利用測試分析提高螺桿泵井系統效率

趙海麟（大慶油田工程有限公司）

螺桿泵是油田開發生產過程中僅次于有桿泵的一種重要機械采油設備。螺桿泵由于排量相對較低、能耗低，主要用于供液不足、動液面深、產量低的油井。隨著油田的深入開發，高品質的整裝區塊日益減少，低滲透低效率區塊的比例逐漸增加，油井存在嚴重的供液不足問題。油井液面逐年下降，產液量降低，電耗增加，特別是對稠油井造成油井系統效率低、能耗高、開采成本高、能源浪費現象嚴重等問題[1]。為提高開發效率和降低能耗，各油田普遍采用油井螺桿泵采油工藝取代傳統的游梁式抽油機生產工藝，但不少油井特別是稠油井仍不能滿足螺桿泵抽油裝置的生產工藝要求，存在油泵空抽、能耗高、系統效率低等諸多問題，如何提高螺桿泵系統效率成為一個重要的研究課題。勝利油田孤東采油廠在調查研究的基礎上，提出了“利用測試分析提高螺桿泵井系統效率”這一攻關課題。

1 螺桿泵井系統效率測試情況

目前，勝利油田孤東采油廠共有螺桿泵井85臺，平均產液量為19.34 t/d，油井平均動液面為654 m，泵掛平均深度為1 162.3 m，油管吸入口平均深度為1 174.1 m，平均泵理論排量為35.7 m3/d，所配電動機絕大多數為4極、6極和8極三相異步電動機，其額定功率以22 kW為主（共60臺，）占總數的70.6%，其余電動機額定功率為30 kW、18.5 kW和15 kW（共15臺，占總數的29.4%），電動機運行方式主要采用變頻控制運行方式。

2012年，勝利油田孤東采油廠共完成螺桿泵井系統效率專項測試35臺，螺桿泵井系統效率測試率達到41.78%，平均系統效率為28.66%，平均功率因數為0.703。根據《孤東采油廠質量監督考核細則》，在測試的35口螺桿泵井中，單井效率不合格井有9口，單井功率因數不合格井有16口。表1為孤東采油廠2012年螺桿泵井系統效率測試數據統計表。

表1 孤東采油廠螺桿泵井系統效率測試數據統計

2 影響螺桿泵井系統效率因素分析

螺桿泵采油系統由電動機、螺桿泵、抽油桿柱、皮帶減速箱以及井口裝置等部件組成。系統通過電動機將地面的電能傳遞到井下，從而將井下流體舉升到地面。螺桿泵采油系統的工作過程就是一個能量不斷傳遞轉化的過程，而在能量的每次傳遞過程中都會造成能量損失。螺桿泵采油系統舉升流體所必須的有效功率與輸入功率的比值為螺桿泵采油井的系統效率[2]，即

式中 P 為電動機的輸入功率，kW；P 為有效功率，即在某一揚程下，將一定量的井下流體舉升到地面所需要的功率，kW。

式（1）中P 和P 分別可以表示為

式中 U 為電動機的工作電壓，V； I 為電動機的工作電流，A； λ 為功率因數； H 為泵的揚程，m；q 為泵的實際排量，m3/h。根據螺桿泵舉升系統的結構和工作特點，按部件在系統中所處的位置，以盤根盒為界將系統分為地面效率和井下效率兩部分，則有

2.1 井下效率分析

螺桿泵井下效率可以表示為

式中 η1為抽油桿效率，%；η2為螺桿泵效率，%； η3為管柱效率（油管錨錨定時， η3=100%），%。

抽油桿柱效率η1為光桿功率與泵排出口效率的比值，即

式中 P 為光桿功率，kW；P 為桿液之間摩擦損失功率，kW；式（6）中桿柱與井下流體黏滯摩擦損失功率P 可表示為

式中 M 為桿管之間的摩擦扭矩，kN· m；ω 為螺桿的自轉角速度，rad/s。

1）螺桿泵泵效低。表2為采油廠2012年螺桿泵油井泵效分布情況統計，可以看出，目前采油廠螺桿泵效低于30%的井有46口，占螺桿泵油井總井數的54.12%。從抽油泵效分布情況看，低泵效井多數是產液量較低的螺桿泵井，由于供液差，動液面深，油井產液量低，因而泵效較低，螺桿泵泵效低是造成螺桿泵井系統效率低的一個重要原因。

表2 85口螺桿泵油井泵效分布情況

從以上分析可看出影響井下效率最主要的因素是螺桿泵泵效低。

2）抽汲參數偏小。從現場測試數據結果來看，有11口油井抽汲參數偏小，轉速低，因而造成產液量低，均小于10 t/d。由于油井排量低，有效功率小，造成油井系統效率低。

3）供排不協調。從現場測試數據結果來看，全廠35口螺桿泵井平均動液面為551 m，而平均泵掛為1 102.3 m，平均沉沒度超過600 m，沉沒度過大，能耗增加，嚴重影響井下效率。

2.2 地面效率分析

地面部分由電動機、減速箱和皮帶組成，因此地面效率可以表示為

式中 η4為電動機效率，%；η5為減速箱和皮帶的效率，%。

1）電動機配置過大?，F場測試數據表明，35口油井平均輸入功率僅為4.73 kW，而電動機裝配平均功率為21.73 kW，電動機配置功率高，而運行功率低，電動機功率因素低，造成自身耗電增加，影響電動機運行效率。

2）電動機效率低。電動機使用時間長，或者是經修復后使用，電動機效率降低。從現場測試情況來看，有5臺電動機是修復電動機，這些電動機效率低，電動機自身發熱損耗嚴重，其效率相對較低。

3）油井電動機功率因素低。從2012年測試數據可以看出，所測電動機功率因數在0.7以下的有20臺，占所測比例的57.14%，最低的為0.241，造成功率因數低的原因是部分電動機沒有安裝補償電容，或者補償量不合適。

4）皮帶傳動效率差。造成傳動效率低的主要原因是皮帶帶滑過松，兩輪對正度低；此外還與皮帶質量、皮帶防滑劑的使用和使用效果等因素有關。

3 措施與效果

3.1 提升井下效率措施

1）應用螺桿泵井優化設計軟件。該軟件是在系統研究地面驅動螺桿泵采油系統的工作特點的基礎上進行的，以螺桿泵產量和泵效作為優化目標，優化螺桿泵采油系統工作參數。建立了螺桿泵定向井桿柱動力學模型和桿柱空間三維運動模型，可以計算桿柱在任意時刻、位置的軸向力、側向力、扭矩，以及桿管間的接觸程度。

2）推廣應用油井生產參數自動監測技術，實現油井生產參數自動監測、生產數據在線自動查詢。實現機采螺桿泵油井電參數、壓力、產液量等參數自動采集，數據自動處理，并建立采油廠螺桿泵油井生產數據庫，具備停機自動報警功能等。

3）上提泵掛。隨著泵掛深度的增加，泵效先增加后下降，在泵掛深度達到一定深度時泵效最高，因此，采用此深度作為該井的設計泵掛深度。沉沒度過大，能耗增加，嚴重影響井下效率，建議將油井泵掛沉沒度控制在200 m左右。

4）改進泵的質量，強化產品質量監督。嚴格控制下泵質量，做好井下工具的產品質量監督，嚴禁不合格產品流入生產現場，同時加強測試。開井后若發現因質量問題泵效較低和泵漏嚴重，應立即進行檢泵測試。

5）針對孤東油田油井出砂嚴重的問題，積極推廣應用防砂新技術、新工藝，提高油井防砂的成功率。

3.2 提升地面效率措施

1）合理匹配電動機，降低電動機額定功率。針對部分電動機額定功率過大現象，有針對性地更換小功率電動機，降低額定功率。對電動機不匹配的低效井進行優化匹配，解決負荷不足問題。

2）淘汰低效電動機，推廣永磁同步節能電動機。由于永磁同步電動機永磁體的作用，其有較強的啟動力矩，與異步電動機相比具有很好的節能降耗效果，可有效降低一級功率的使用。

3）采用終端無功補償，提高功率因數。推廣動態無功自動補償控制柜，降低無功損耗，實現功率因數的動態補償，提高油井的功率因數。

4）選用高效傳動帶。采用窄形聯組帶或齒形同步帶，克服因震動、打滑現象造成的損失；使用普通三角帶，以每組5根為最佳組合。

3.3 其他管理措施

1）建立動態分析機制。將采油廠螺桿泵井用能分析納入采油廠月度生產經營制度中，做到每月組織一次用能分析，每季度組織一次現場能耗監測，找出影響油井低效的主要因素，制定“一井一策”措施方案。

2）建立檢查考核機制，加強監督考核。

3）建立螺桿泵井定期系統效率跟蹤監測制度。對效率低于10%的低效井實行重點系統調整，做到油井綜合治理同系統運行參數相結合；對高效井繼續加大跟蹤測試力度，及時調整生產參數，確保螺桿泵井在生產條件變化的情況下始終在高效區內運行。

通過以上措施的實施和跟蹤分析，孤東采油廠機采系統螺桿泵井效率得到明顯提高，低效井比例有效下降。據統計，目前全廠平均螺桿泵井系統效率達30.89%，油井平均功率因數達到0.829，與2012年相比，分別提高了2.23%和0.126，取得理想的措施效果。

4 結束語

實踐證明，從影響螺桿泵井系統效率的諸因素入手，加強測試分析，有針對性地提出改進措施，推廣應用新技術、新工藝是提高螺桿泵井系統效率的重要手段。對低效井實行重點系統調整，建立螺桿泵井定期系統效率跟蹤監測制度是提高螺桿泵井系統效率的重要途徑。

[1]朱益飛,張士杰,何衛兵.變頻調速控制技術在油田螺桿泵井上的應用[J].變頻技術應用,2010,5（2）:95-96,113.

[2]呂彥平,吳曉東,李遠超,等.螺桿泵井系統效率分析模型及應用[J].石油鉆采工藝,2006,28（1）:64-68.