用,在语音识别、指纹识别、人脸识别、无人驾驶等领域都取得了突破性的进展,然而在石油天然气行业仍处于起步阶段。从2013年以来,在国家政策的积极推进下,中国油气企业的信息化程度逐步提高,与之相关的大数据、人工智能应用也不断涌现出来。以下是国内外一些学者将这些新技术用于抽油机生产的一些尝试。Gu等提出的一种基于智能计算的方法,首先采用一般的回归神经网络(GRNN)获得梁式抽油机的最佳模型,然后使用改进的SPEA2算法搜索最优操作参数。实验中建立了61套最优参数,结果表明,在最优参数下,获得了增加5.34%的产油量,并节省了3.75%以上的能耗[25]。因此,在物联网技术基础之上,通过人工智能、大数据技术研究抽油机节能降耗方法是有必要、可实现的;也是构建智能油田,实现节能减排的必然发展方向。当然,这些技术的兴起也给油田带来了新的能耗问题。下面对其主要能耗设备进行浅析。

4主要耗能自动化设备能耗问题

随着物联网技术的发展,在抽油机上安装传感器进行实时工况监控成为保证安全生产的重要手段之一,随之也带来了新的能耗问题。其中,抽油机示功图数据几乎是所有其它数据占用资源的总和,故选择对示功图数据作为研究对紐行分析。

4.1不功图原理

对抽油机的生产数据进行实时采集形成抽油机示功图,通过对示功图数据的计算、处理和分析,实现对抽油机井远程监视、工况诊断和计量。计量数据也可进一步应用于产量预测由于该技术价格低廉,可实现对传统生产方式的改变,减少人工成本,提高生产效率,近年来在石油生产中得到了迅速的发展和广泛的使用[28]。用来表示悬点载荷与位移关系的示功图称为地面示功图或光杆示功图[29i,是由载荷随位移的变化关系曲线所构成的封闭曲线图。在实际情况下,有多种因素影响示功图的形状,但每幅示功图都有其主要影响因素,所以示功图的形状反映着主要因素影响下的IE况特征,利用示功图在不同因素影响下表现出来的特征可以进行产量计算和故障分析。

4.2示功仪节能方法

目前,每口井每半小时需要采集一幅示功图,每幅示功图需要分别存储载荷和位移数据,每组数据约200 ̄300个实数,共需要存储500 ̄600个实数,每个实数通常要求保留到小数点后6位。每幅功图通信时需要占用带宽20kbps,对于比较偏远的抽油机井来说,需要石油企业自建基站来完成数据的传输,这个费用是非常高昂的。而长期传输大批量的数据,也会造成相关设备的能耗。针对此现状,文献[30]将大数据技术应用于油气生产领域,提出了一种抽油机示功图数据无损压缩存储方法,取得了比传统方法更好的效果。综上所述,将示功图数据进行有效压缩,使用实时数据库进行存储,且将实时数据点的费用降在可接受的范围内,既可加快处理速度,也可大大节约投资和能耗,并且可以节约通信信道,将基站数量降低,亦可以延长电池的使用綠

5结束语

梁式抽油机的耗能主要包括抽油机本身耗能和由于自动化程度的提高安装的物联设备及传输设备的耗能。本文概述了主流节能降耗的技术及方法,对每种技术的优劣给出了简要的分析。随着窄带物联网,大数据及人工智能技术的兴起,在低成本物联网建设的大环境下,希望本文能为新技术应用于油田的探索起到奠基石的作用。

作者:李金诺;胥小马;李群;王从镔 单位:中国石油勘探开发研究院

探究抽油机节能降耗技术责任编辑:张雨    阅读:人次