影響抽油機(jī)井系統(tǒng)效率因素分析及對(duì)策

劉波尹俊祿陳瀝王小瑋幸明剛

（1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院；2.川慶鉆探長(zhǎng)慶井下作業(yè)公司）

抽油機(jī)井系統(tǒng)效率是衡量油井工作水平的重要因素，也是一項(xiàng)反映油井工作效率和用電損耗的重要指標(biāo)。提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率已經(jīng)成為各油田節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)重要途徑。

1 抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的組成

抽油機(jī)井升舉過程是一個(gè)能量不斷轉(zhuǎn)化和傳遞的過程，在每一次轉(zhuǎn)化和傳遞中都將損失一部分能量。從地面供入系統(tǒng)的能量扣除系統(tǒng)的各種損失以后，就是系統(tǒng)所給液體的有效能量，該有效能量與系統(tǒng)輸入能量的比值稱為抽油機(jī)井系統(tǒng)效率。根據(jù)抽油機(jī)系統(tǒng)工作特點(diǎn)，可將抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率分為地面和井下兩部分[1]。

圖1 抽油機(jī)井系統(tǒng)效率分解示意圖

由圖1可得，系統(tǒng)效率的計(jì)算公式為：

式中：

K——有效載荷系數(shù)；

η1——電動(dòng)機(jī)效率，%；

η2——皮帶效率，%；

η3——減速箱效率，%；

η4——四連桿機(jī)構(gòu)效率，%；

η5——盤根盒效率，%；

η6——抽油桿效率，%；

η7——抽油泵效率，%；

η8——管柱效率，%。

2 影響機(jī)采系統(tǒng)效率因素分析

2.1 影響地面系統(tǒng)效率因素分析

影響抽油機(jī)系統(tǒng)效率的地面部分設(shè)備主要有電動(dòng)機(jī)、皮帶、減速箱和四連桿機(jī)構(gòu)，各部分的能量損失見表1。

表1 地面部分系統(tǒng)能量損失分析

1）電動(dòng)機(jī)：電動(dòng)機(jī)效率與電動(dòng)機(jī)類型、電動(dòng)機(jī)質(zhì)量、抽油機(jī)平衡、電動(dòng)機(jī)匹配、電動(dòng)機(jī)老化等有關(guān)。其中電動(dòng)機(jī)類型、電動(dòng)機(jī)的匹配和抽油機(jī)的平衡度是影響電動(dòng)機(jī)效率的主要因素。

2）皮帶：采用三角皮帶傳動(dòng)時(shí)，由于彈性方面的原因，產(chǎn)生彈性變形能量損失，不可避免地要出現(xiàn)相互錯(cuò)動(dòng)、打滑和震動(dòng)，造成部分能量損失。皮帶傳動(dòng)效率與皮帶松緊、兩輪對(duì)正度、輪軸同心度有關(guān)，其中皮帶松緊度是影響皮帶傳動(dòng)效率的最重要因素。

3）減速箱：減速箱中一般有三對(duì)人字齒輪，齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相齒合的齒面間有相對(duì)滑動(dòng)，因此就要發(fā)生摩擦，產(chǎn)生能量損失，同時(shí)，三副軸承也要產(chǎn)生摩擦損失[2]。影響減速箱效率的主要因素是齒輪及軸承的潤(rùn)滑度。一般出問題少，對(duì)機(jī)采系統(tǒng)效率影響較小。

4）四連桿機(jī)構(gòu)：在抽油井四連桿機(jī)構(gòu)中共有三副軸承和一根鋼絲繩，四連桿機(jī)構(gòu)效率與軸承摩擦力損失及驢頭鋼絲繩變形損失有關(guān)。因此軸承是否潤(rùn)滑，鋼絲繩的變形程度大小是影響四連桿效率的主要因素，因采油隊(duì)一般都實(shí)施了嚴(yán)格的保養(yǎng)制度，所以出問題少，對(duì)機(jī)采系統(tǒng)效率影響較小。

5）抽油機(jī)平衡：平衡率較差時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)在沖程周期運(yùn)行的某一時(shí)間段出現(xiàn)做負(fù)功（即發(fā)電）現(xiàn)象，根據(jù)電能→機(jī)械能→電能的轉(zhuǎn)化過程，轉(zhuǎn)化效率只有50%，即電動(dòng)機(jī)做1kWh負(fù)功，電網(wǎng)系統(tǒng)需要消耗2kWh。抽油機(jī)平衡是影響電動(dòng)機(jī)效率，進(jìn)而影響系統(tǒng)效率的主要因素[3]。

2.2 影響井下系統(tǒng)效率因素分析

影響抽油機(jī)系統(tǒng)效率的井下部分設(shè)備主要有盤根盒、抽油桿、抽油泵和管柱，各部分的能量損失見表2。

表2 井下部分系統(tǒng)能量損失分析

1）盤根盒：盤根盒過緊、井口偏中會(huì)造成懸點(diǎn)載荷增加，磨阻增大，效率降低。影響盤根盒效率主要因素是盤根盒的松緊度以及驢頭井口對(duì)中程度。

2）抽油桿傳動(dòng)：井斜、抽油桿及油管彎曲會(huì)造成抽油桿磨阻增加，能耗增大。沖程、沖速、泵徑匹配不合理，桿速增加，也會(huì)造成傳動(dòng)效率下降。沖程、沖速、泵徑匹配不合理和抽油桿及油管的彎曲是影響抽油桿轉(zhuǎn)動(dòng)效率的兩個(gè)主要因素。

3）抽油泵：抽油泵功率損失主要包括機(jī)械摩擦損失功率、抽油泵容積損失功率和抽油泵水力損失功率。抽油泵機(jī)械摩擦損失功率及水力損失功率由泵的結(jié)構(gòu)等決定，在黏度不高的情況下一般很小，抽油泵效率與泵充滿系數(shù)（即通常說的泵效）密切相關(guān)，也與泵的漏失量密切相關(guān)，影響抽油泵效率的主要因素是泵效及漏失量，在供液不足的油井中，泵的充滿系數(shù)與生產(chǎn)參數(shù)密切相關(guān)。

4）油管柱：管柱效率損失包括容積損失和原油沿油管流動(dòng)引起的功率損失（即水力損失）組成，在管柱不漏的情況下，影響管柱效率的主要因素是泵掛深度、原油黏度、結(jié)蠟程度等。

3 提高抽油機(jī)系統(tǒng)效率的有效途徑

提高系統(tǒng)效率主要有兩個(gè)方面，即提高地面系統(tǒng)效率和提高井下系統(tǒng)效率。

3.1 提高地面系統(tǒng)效率的途徑

地面系統(tǒng)效率主要由電動(dòng)機(jī)效率、抽油機(jī)效率組成。提高地面系統(tǒng)效率也就是提高電動(dòng)機(jī)效率和提高抽油機(jī)效率，提高地面部分系統(tǒng)效率的流程見圖2。

圖2 提高地面部分系統(tǒng)效率流程

3.1.1 提高電動(dòng)機(jī)效率

目前國(guó)內(nèi)抽油機(jī)井使用的部分電動(dòng)機(jī)能量損耗仍然較高，而且配置的額定功率遠(yuǎn)大于抽油機(jī)實(shí)際輸入功率，存在“功率不匹配”現(xiàn)象，造成負(fù)載率和功率因數(shù)偏低，無(wú)功功率偏大是影響電動(dòng)機(jī)效率的重要因素。

1）合理匹配電動(dòng)機(jī)

普通三相異步電動(dòng)機(jī)一般在負(fù)載率85%時(shí)效率最高，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率及功率因數(shù)越低，電動(dòng)機(jī)的效率越低。

對(duì)于電動(dòng)機(jī)匹配不合理、大馬拉小車的現(xiàn)象，若有針對(duì)性地進(jìn)行更換小電動(dòng)機(jī)工作，可降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行無(wú)功功率，降低電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行有功功率，提高電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，降低有功耗能提高效率。系統(tǒng)效率隨著電動(dòng)機(jī)功率利用率的提高而提高，見圖3。

2）應(yīng)用高效電動(dòng)機(jī)

Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)在額定功率的85%運(yùn)行時(shí)，效率和功率因數(shù)呈現(xiàn)最大值，而當(dāng)負(fù)載降低時(shí)效率和功率因數(shù)都隨之下降，能耗隨之增大。抽油機(jī)的扭矩特點(diǎn)是波動(dòng)較大，且存在負(fù)扭矩，因此Y系列電動(dòng)機(jī)經(jīng)常不在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)在較寬的載荷率下工作效率較高，在低負(fù)載率時(shí)效率較高，具有啟動(dòng)扭矩大，功率因數(shù)高的特點(diǎn)。

圖3 系統(tǒng)效率隨電動(dòng)機(jī)額定功率的變化

3）提高抽油機(jī)平衡度

抽油機(jī)運(yùn)行不平衡，會(huì)造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流和功率因數(shù)波動(dòng)過大，甚至造成電動(dòng)機(jī)在沖程某一階段出現(xiàn)負(fù)功現(xiàn)象，造成不必要的電耗[4]。實(shí)測(cè)抽油機(jī)平衡度與能耗的關(guān)系曲線見圖4。

圖4 抽油機(jī)平衡度與實(shí)測(cè)能耗的關(guān)系

抽油機(jī)平衡度調(diào)整的最終目的有兩個(gè)，一是保證抽油機(jī)安全運(yùn)行，二是節(jié)能。通過調(diào)整平衡塊重心的位置，使上沖程與下沖程消耗電能近似相等，達(dá)到最節(jié)能的效果。

3.1.2 提高抽油機(jī)效率

1）推廣應(yīng)用高效抽油機(jī)。

◇使用皮帶式抽油機(jī)。該機(jī)沖程長(zhǎng)，沖速小，泵的充滿系數(shù)高。而且皮帶具有吸收震動(dòng)的作用，換向平穩(wěn)，沖速慢，所以機(jī)泵慣性載荷、動(dòng)載荷小。

◇使用雙驢頭抽油機(jī)。同常規(guī)型抽油機(jī)結(jié)構(gòu)基本一樣，但將曲柄上的平衡重轉(zhuǎn)到另一側(cè)的驢頭上，載荷的周期性變化小，電動(dòng)機(jī)匹配小，節(jié)能效果好。

2）強(qiáng)化抽油機(jī)保養(yǎng)，降低機(jī)械摩擦損耗。

在能量傳遞過程中，抽油機(jī)的能量損失在摩擦損耗中，因此，強(qiáng)化抽油機(jī)維護(hù)保養(yǎng)，降低機(jī)械摩擦損耗，是提高抽油機(jī)效率的重要方面。主要包括電動(dòng)機(jī)、抽油機(jī)、井口各運(yùn)動(dòng)摩擦部位的潤(rùn)滑、校偏、皮帶輪“四點(diǎn)一線”、皮帶松緊調(diào)整及更換磨損嚴(yán)重變速箱等。

3.2 提高井下系統(tǒng)效率的途徑

提高井下系統(tǒng)效率主要從優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)方面著手，提高井下部分系統(tǒng)效率的流程見圖5。

圖5 提高井下部分系統(tǒng)效率流程

3.2.1 優(yōu)化抽汲參數(shù)

抽汲參數(shù)對(duì)地面效率及系統(tǒng)效率都有一定的影響。對(duì)于一口具體的抽油機(jī)井，在滿足提液需要的情況下，應(yīng)選擇最優(yōu)參數(shù)，通過抽汲參數(shù)優(yōu)化，降低減速箱扭矩，降低電動(dòng)機(jī)負(fù)荷與抽油機(jī)負(fù)荷，提高系統(tǒng)效率。

1）提高泵效。

泵效是影響系統(tǒng)效率的重要方面。一般而言，在保證產(chǎn)液量的前提下，應(yīng)盡可能選擇較大泵徑、長(zhǎng)沖程、低沖速、合理泵深；但對(duì)于供液嚴(yán)重不足的油井，在保證產(chǎn)液量不降前提下，應(yīng)通過調(diào)小生產(chǎn)參數(shù)（沖速、沖程、泵徑）、加深泵掛、間歇開抽、油管錨定等措施提高抽油泵效，提高系統(tǒng)效率；對(duì)于非正常漏失嚴(yán)重的油井，需要及時(shí)檢泵提高泵效。

泵效處于20%～80%之間的抽油機(jī)井，系統(tǒng)效率多數(shù)在20%以上，系統(tǒng)效率合格率較高。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)盡量采取調(diào)小沖速及泵徑，加深泵掛，間歇開抽或油管錨定的方法來提高泵效，進(jìn)而提高抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率，見圖6。

圖6 實(shí)測(cè)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率與泵效的變化關(guān)系

2）優(yōu)化沉沒度。

沉沒度對(duì)泵效及系統(tǒng)效率影響很大，沉沒度過大造成抽油機(jī)上下行程懸點(diǎn)載荷增加，磨阻增大，管柱效率降低，地面能耗增加；沉沒度過小會(huì)降低泵效。泵掛深度變化時(shí)，油井產(chǎn)液量隨下泵深度的增加，有先上升后降低的規(guī)律。沉沒度過大，不但對(duì)提高產(chǎn)量無(wú)益，反而會(huì)增加懸點(diǎn)載荷，增大電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，降低系統(tǒng)效率，在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中當(dāng)動(dòng)液面確定時(shí)，沉沒度的選擇直接決定泵掛深度，因此，合理選擇沉沒度對(duì)油井系統(tǒng)效率的提高十分重要。

3）優(yōu)化抽汲參數(shù)及合理管桿組合。

對(duì)供液充足的油井，按照大泵徑、長(zhǎng)沖程、低沖速、合理沉沒度的組合原則優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)；供液嚴(yán)重不足的油井，按照小泵徑、深泵掛，低沖速的原則，對(duì)現(xiàn)有抽油機(jī)井進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。

桿管組合也是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要方面，不合理的桿管組合對(duì)系統(tǒng)效率有一定影響。

3.2.2 防蠟降黏技術(shù)

對(duì)結(jié)蠟嚴(yán)重的油井實(shí)施清防蠟降黏，可提高管柱效率和抽油桿傳動(dòng)效率。

3.2.3 合理調(diào)整盤根盒松緊度

光桿與盤根盒間的磨阻大小直接影響功率損失。當(dāng)盤根盒密封過緊或盤根盒與光桿的對(duì)中性差時(shí)，光桿上、下行程中磨阻的增加可引起驢頭懸點(diǎn)負(fù)荷增大，這樣最大、最小懸點(diǎn)載荷差值變大，抽油機(jī)功率損失增加，引起系統(tǒng)效率降低。因此，合理調(diào)整盤根的松緊度是降低懸點(diǎn)載荷，提高系統(tǒng)效率的重要措施。

4 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率必須綜合考慮、全面兼顧，具體體現(xiàn)在影響因素的各個(gè)部分。

1）合理匹配電動(dòng)機(jī)，盡量做到使電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率達(dá)到或接近最佳負(fù)載率范圍；盡量使用新型高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)，減少電動(dòng)機(jī)內(nèi)部損耗，提高電動(dòng)機(jī)效率。另外，通過調(diào)整抽油機(jī)平衡，減小電動(dòng)機(jī)軸功率波動(dòng)，也是提高電動(dòng)機(jī)效率的重要方面。

2）應(yīng)用皮帶抽油機(jī)和雙驢頭抽油機(jī)等高效抽油設(shè)備及做好地面維護(hù)保養(yǎng)，是提高地面系統(tǒng)效率的重要方面。

3）優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)，對(duì)于供液不足的油井，通過調(diào)小生產(chǎn)參數(shù)、加深泵掛、間開措施等，在保證產(chǎn)液量不降的前提下，可以大幅度提高泵效，提高系統(tǒng)效率。對(duì)于高沉沒度井，通過優(yōu)化沉沒度，優(yōu)化抽汲參數(shù)，優(yōu)化桿管組合等措施，可以提高系統(tǒng)效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)效率最高、能耗最低。

4）優(yōu)化防蠟降黏工藝及合理調(diào)整盤根盒，可以降低油井負(fù)荷，提高機(jī)采系統(tǒng)效率。

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