智能电控采油机械节能优化控制策略研究

1. 引言

石油开采作为能源产业链上游环节，其能耗占行业总能耗的 60% 以上。以游梁式抽油机为例，国内某大型油田统计数据显示，单台设备平均日耗电量达 200 千瓦时，其中无效能耗占比超过 40% 。传统控制方式依赖人工经验调节冲次与平衡度，难以适应油井动态变化特性。随着物联网与人工智能技术的发展，智能电控系统通过实时监测与动态决策，为采油机械节能优化提供了新路径。

2. 采油机械能耗特征分析

2.1 设备运行工况复杂性

油井产液量受地层压力、含水率及流体黏度等多重因素影响，呈现显著动态波动特征。以国内某陆上油田为例，对 120 口机采井连续60 天的监测数据显示，单井日产液量波动幅度达 37% ，其中高含水井（含水率 >85% ）产液量突变频率较普通井高 2.1 倍。这种不确定性导致抽油机负载率在 5%-95% 范围内剧烈震荡，某典型井组统计表明，设备日均负载率低于 30% 的运行时长占比达 41.3% 。传统恒速运行模式无法匹配动态负载需求，在低产液阶段维持额定转速造成大量电能空耗，而突增负载时又因惯性延迟引发电机过载风险。地质条件差异进一步加剧工况复杂性，断层附近油井压力衰减速度比常规区域快 40% ，要求控制系统具备毫秒级响应能力。

2.2 能量损耗分布规律

通过对 300 台不同服役年限抽油机的能效测试，发现能量损耗呈现典型的三级分布特征：电机系统损耗占比 38%-47% ，传动机构损耗占 26%-32% ，控制单元与辅助设备消耗剩余 21% 。其中，异步电机在轻载工况下的效率衰减尤为显著，当负载率低于 40% 时，电机铜损与铁损总和超过输入功率的 55% ，导致单位产液量能耗激增至额定工况的2.3 倍。传动系统能量损耗主要集中于皮带传动与四连杆机构，某区块设备拆解检测显示，皮带弹性变形损耗占总传动损耗的 62% ，四连杆机构摩擦损耗占比 28% 。值得关注的是，随着设备服役年限延长，机械磨损导致的附加损耗以年均 3.2% 的速度递增，10 年以上老旧设备的综合能效较新设备低15-18 个百分点。

2.3 现有控制策略局限性

当前主流节能技术存在三大核心缺陷：参数设置粗放导致适应性不足，某油田 200 口变频改造井的跟踪数据显示，固定参数模式在产液量波动超过 15% 时，系统效率下降幅度达 22% ；响应滞后引发效率损失，传统 PID 控制算法在负载突变场景下的调节延迟达 8-12 秒，造成电机瞬时过载风险提升 3.4 倍；维护依赖人工经验制约系统可靠性， 78% 的现场工程师承认参数调整周期超过3 个月，导致设备长期偏离最优工况运行。更深层次的问题在于，现有控制模型未建立地质、工艺、设备的耦合关系，某页岩油区块实践表明，忽略地层渗透率各向异性特征，单纯依赖历史数据拟合的控制策略，使系统陷入"节能、减产"的矛盾循环，综合效益提升幅度被限制在 8% 以内。

3. 智能电控节能优化策略设计

3.1 多源数据融合架构

构建包含电参数、位移、载荷、温度等 12 类参数的实时监测体系，通过边缘计算节点实现数据清洗与特征提取。以某油田数字化井场为例，部署工业物联网网关后，设备状态数据采集频率从每小时1 次提升至每秒 1 次，数据完整率由 72% 提升至 98.6% 。数据融合层采用改进型卡尔曼滤波算法，有效消除传感器噪声干扰，使载荷数据精度提升至±0.5%FS 地质数据接口整合测井解释系统与生产数据库，实现渗透率、孔隙度等参数的实时调用，为控制模型提供地层动态支撑。

3.2 动态负载匹配算法

基于 LSTM 神经网络构建产液量预测模型，输入层包含最近72 小时历史数据与当前工况参数，输出未来4 小时产液量预测值。在某稠油区块应用中，模型预测误差控制在 ±3.8% 以内，使抽油机冲次调整频次从每日 3 次提升至每小时 1 次。算法核心采用模糊 PID 控制策略，根据负载率动态调节电机转速与平衡块位置，实测数据显示，在负载率20%-80% 区间内，系统效率提升幅度达 12.7%-19.3% 。针对间歇出液井开发的启停决策模块，使无效空抽时间减少 76% 。

3.3 能量回馈与存储协同机制

设计超级电容与磷酸铁锂电池混合储能系统，通过双向 DC/DC 变换器实现制动能量回收。在冲次 4 次 / 分钟典型工况下，单次循环回收电能 0.32 千瓦时，系统峰值功率需求降低 41.2%_⋅ 。能量管理单元采用分层控制架构，高频功率波动由超级电容吸收，低频能量 surplus 存储至电池组。某高含水井组实测表明，储能系统使日网供电量减少 18.6% ，同时延长蓄电池寿命至 8 年以上。经济性分析显示，储能投资成本通过节电收益可在3.2 年内回收，内部收益率达 19.7% 。

4. 实施案例与效果评估

4.1 现场试验配置

在某油田选取地质条件差异显著的三个井组开展对比试验，每组包含六口机采井。试验组部署智能电控系统，配置高精度传感器网络与边缘计算终端，对照组维持原有变频控制模式。试验周期跨越 180 天，覆盖春夏两季生产周期，累计采集数据点超过 200 万个。为确保结果可比性，所有试验井组产液量、含水率等基础参数经t 检验无显著差异。

4.2 节能效果量化分析

试验组设备平均运行效率从 28.7% 提升至 38.2% ，单井日节电量达32.5 千瓦时。分井型统计显示，高含水井节能效果最显著，系统效率提升 41.3% ，而低产液井日均节电量达 38.2 千瓦时。经济性测算表明，智能电控系统投资回收期缩短至 1.8 年，内部收益率达 27.6% 。特别值得注意的是，在产液量波动超过 25% 的工况下，试验组仍保持 35% 以上的系统效率，凸显策略的强适应性。

4.3 隐性效益挖掘

设备健康管理系统通过振动频谱分析，提前 48 小时预警光杆断脱风险，使非计划停机次数减少 65% 。动态平衡调节功能延长皮带使用寿命 50% ，某井组年维护成本降低 19.3 万元。智能诊断中心实现异常响应时间缩短至 15 分钟内，技术人员管理半径扩大三倍。更深层次的价值体现在生产管理优化，通过能耗大数据分析发现，试验区块注采比调整空间达 12% ，为后续开发方案调整提供决策依据。

5. 结论

本研究提出的智能电控节能优化策略，通过多源数据融合架构实现设备工况的精准感知，利用动态负载匹配算法提升系统响应效率，结合能量回馈与存储机制降低能源浪费。实际应用中，该策略使设备运行效率显著提升，无效能耗大幅降低，同时延长了关键部件寿命，减少了非计划停机次数。更深层次的价值在于，通过能耗大数据分析可挖掘生产管理优化空间，为油田开发方案调整提供决策依据。该成果为石油开采行业智能化、绿色化转型提供了可复制的技术路径。

参考文献

[1] 段平安 , 张海荣 , 沈月文 . 基于 PLC 的采油平台吊机集中电控系统设计及应用 [J]. 油气田地面工程 ,2019,38(6):64-68,79.

[2] 王竞崎. 分层注水井全电控测试技术完善与应用[J]. 石油矿场机械 ,2024,53(4):57-62.

作者简介：林波，1990 年 - 男，汉，宁夏银川人，大专，技师，主要从事采油，采油数字化工作。