中國報(bào)告大廳網(wǎng)訊，在2025年，抽油機(jī)行業(yè)正朝著智能化、高效化和節(jié)能化方向發(fā)展。隨著油田開發(fā)進(jìn)入中后期，傳統(tǒng)抽油機(jī)系統(tǒng)面臨著能耗高、工況適應(yīng)性差等問題。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，基于變頻器的抽油機(jī)沖次自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)通過多源數(shù)據(jù)融合和智能控制算法，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)沖次的動態(tài)調(diào)整，顯著降低了能耗，提高了設(shè)備運(yùn)行效率。本文將探討該技術(shù)的工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)、現(xiàn)場試驗(yàn)及經(jīng)濟(jì)效益評估，展示其在節(jié)能降耗和設(shè)備優(yōu)化方面的顯著效果。

  一、抽油機(jī)能耗現(xiàn)狀與節(jié)能需求

  《2025-2030年中國抽油機(jī)行業(yè)發(fā)展趨勢分析與未來投資研究報(bào)告》指出，抽油機(jī)作為油田采油的核心設(shè)備，其運(yùn)行效率直接影響能源消耗與開發(fā)成本。傳統(tǒng)定沖次控制模式難以適應(yīng)油井動態(tài)變化，導(dǎo)致電動機(jī)長期處于低效運(yùn)行狀態(tài)，造成能源浪費(fèi)與設(shè)備損耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，抽油機(jī)系統(tǒng)能耗占油田總能耗的40%以上，其中低效運(yùn)行導(dǎo)致的額外能耗高達(dá)20%~30%。隨著油田進(jìn)入開發(fā)中后期，油井產(chǎn)量遞減、工況復(fù)雜化問題日益突出，亟需通過智能化控制技術(shù)提升系統(tǒng)能效。

  二、抽油機(jī)沖次自適應(yīng)控制技術(shù)

  (一)工作原理及能耗分析

  抽油機(jī)系統(tǒng)主要由地面驅(qū)動系統(tǒng)和井下抽油泵兩部分組成。地面系統(tǒng)包括電動機(jī)、減速器、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、平衡裝置和游梁;井下系統(tǒng)包括抽油桿和抽油泵。工作時(shí)，電動機(jī)通過減速器驅(qū)動曲柄連桿機(jī)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動，帶動抽油桿上下運(yùn)動，從而驅(qū)動井下抽油泵完成抽油過程。

  抽油機(jī)的能耗主要來自四個(gè)方面：電動機(jī)能耗、機(jī)械傳動損耗、液力損耗和其他損耗。其中，電動機(jī)能耗占總能耗的60%~70%，機(jī)械傳動損耗占15%~25%，液力損耗占5%~10%，其他損耗占5%~10%。因此，電動機(jī)運(yùn)行效率的優(yōu)化是抽油機(jī)節(jié)能的主要方向。

  (二)變頻技術(shù)的應(yīng)用潛力

  變頻技術(shù)通過調(diào)整電動機(jī)供電頻率控制轉(zhuǎn)速，為抽油機(jī)提供了靈活調(diào)節(jié)沖次的能力。它可實(shí)現(xiàn)工況自適應(yīng)，根據(jù)油井動態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài);軟啟動特性將啟動電流控制在額定值2~3倍，減輕電網(wǎng)沖擊并延長設(shè)備壽命;能量優(yōu)化管理功能可提高功率因數(shù)至0.9以上，回收下沖程勢能，優(yōu)化運(yùn)行曲線。變頻技術(shù)為抽油機(jī)智能化提供了基礎(chǔ)平臺，結(jié)合多參數(shù)工況識別算法和自學(xué)習(xí)控制策略，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全面智能化。

  三、基于變頻器的抽油機(jī)沖次自適應(yīng)控制系統(tǒng)

  (一)系統(tǒng)架構(gòu)與硬件組成

  基于變頻器的抽油機(jī)沖次自適應(yīng)控制系統(tǒng)采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括感知層、處理層和執(zhí)行層三個(gè)層次。感知層由多傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，包括載荷傳感器、位移傳感器、電流傳感器和振動傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。處理層由邊緣計(jì)算單元組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和算法執(zhí)行。執(zhí)行層由智能變頻器和電動機(jī)組成，負(fù)責(zé)執(zhí)行沖次調(diào)節(jié)。

  (二)沖次自適應(yīng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

  沖次自適應(yīng)技術(shù)的核心在于根據(jù)油井實(shí)時(shí)工況動態(tài)調(diào)整抽油機(jī)沖次，以實(shí)現(xiàn)最佳的能效與產(chǎn)量平衡。其實(shí)現(xiàn)機(jī)制主要包括四個(gè)環(huán)節(jié)：工況數(shù)據(jù)采集、工況特征識別、優(yōu)化決策與沖次執(zhí)行控制。通過多傳感器網(wǎng)絡(luò)采集抽油機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用模式識別算法對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，識別當(dāng)前油井工況特征，如是否抽空、是否氣鎖、液面高度等?；谧R別結(jié)果和預(yù)設(shè)目標(biāo)，采用優(yōu)化算法計(jì)算最佳沖次值，最后由變頻器精確控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)沖次的平滑調(diào)整。

  (三)控制策略

  多源數(shù)據(jù)融合的動態(tài)工況識別算法：系統(tǒng)采用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，結(jié)合時(shí)域特征和頻域分析，實(shí)現(xiàn)對油井工況的準(zhǔn)確識別。識別模型基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，通過對特征向量的分析，系統(tǒng)可識別出正常生產(chǎn)、抽空、氣鎖、蠟卡等多種工況，并給出識別置信度，為后續(xù)沖次調(diào)整提供決策基礎(chǔ)。

  基于PID-模糊控制的沖次調(diào)節(jié)邏輯：沖次調(diào)節(jié)采用PID-模糊控制相結(jié)合的方法，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，提高對非線性特性的適應(yīng)能力。通過模糊規(guī)則設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可根據(jù)工況動態(tài)調(diào)整沖次，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡和快速響應(yīng)。

  安全約束條件下的極值尋優(yōu)模型：沖次優(yōu)化目標(biāo)是在保證產(chǎn)量的前提下最小化能耗，同時(shí)需滿足設(shè)備運(yùn)行安全約束。優(yōu)化模型采用改進(jìn)的粒子群算法(PSO)，每15~30分鐘進(jìn)行一次全局優(yōu)化，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

  四、現(xiàn)場試驗(yàn)及效果分析

  (一)試驗(yàn)區(qū)概況

  試驗(yàn)選取某油田S區(qū)塊的5口典型油井，這些油井具有不同的開采特點(diǎn)和工況條件，代表性強(qiáng)。

  (二)節(jié)能效果量化分析

  能耗降低數(shù)據(jù)對比：通過對比技術(shù)實(shí)施前后各井的單位產(chǎn)液能耗，評估了系統(tǒng)的節(jié)能效果。5口試驗(yàn)井的單位產(chǎn)液能耗均實(shí)現(xiàn)了顯著降低，降幅在32.7%~37.5%，平均節(jié)能率達(dá)到35.4%。其中，S-01井和S-05井的節(jié)能效果最為顯著，分別達(dá)到36.8%和32.7%。

  不同工況下的適應(yīng)性表現(xiàn)：系統(tǒng)能夠根據(jù)工況變化自動調(diào)整沖次。例如，在液面下降時(shí)，系統(tǒng)將沖次從4.2次/min降至3.6次/min，避免抽空;在出現(xiàn)氣鎖時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)氣鎖程度降低沖次，輕微氣鎖降至3.8次/min，嚴(yán)重氣鎖降至3.2次/min。自適應(yīng)調(diào)整有效防止了抽空和氣鎖惡化，相比傳統(tǒng)固定沖次模式，仍然實(shí)現(xiàn)顯著節(jié)能。

  (三)經(jīng)濟(jì)效益評估

  抽油機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀分析指出，基于試驗(yàn)結(jié)果，對技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了綜合評估。系統(tǒng)初始投資較大，但因具有顯著的節(jié)能效果和設(shè)備故障率降低效益，投資回收期僅為2.28年。若考慮設(shè)備故障減少帶來的維護(hù)成本降低和停機(jī)損失減少，實(shí)際回收期將進(jìn)一步縮短。系統(tǒng)8年使用壽命內(nèi)可為單井創(chuàng)造近25萬元的經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的經(jīng)濟(jì)可行性。

  五、總結(jié)

  通過理論建模、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場驗(yàn)證，成功開發(fā)了基于變頻器的抽油機(jī)沖次自適應(yīng)技術(shù)。該技術(shù)通過多傳感器融合與智能控制策略，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)沖次與油井工況的動態(tài)匹配，顯著降低了無效能耗?，F(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了技術(shù)的有效性，平均節(jié)能率達(dá)35.4%，異常工況下節(jié)能潛力更大，同時(shí)設(shè)備可靠性提升32%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。系統(tǒng)采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，具備良好的擴(kuò)展性與環(huán)境適應(yīng)性，為油田數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了模塊化解決方案。

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