有桿泵抽油機舉升系統節能降耗的有效途徑

王濟新（中國石油新疆油田分公司工程技術處）

有桿泵抽油機技術一直是國內原油開采中主要的舉升技術。目前，抽油機井約占國內總采油井數的80%以上，產液量占85%以上，耗電量占生產總耗電40%左右，是油田生產用電第一大戶。雖然近年來其它的舉升工藝如螺桿泵、電動潛油泵、電潛往復泵等得到較快的發展，但有桿泵抽油機舉升工藝因其可靠性高、適應性強，仍然在石油開采舉升工藝中占據統治地位。

二十多年來，國內各油田大力開展提高抽油系統效率的工作，實施了多項研究。國內之前對抽油系統的研究工作大多采用逐段分解方法，從多個環節的分效率得出系統的整體效率，并給出有桿泵抽油系統的效率目標值[1-2]。這種分析方法在理論上確有其合理性，但由于在真實的抽油系統中各個環節密切相關，互相影響，要確定出抽油系統各部分的分效率值比較困難。本文根據有桿泵抽油系統的耗能特點和系統效率測試原理，結合油田生產管理的實際經驗，分析各個環節中影響效率的因素，探索有桿泵抽油系統節能降耗的有效途徑。

1 有桿泵舉升系統效率的計算方法

SY/T5264—2006《油田生產系統能耗測試和計算方法》[3]給出的抽油系統效率計算方法。

式中：

η效率——抽油井系統效率，%；

N有效——有效功率，kW；

N輸入——輸入功率，kW。

以抽油機的光桿懸繩器為界將抽油井分為地面和井下兩部分，分別測試和計算地面效率和井下效率。

因此，抽油系統的效率還可以表示為：

式中：

η地面——地面效率，%；

η井下——井下效率，%；

N光桿——光桿功率，kW。

光桿功率是光桿提升液體并克服井下各種阻力所消耗的功率。計算公式為：

式中：

A——抽油井示功圖面積，mm2；

Sd——示功圖減程比，m/mm；

fd——示功圖力比，N/mm；

ns——光桿實測平均沖速；min-1。

有效功率是將井下液體輸送到地面所需的功率，計算公式為：

式中：

Q——油井產液量，m3/d；

H——有效舉升高度，m；

ρL——油井液體密度，t/m3；

g——重力加速度，g=9.8m/s2。

2 有桿泵舉升系統耗能特點及分析

一個完整的有桿泵抽油機舉升系統，除了抽油機、抽油桿和抽油泵以外，還應包括油管、井筒和其中的液體以及井底附近供給采出液的油藏。下面結合效率計算原理，分析抽油系統的耗能特點：

◇產液量高，舉升高度大，系統的有效功率就高。對于一口舉升高度一定的油井，產量越高，有效功率就越大。

◇光桿功率由提升液體和克服井下各種阻力所消耗的功率兩部分組成，如果井下各種阻力大、抽油泵的容積效率低，則光桿功率中舉升液體的有效部分所占比例就較小，井下效率就低。

◇輸入功率是實測數據，在光桿功率一定的情況下，如果地面各環節能量損耗低，輸入功率就降低。

◇有效功率高，輸入功率低，整個抽油系統就會維持較高的系統效率。

根據以上的分析，提高有桿泵抽油系統的效率要從四個方面入手。一是要提高油藏的供液能力，使系統的采出能力與供液能力相協調并且有合理的舉升高度；二是要有效解決影響井下系統高效運行的砂、蠟、磨損、腐蝕、結垢、漏失和彈性損失等各種問題，降低井下部分的能量損耗和故障率；三是要提高地面設備能量轉換和傳動的效率，減少無效能耗，提高地面效率；四是要加強抽油系統運行過程中的生產管理，降低井下裝置和地面設備的故障率，減少額外的能量損耗，使整個系統長時期處于良好的運行狀態。

3 提高系統效率和降低耗能途徑的分析

3.1 以供采協調為基礎構建抽油系統

用優化設計軟件可以找出油藏供液能力和抽油泵的排出能力的協調點見圖1，在此基礎上再進行抽油設備選型、工作參數的優化和配套技術的比選工作。抽油井的工作參數包括泵掛深度、泵徑、沖程、沖速和油井開關工作制度。前2項在抽油井完井后就已經確定，后面3項還可以在生產過程中實施調整。

抽油系統供采協調的程度可以用抽油井的泵效來表示。

式中：

η——泵效，%；

Q液——油井的實際日產液量，m3/d；

Q理——抽油泵的理論排量，m3/d。

圖1 抽油系統的供排協調圖

由于多種因素的影響，油井的實際產量一般遠低于抽油泵的理論排量，即泵效總是小于100%，正常情況下一般在20%～70%之間。泵效越低，說明系統的供采協調程度越差，需要實施調整。

供采協調的另一個重要方面是保持合理的舉升高度。根據公式（4），有效功率與舉升高度成正比，但舉升高度有一個合理的范圍。圖2是在模擬井上做的試驗曲線，它表明系統效率隨舉升高度的增加而增加，在達到一定數值后效率的上升趨勢變緩。這里還有一個合理沉沒度的問題，沉沒度要能夠滿足油藏液體進入抽油泵所需的壓力，提高沉沒度可以減少氣體對抽油泵的影響，但沉沒度過大又會降低井下效率，需要進行優化設計[5]。

圖2 舉升高度與系統效率關系曲線

抽油機和抽油泵的選擇以及抽油桿柱設計是抽油系統優化設計的主要內容。抽油機的內容在3.3中論述。抽油泵要能夠適應出砂、氣體影響、腐蝕等各種情況，做到閥件開關及時、泵的容積效率高、漏失量小。桿柱設計要保證強度和可靠性要求，處理好偏磨和腐蝕等問題。

3.2 完善配套工藝提高井下系統效率

影響舉升系統井下效率的因素有許多。有的來自油藏，有的來自系統本身。

1）結蠟。油井結蠟是原油中的重質成分在一定條件下從原油中析出、沉積粘結在抽油泵閥件和抽油桿以及油管上某些部位的現象。結蠟是抽油井生產中常見的問題，會影響抽油泵的正常工作，增加井下載荷，嚴重時會堵死油管造成停產。一般采用在抽油桿上安裝尼龍刮蠟器、定期熱洗或采用化學清防蠟等措施解決結蠟問題。

2）氣體。溶解在原油中的天然氣在壓力和溫度等條件變化時會分離出來，分離出的氣體膨脹既能起到舉升作用，但也會影響抽油泵正常工作，降低泵的容積效率，一旦形成氣鎖會使抽油泵暫時失效。一般采用保持合理沉沒度，用防氣抽油泵、井下分離器并配合套管放氣措施解決氣體影響問題。

3）出砂。出砂是油藏巖石的膠結顆粒被液體沖刷剝離而被帶出油藏的現象，砂粒進入抽油泵造成閥體和柱塞的磨損甚至卡泵現象，嚴重影響井下效率。一般采用疏和堵的兩類手段。砂錨和防砂篩管等措施可以阻止或減少砂粒進泵、防砂泵能夠減少出砂對泵的不良影響。在井底附近實施化學防砂是成本較高但效果較好的一種方法。

4）磨損。抽油桿在油管中運行時會與管壁產生摩擦，在井身結構較差的油井和水平井的造斜井段這種摩擦尤為嚴重。值得指出的是，當摩擦和腐蝕同時存在時，兩種現象會相互激勵，加速井下設施的損壞，嚴重影響井下效率。采取的措施有，在抽油桿上加裝扶正器、使用防磨接箍、使用內壁襯有耐磨金屬或高壓聚乙烯的油管等。

5）腐蝕與結垢。是注水開發油藏在中高含水期階段常見的問題。抽油泵組件、抽油桿和油管表面產生腐蝕和結垢會影響泵筒與柱塞的配合、增大漏失，降低井下效率，甚至造成卡泵故障。一般是使用防腐光桿、接箍、內襯油管和特種抽油泵，或者定期向井中加入化學藥劑等方法解決腐蝕和結垢問題[5]。

6）彈性變形。油管和抽油桿的彈性變形也是影響井下效率的一個因素。油管和抽油桿在上下沖程載荷循環變化的過程中出現彈性伸縮，一般會使泵的實際沖程小于抽油機的沖程，影響泵的容積效率，進而影響井下效率。為解決這一問題，一般是采用桿柱優化措施，在泵掛深度大于1500m時使用油管錨將油管固定在套管壁上，以減少油管在生產中發生的彈性變形。

上述井下配套措施中，有些是在系統設計和完井時就要考慮和實施的，例如特種抽油泵、尼龍刮蠟器、短路熱洗裝置和桿管扶正裝置等，這些措施在系統投入運行后無法調整。有些則是要在生產管理過程中實施的，例如油井清防蠟的管理和某些防氣和防腐防垢措施。要強調的是，井下作業質量對于保證系統可靠運行非常重要。

3.3 優選抽油設備提高地面效率

在地面設備的選型和安裝階段主要從以下幾方面做工作。

1）優選節能型抽油機。經過二十多年的發展，節能型抽油機已經在國內油田得到了普遍的推廣應用。需要指出的是，節能設備并非就一定意味著節能和高效率。例如多數立式抽油機[6]和異相游梁平衡抽油機只適合低沖速運行，如果使用高沖速會增加能耗和故障頻率，而曲柄平衡游梁式抽油機對沖程、沖速的適應范圍較廣。在供采協調程度較差的井上節能設備也難以取得好的節能效果。因此，要在系統供采協調的前提下，安裝與油井載荷相匹配的抽油機，并使設備有較高的負載率，一般應在60%～80%之間。圖2也同樣反映出負載率與效率的關系，因為在設備已經優選的前提下，舉升高度大一般就意味著負載率高。

2）優選節能型電動機。目前油田上稱為節能設備的電動機種類較多[7]，有些是高效率的節能型電動機，例如永磁電動機；有些是適合抽油機載荷特點、與一般電動機相比有節能效果的電動機，例如高轉差電動機、雙速電動機等。從一定意義上講，抽油機的負載率主要就是指電動機的負載率。在使用中要注意的是，各種電動機有其適用的范圍，電動機功率要與抽油機的負載相匹配。油田現場電動機的功率利用率一般在在20%～30%之間，少數可達到40%以上。提高設備的負載率是提高地面效率的一個重要手段。

3）確保抽油機較高的平衡度（率）。平衡度是影響地面效率的另一個重要因素。據研究，平衡度直接影響抽油系統效率和能耗[8]。圖3表明，游梁式抽油機在平衡度為80%～100%時能耗最低。常規型的曲柄平衡抽油機由于其結構所限，平衡度只能保持較低水平（80%以上），而雙驢頭型等節能型抽油機和各種立式抽油機則可以實現較高的平衡率（85%或95%以上）。在設計階段優選與油井載荷相匹配的抽油設備是實現高平衡度的前提。

圖4 平衡度與能耗關系曲線

4）保持設備的良好狀態。主要是指設備的基礎穩固，連接可靠，各節點無松曠現象；軸承和鉸接點潤滑良好，抽油機曲柄剪刀差小，減速器運行平穩；井口對中好，設備運轉順暢不蹩勁，無異常響聲等。優選設備和高質量安裝是設備能夠處于良好運行狀態的基礎。

3.4 加強生產管理維持抽油系統高效運行

抽油井的生產管理是油田上最主要的節能管理，管理內容有以下幾個方面。

1）定期巡檢和錄取各項資料（產液量、含水、示功圖、動液面、運行電流等），了解生產情況并及時采取碰泵、憋壓和熱洗等措施處理抽油泵漏失等問題。

2）搞好設備維護。做好設備的一、二級保養，及時調整抽油機的平衡度，使皮帶和盤根盒保持合適的松緊度，維持良好的運行狀態。

3）通過日常管理確保井下配套工藝的效果。包括按合理周期保質保量實施熱洗清蠟，對油氣比高的井合理控制套管壓力，按時添加清防蠟和防腐藥劑等。

4）完善區塊（或生產單位）的用電量和產液量的對應計量手段，這樣可以經常了解區塊整體的系統效率狀況，通過加強生產管理達到節能降耗的目的。這一點對目前多數油田來說實施的難度比較大。

4 結論

1）有桿泵抽油機舉升目前仍然是國內油田主要的開采技術，系統的環節多，節能潛力較大。提高系統效率是一項系統性的工程，需要從井下、地面和油井管理等多個方面采取措施。

2）抽油泵的理論排量與油藏的供與采能力相匹配是系統高效運行的前提。這一點對于低產低能油井來說尤為重要。

3）井下配套工藝是抽油系統高效運行的保障。根據油藏和井況來選擇合適可靠的配套工藝，才能實現系統長期高效運行的目標。

4）機、桿、泵的正常運行是實現抽油系統高效率的基礎。要優選節能型和適應油井狀況的設備。抽油桿和抽油泵的可靠性對于抽油系統的高效運行起到至關重要的作用。

5）生產管理是保證抽油系統高效運行的重要環節。生產管理的主要任務，是做好油井清蠟和設備維護保養等工作，維持整個抽油系統良好的運行狀態。

[1]劉波,尹俊祿,陳瀝,等.影響抽油機井系統效率因素分析及對策[J].石油石化節能,2013,3(1):19-22.

[2]張志遠,古小紅,王麗麗.提高抽油機井系統效率的方法[J].斷塊油氣藏,2000,7(4):59-61.

[3]SY/T5264—2006油田生產系統能耗測試和計算方法[S].

[4]肖書岐,楊磊,張建飛,等.抽油機井合理沉沒度的確定[J].石油地質與工程,2009,24(5):107-109.

[5]袁玉英,白芳,王永生,等.鄯善油田油井腐蝕結垢機理研究及防治技術[J].吐哈油氣,2012,17(1):73-76.

[6]張學魯,于勝存,白仲穎,等.立式抽油機運行機理及典型結構[M].北京:中國石油大學出版社,2011:125-137.

[7]白連平.關于游梁式抽油機用電動機節能的討論[J].石油機械,2009,27(3):41-44.

[8]張偉,范登洲.提高抽油機井系統效率措施研究[J].石油工業技術監督,2004(5):16-17.