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摘要:石油天然氣采集過(guò)程既是能源生產(chǎn)過(guò)程,寸也是能源大量消耗過(guò)程。其中,抽油機(jī)能耗占整個(gè)能源消耗比例的1/3,其年耗電量超過(guò)1.0xl(FkW,同時(shí)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(lái),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(shí)也帶來(lái)了新的能耗問(wèn)題。本文對(duì)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(dòng)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(lèi)型,中國(guó)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(gè)能源消耗比例的1/3。因其數(shù)量巨大每年耗電量超過(guò)1.0xKFkW,同時(shí)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(wèn)題。同時(shí),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(shí)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(lài)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(chǔ)又會(huì)耗費(fèi)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(duì)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(duì)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(jiǎn)單、可靠耐用、維護(hù)方便等特點(diǎn),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(diǎn),盡管其具備出色的扭矩平衡特性,但實(shí)際生產(chǎn)中仍存在平衡效果差、負(fù)扭矩、齒輪箱扭矩波動(dòng)較大 ̄工作效率逐漸降低、能耗不斷增加、“大馬拉小車(chē)”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(shí)時(shí)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(chǔ)。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(lái)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(jì)算,每幅功圖通訊時(shí)約需要20kbpS帶寬。對(duì)于地處偏遠(yuǎn)無(wú)公網(wǎng)的油井來(lái)說(shuō),需要自建基站來(lái)滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅珖?guó)的抽油機(jī)示功儀每年約耗電14400kwh,每臺(tái)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(wèn)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(diǎn)、連桿與游梁連接點(diǎn)、支架軸之間的連接線(xiàn)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為操作井下泵所需的往復(fù)運(yùn)動(dòng),它的幾何參數(shù)和動(dòng)力學(xué)特性對(duì)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(shí)際生產(chǎn)中仍存在平衡效果差、負(fù)扭矩、齒輪箱扭矩波動(dòng)較大、工作效率逐漸降低、能耗不斷增加,“大馬拉小車(chē)”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(dòng)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(duì)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(guó)內(nèi)外研究學(xué)者從多個(gè)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(guò)改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)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(chēng)偏置型抽油機(jī),它具備良好的性能和耗電量低等特點(diǎn)。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(xiàn)與平衡塊的中心線(xiàn)有個(gè)相位角。這種設(shè)計(jì)使曲柄設(shè)計(jì)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(lái),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(shí)現(xiàn)負(fù)載大時(shí)平衡力矩大,負(fù)載小時(shí)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(guó)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(duì)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(dòng)光桿做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),光桿的載荷包括抽油桿和流體的重力、慣性載荷、震動(dòng)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中起到緩沖作用,能有效抑制震動(dòng)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(jì)了不同類(lèi)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(lèi)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?gòu)椈珊拖鹉z彈簧的使用壽命一般不超過(guò)3個(gè)月,而空氣彈簧的使用壽命為6 ̄12個(gè)月。減震器由于使用壽命過(guò)短,并沒(méi)有在實(shí)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(shí),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(guò)壓差驅(qū)動(dòng)抽油桿向上運(yùn)動(dòng);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(dòng)技術(shù)
變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究經(jīng)歷了多個(gè)階段,從初期的抽油機(jī)自動(dòng)關(guān)閉控制方法?,到后來(lái)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(gè)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(dòng)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)最優(yōu)的抽油機(jī)整個(gè)沖程中電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線(xiàn),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(guò)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(shí)減少抽油桿內(nèi)的應(yīng)力和電機(jī)能耗叫81。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(dòng)技術(shù)可以防止泵過(guò)載,降低故障率。然而,在油田應(yīng)用過(guò)程中,由于運(yùn)動(dòng)部件加速所引起的慣性載荷使平衡度發(fā)生了變化,會(huì)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(huì)損壞變速箱。中國(guó)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(dòng)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(dòng)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(yàn)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(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)沖次、配重、扭矩等。1)自動(dòng)調(diào)節(jié)沖次。對(duì)于高產(chǎn)井來(lái)說(shuō),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(jià)值并不比開(kāi)采所消耗的電力成本高,從經(jīng)濟(jì)上來(lái)說(shuō)這是無(wú)法接受的。針對(duì)這個(gè)問(wèn)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(yùn)行。2)自動(dòng)調(diào)節(jié)配重。梁式抽油機(jī)的平衡偏差對(duì)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(guò)程中將電機(jī)多余的能量轉(zhuǎn)化為配重塊的重力勢(shì)能,在上沖程過(guò)程中利用配重塊的重力勢(shì)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(dòng)和噪聲。文獻(xiàn)[21]提出的能量反饋裝置和文獻(xiàn)[22]設(shè)計(jì)的新式橫梁,都能有效地解決梁式抽油機(jī)的平衡問(wèn)題,但是這些裝置的不足是成本較高。在實(shí)際應(yīng)用中,有幾種可用于檢測(cè)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(dòng)平衡度評(píng)估系統(tǒng),具有較高的實(shí)用價(jià)值。中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田從2012年以來(lái),先后在第三采油廠和第六采油廠安裝了50臺(tái)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(dòng)調(diào)節(jié)自身運(yùn)行狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(dòng)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(lái),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(yǔ)音識(shí)別、指紋識(shí)別、人臉識(shí)別、無(wú)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(lái),在國(guó)家政策的積極推進(jìn)下,中國(guó)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(lái)。以下是國(guó)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(guò)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(shí)現(xiàn)的;也是構(gòu)建智能油田,實(shí)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(lái)了新的能耗問(wèn)題。下面對(duì)其主要能耗設(shè)備進(jìn)行淺析。
4主要耗能自動(dòng)化設(shè)備能耗問(wèn)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(shí)時(shí)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(lái)了新的能耗問(wèn)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(duì)示功圖數(shù)據(jù)作為研究對(duì)紐行分析。
4.1不功圖原理
對(duì)抽油機(jī)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集形成抽油機(jī)示功圖,通過(guò)對(duì)示功圖數(shù)據(jù)的計(jì)算、處理和分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)井遠(yuǎn)程監(jiān)視、工況診斷和計(jì)量。計(jì)量數(shù)據(jù)也可進(jìn)一步應(yīng)用于產(chǎn)量預(yù)測(cè)由于該技術(shù)價(jià)格低廉,可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)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(lái)表示懸點(diǎn)載荷與位移關(guān)系的示功圖稱(chēng)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(xiàn)所構(gòu)成的封閉曲線(xiàn)圖。在實(shí)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(lái)的特征可以進(jìn)行產(chǎn)量計(jì)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(shí)需要采集一幅示功圖,每幅示功圖需要分別存儲(chǔ)載荷和位移數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)約200 ̄300個(gè)實(shí)數(shù),共需要存儲(chǔ)500 ̄600個(gè)實(shí)數(shù),每個(gè)實(shí)數(shù)通常要求保留到小數(shù)點(diǎn)后6位。每幅功圖通信時(shí)需要占用帶寬20kbps,對(duì)于比較偏遠(yuǎn)的抽油機(jī)井來(lái)說(shuō),需要石油企業(yè)自建基站來(lái)完成數(shù)據(jù)的傳輸,這個(gè)費(fèi)用是非常高昂的。而長(zhǎng)期傳輸大批量的數(shù)據(jù),也會(huì)造成相關(guān)設(shè)備的能耗。針對(duì)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(wú)損壓縮存儲(chǔ)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ),且將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)的費(fèi)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(zhǎng)電池的使用綠
5結(jié)束語(yǔ)
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(dòng)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(duì)每種技術(shù)的優(yōu)劣給出了簡(jiǎn)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(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院