我国数字化抽油机的发展与应用现状

2022-09-12

一、引言

随着我国数字化油田的发展和各种传感器和控制技术 (如传感器、变频电机及变频控制柜) 的成熟和日益普及[1], 近几年来我国游梁式数字化抽油机 (以下简称数字化抽油机) 发展迅速, 在长庆油田、华北油田、大港油田、青海油田得到了大面积的推广应用。应用领域从石油天然气领域也扩大到了非常规资源煤层气的开采当中。与传统游梁式抽油机相比, 数字化抽油机机采效率可提高5%以上, 综合节电率达30%以上。不但如此, 由于数字化抽油机具有平衡和冲次自动调节功能, 因此使用数字化抽油机还可以大幅度改善职工劳动强度, 节约用工成本[2]。

数字化抽油机是将传统的游梁式抽油机与现代先进的信息采集技术和电气控制技术完美结合, 使其具有自动采集数据、远程控制、实现不停机状态下智能调节平衡、自动调节冲次、语音提示及语音报警、实现软启动和过载保护的高效节能抽油机[3~4], 是新一代工业化与信息化高度融合的采油设备。

二、我国数字化抽油机的研究情况

我国进行数字化抽油机的理论研究并不晚。早在上世纪80年代, 就有关于数字化抽油机的文献记载, 在1987年第5期《石油矿场机械》中“游梁式抽油机节能技术的现状与展望”一文中就提到了在游梁式抽油机上安装自动平衡装置的论述[5]。但由于当时我国抽油机制造业还处于引进消化吸收阶段, 再加之当时传感器和控制技术还处于萌芽阶段。因此, 该机只处于初期研究状态, 没有进行大规模的生产应用。

直到20世纪末21世纪初, 随着我国弯游梁抽油机、下偏杠铃式抽油机等节能型抽油机和先进的传感器和电气控制技术的普及, 以及我国现代化数字油田建设的需要, 推动了我国数字化抽油机的快速发展。

尤其是近几年, 我国已有多家抽油机生产厂家设计并生产了数字化抽油机, 2011年, 长庆油田机械制造总厂根据长庆油田数字化建设的需要, 在河北华油一机抽油机有限公司、新疆第三机床厂、南阳机械公司的配合下, 率先开发了4、5、6、7、8、9、10等七种规格的数字化抽油机, 该抽油机借鉴了下偏杠铃型抽油机的节能理念, 根据载荷等的变化情况, 通过游梁上的涡轮丝杠升降机带动游梁尾部的摆动锤在一定角度范围内摆动, 实现平衡调节, 达到节能的目的[2,6], 该机主要在长庆油田应用。

2012年3月, 河北华油一机抽油机有限公司根据煤层气市场新需求, 又研制开发了具有自主知识产权的新型数字化抽油机, 又称可自动调整平衡的抽油机, 完成了3、4、5、6、8等5种规格的研制, 该数字化抽油机借鉴了弯游梁抽油机的节能特点, 通过游梁上的升降机带动游梁尾部平衡块沿游梁上下移动, 从而改变平衡力臂, 达到调节平衡的目的。该机主要在华北油田山西煤层气和长治煤层气公司应用。同年, 新疆第三机床厂、河北华北荣盛公司也相继开发了数字化抽油机。2013年中国石油渤海装备新世纪公司成功开发了太阳能储能数字化抽油机, 也叫太阳能储能自平衡抽油机。该数字化抽油机将游梁尾部升降机设计成完全依靠太阳能驱动游标齿轮、齿条啮合的配重调节装置。太阳能数字化抽油机平衡游标对外没有任何连接线路, 动力完全由太阳能提供, 采用无线通讯控制, 所有控制功能操作及参数设置都在人机控制界面中进行。该机主要在大港油田和青海油田应用。

1. 数字化油田建设的需要

我国许多大油气田 (例如长庆油田) , 具有工作区域广, 勘探面积大, 再加上有些油区的自然环境恶劣, 生产生活条件艰苦, 生产设施多, 管理难度大。为解决大油气田在管理中面临的用工总量多、生产建设成本高和管理难度大的问题, 国内已有许多油田提出了对油田进行数字化建设。数字化油田建设的基本思路是指应用自动控制技术、通信技术、视频和数据智能分析技术, 实现对井场 (主要设备抽油机) 、管线、站场等基本生产单元的有效管理和控制, 以及“多级监控、流程管理、同一平台、数据共享、智能分析、实时预警、精确定位、协同动作”, 达到过程受控、强化安全、节约人力资源和提高效益的目的[7]。

2. 节能降耗的要求

我国的油田不像中东的油田那样有很强的自喷能力, 多为低渗透的低能、低产油田, 大部分油田要靠注水压油入井, 再用抽油机把油从地层中提升上来。以水换油或者以电换油是我国油田的现实, 因而, 电费在我国的石油开采成本中占了相当大的比例, 所以, 石油行业十分重视节约电能。据统计, 仅大庆油田, 传统抽油机一年的耗电费用就是600多亿元。加之我国抽油机运行效率普遍偏低, 平均效率25.96%, 国外为30.05%, 提高我国抽油机运行效率也是间接的节能降耗。

数字化抽油机的平衡和冲次是通过电信号实时监测油井载荷变化和泵筒充满系数而对平衡和冲次进行调节的。也就是说, 数字化抽油机的平衡和冲次调节是一个动态的过程, 是在不停机的状态下进行的。这样既保证了抽油机能时刻保持平衡状态运行, 通过自动调节冲次来保证泵筒充满系数, 进而提高抽油机的系统运行效率, 又能避免空抽和停机状态调参对油田产量的影响。

3. 抽油机电控装置快速发展的要求

随着国民经济的飞速发展, 国内对石油的需求量逐年增加, 近几年国内抽油机的使用量大幅增加, 约为10万台每年。作为石油生产中用电消耗大户之一的抽油机节能受到了各油田的普遍重视。对抽油机节电装置的研究, 引起了国内电力电子及特种电源行业的普遍关注, 如今在各油田已投运的电控装置有几十种。其主要包括:角位移传感器、载荷传感器、示工图模块、采集模块、数字化控制柜等单元组成。这些控制器与数字化抽油机有机结合, 并通过因特网或无线网络技术对采集的信号进行分析、处理、输出等操作, 完成对抽油机采油的全程动态控制[8,9]。

4. 抽油机自动控制技术快速发展的要求

抽油机自动控制技术主要通过在线监测和录取抽油机的悬点载荷、位移数据、电参量、压力、温度、流量等参数, 并通过通讯系统传输给中央监控系统, 中央监控系统进行数据存储与处理后, 进行动液面计算、功图算产等计算处理, 再结合网页显示软件与管理人员进行交互式沟通。管理人员根据生产实际情况对油井进行自动闭环控制。自动闭环控制主要是根据设定的抽油泵理想充满系数值对抽油机变频控制, 调节抽油机冲次、平衡状态, 使抽油泵和抽油机始终在理想的充满系数和平衡度条件下工作, 从而大大提高抽油机系统工作效率, 达到节能降耗的目的[10]。

三、数字化抽油机的现场应用

随着长庆油田数字化油田和华北油田智慧油田建设的需要, 长庆油田机械制造总厂设计制造的数字化5、6、7、8型数字化抽油机和新疆第三机床厂生产的8、9、10型数字化抽油机已经大批量在长庆油田各个采油厂投入应用。河北华油一机抽油机有限公司生产的3、4、5、6、8型数字化抽油机和河北华北荣盛公司生产的数字化抽油机分别在华北油田山西煤层气现场和华北油田二连分公司现场大规模应用。中国石油渤海装备新世纪公司生产的太阳能驱数字化抽油机在大港油田获得应用, 并为青海油田进行了常规抽油机数字化改造, 也取得了不错的效果。此外, 陕西延长油田公司等一些石油企业也逐步开始研制并使用数字化抽油机进行油田生产。截至目前, 我国数字化抽油机使用量已经达到了10000多台, 应用效果良好, 节能效果显著, 如节电率按35%计算, 年节电费用约为1.5亿元, 得到了油田用户的一致认可[11,12,13]。