油田开发生产运行中的抽油机电机节能降耗措施分析

引言

油田开发生产对国家经济发展具有举足轻重的作用。但其生产环境复杂，安全风险长期存在。一旦发生事故，将不可避免地导致人员伤亡、财产损失以及环境破坏。随着油田开发的不断深入，开采难度日益增大，新技术的持续应用使得传统安全管理模式逐渐难以满足实际需求。

1 抽油机工作原理与能耗特点

常规游梁式抽油机的工作过程较为复杂，电动机通过传动带将高速旋转运动传递给减速箱的输入轴，经减速后经四连杆机构将旋转运动变为游梁的上下往复摆动，再经游梁前端的驴头，通过抽油杆带动深井泵活塞作上下往复直线运动，从而将井内液体抽吸到地面。在这一过程中，抽油机驴头悬点的运动可简化为简谐运动和曲柄滑块机构运动两种模型。以简谐运动模型为例，在上下死点（∮=0及 $⨏ _ { 9 } ^ { } = 1 8 0 ^ { \circ }$ °）处，悬点运动速度为零，加速度最大。抽油机驴头悬点受静载荷（如抽油杆柱和液柱载荷、泵的沉没压力、井口油压）和动载荷（如抽油杆柱和液柱载荷、振动和冲击载荷、摩擦载荷等）两类载荷作用。尤其是动载荷中的惯性载荷，在悬点运动过程中，随着速度的变化，上冲程分为加速增载、减速减载、加速减载、减速增载四个阶段，在此间系统动、势能转换过程中，存在向电网反向发电的过程，导致能量损失。这一系列复杂的运动和载荷变化，使得抽油机电机的能耗呈现出波动性大、平均效率低的特点。

2 油田开发生产过程中的安全风险分析

2.1 地质条件复杂引发的风险

油田所处地质条件差异显著，断层、褶皱、地层压力异常等情况屡见不鲜。这些复杂地质条件可能引发井壁坍塌、地层泄漏等问题，不仅影响油井正常生产，还可能导致严重安全事故。例如，在深层油藏开发时，过高的地层压力可能致使油井突然喷发，进而造成人员伤亡与环境污染。

2.2 减速器的安装问题

减速器是抽油机的核心部件之一，其安装质量直接影响抽油机的运行效率和稳定性。在安装减速器时，必须保持减速器与底座间的准确距离，确保减速器输入轴与电动机传动轴平行。然而，在实际安装过程中，有些安装人员由于工作经验不足或者责任心不强，可能会随意选择定点安装，导致减速器倾斜或者与电动机不平行。这样不仅会降低设备的整体效率，还可能引发过热和传动故障等问题。

2.3 电动机类型

多年来抽油机采用通用系列异步电机，额定功率运行时效率和功率因数最大，负载降低时二者下降，能耗增大。抽油机扭矩波动大且有负扭矩，要求驱动电机在宽载荷率下效率高且符合抽油机载荷状态，使悬点加速度变化均匀，主要构件受力改善，平衡效果优化。

2.4 设备老化与维护不善

油田中的抽油机设备长期处于恶劣的工作环境中，电机及其他部件容易出现老化、磨损等问题。老化的电机绕组电阻增大，导致铜耗增加，电机效率降低。同时，传动系统中的皮带松弛、轴承磨损等问题会增加机械传动阻力，使电机需要消耗更多的能量来驱动抽油机运转。此外，若设备维护不及时，例如未能定期对电机进行保养、清洁，以及未及时调整抽油机的平衡度等，都会进一步加剧电机的能耗。

3 抽油机在油田开发生产运行中的节能降耗措施分析

3.1 改善电动机自身工作特性

（1）高转差电动机应用。使用高转差电动机（转差率 20～30% ，常规电动机转差率 2～5% ）可改变电动机硬特性，提高启动状态输出功率，降低所选电动机额定功率 PN，使电动机平均工作功率与额定功率比值接近 50% （常规机一般在 30％左右），提高电动机工作效率实现节能。但该方式受抽油机工况影响大，负荷较小时应用效果好，负荷大时不宜应用。（2）永磁同步电机优势。永磁同步电机在实际应用场景越来越多。与普通电机相比，它的效率优势明显，能高出 5 到 10 个百分点。其起动力矩强劲有力，过载能力出众，装机功率小，运行效率始终维持在高位，即便低负载率时，效率也在 90% 以上。

3.2 强化高风险作业管控

（1）严格高风险作业审批制度。对于动火作业、受限空间作业、高处作业等高风险作业，必须严格执行作业审批制度。作业前，作业单位应制定详细作业方案，包括作业步骤、安全措施、应急救援预案等，经相关部门和领导审批后方可实施。审批过程中，严格审查作业方案的可行性与安全性，确保作业风险可控。（2）加强高风险作业现场监管。高风险作业现场必须配备专人进行安全监护，确保作业人员严格按操作规程作业。安全监护人员需具备丰富现场管理经验和应急处置能力，能及时发现并纠正作业人员违规行为，处理突发安全事件。同时，作业现场配备必要安全防护设备和应急救援器材，确保紧急情况下迅速响应。（3）实施高风险作业风险评估与管控。作业前，对高风险作业进行全面风险评估，识别潜在风险因素，并制定相应风险管控措施。风险评估可采用安全检查表、工作危害分析等方法，对作业过程每一步骤进行分析，确定风险等级。根据风险评估结果，采取针对性管控措施，如改进作业方法、增加安全防护设施等，降低作业风险。

3.3 节能装置的研发与应用

(1)四象限抽油机节能装置。四象限抽油机作为一种新型节能设备，其核心在于独特的“四象限”运行模式。在第一象限，电动机作正功，驱动抽油杆上行；第二象限，电动机作负功，抽油杆下行产生电能回馈；第三象限，电动机反转作正功，用于特殊工况；第四象限，电动机反转作负功，实现特殊工况下电能回馈。这种设计突破了传统抽油机只能单向做功的限制，实现了能量的双向流动。四象限抽油机配备高性能变频器，可实现 0.100% 无级调速，能量回馈系统能将下冲程产生的势能转化为电能回馈电网，综合节电效果显著，节能率可达 30-50% ，单台年节电可达 5-10 万度。(2)智能调参节能装置。智能调参节能装置能够根据油井的实时生产数据，如动液面深度、电流、电压等，自动调整抽油机的冲次、冲程等参数，使抽油机始终处于最佳运行状态。例如，某油田应用的智能调参节能装置，通过对抽油机运行参数的优化调整，使抽油机电机装机功率可减小 30% ，综合节电率达 20% 。同时，该装置还具备远程监控和故障诊断功能，方便操作人员及时掌握设备运行情况，提高了设备管理效率。

结语

在油田开发生产中，抽油机电机节能对于降低生产成本、提高能源利用效率和促进可持续发展具有重要意义。通过对抽油机电机能耗现状的分析，明确了电机匹配不合理、运行参数不匹配以及设备老化与维护不善等是导致能耗过高的主要因素。针对这些问题，采用电机类型优化选择、变频调速技术、智能控制系统以及节能装置的研发与应用等多种节能技术和策略，能够有效降低抽油机电机能耗。

参考文献

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