提高機采系統(tǒng)效率研究與應用

賈永生

摘 要：針對抽油機井機采系統(tǒng)效率低、單井年耗電量高的問題，廣泛收集統(tǒng)計了抽油機井系統(tǒng)效率數據，分析影響抽油機井系統(tǒng)效率的因素，并提出了提高機采系統(tǒng)效率的方法，達到了提高機采系統(tǒng)效率、節(jié)電降耗，降低生產成本的目的。

關鍵詞：抽油機；系統(tǒng)效率；舉升工藝；功率；沖程；沖次；泵掛深度；

文章編號：1674-3520（2015）-06-00-02

一、引言

第六采油廠采注三隊2014年共開采油井135口，其中抽油機井開井93口，占開井總數的68.9%，其產量占80.4%，所以抽油機舉升工藝在我隊占有舉足輕重的地位。因此應用各種技術提高機采系統(tǒng)效率對節(jié)能降耗、降低生產成本對我廠可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

二、機采系統(tǒng)效率的影響因素

根據抽油機的工作特點，油井本身條件對機采系統(tǒng)效率有以下幾種影響因素：

（一）地面損失功率：地面抽油機和電機所損耗的功率稱為地面損失功率。

（二）粘滯損失功率：即原油在井筒中向上舉升過程中，由于油井原油粘度引起的抽油桿與原油之間、油管和原油之間磨擦而引起的電功率損失。

（三）滑動損失功率：即因井斜等原因引起的抽油桿和油管之間產生磨擦，而引起的能量損耗。

（四）溶解氣膨脹功率：即當井底壓力或油氣混合物壓力低于原油的飽和壓力時，原油中的溶解氣析出對原油有一個向上舉升的作用，其作用實際上是增加了系統(tǒng)的能量。

（五）有效功率：真正用于舉升原油的功率。

由此可見，有桿抽油系統(tǒng)的效率與油井本身的條件有密切關系。在油井條件一定的情況下，則主要有以下三種因素的影響：

1、技術裝備：采用較先進的、節(jié)能型的技術裝備對于提高系統(tǒng)效率是必須的。如節(jié)能抽油機、適應抽油機工況的拖動裝置、降低抽油桿摩擦的技術和高效抽油泵等。

2、機、桿、泵的設計：抽汲參數（S、n、D），特別是沖次（n）對有桿抽油系統(tǒng)效率有明顯影響，要想提高其運行效率，必須對抽汲參數進行優(yōu)選。

3、管理工作：管理工作水平，例如抽油機的平衡度、驢頭與井口的對中情況、傳動皮帶的張緊程度等等都會影響有桿泵抽油系統(tǒng)效率。

從以上可以看出系統(tǒng)效率不僅反映了機采井的節(jié)能與經濟效益，而且也綜合地反映了油田的技術裝置、技術管理水平。

三、機采系統(tǒng)效率存在的主要問題

（一）技術裝備水平有待進一步提高

1、存在“大馬拉小車”的現象，導致電機效率低，系統(tǒng)效率低。所謂“大馬拉小車”，就是指抽油機所配電機的額定功率大，而抽油機負載量小，造成電機的負載率低，而電機負載率的大小直接關系到系統(tǒng)效率的高低。電機的負載率及其特性曲線見圖1。當電機負載率為40～50%時為正常工作，負載率大于50%時為過載，而負載率不足40%時，電機效率隨負載率的下降很快，進而影響了地面效率和系統(tǒng)效率。

通過對測試井電參數的分析，目前我隊電機的平均負載率為27.7%，負載率在正常區(qū)域（25-35%）的僅占21.4%，在過載區(qū)域（>45%）的占9.5%，在低效率區(qū)域（<15%）的占69.1%，電動機容量沒有被充分利用，造成電機功率因數低、效率低。分析“大馬拉小車”這一現象，首先，選擇電機功率考慮了電機發(fā)熱、過載能力和啟動能力三個因素，對抽油機來講，按抽油機平均負荷考慮電機發(fā)熱確定的電動機，啟動能力不能滿足抽油機啟動的要求，選用普通電機就要增大電機容量以增大啟動能力，這是“大馬拉小車”的主要原因。其次，為防止井下異常工況如砂蠟卡等造成停抽，修井后油井負荷一般大幅增加而盡量不更換電機等。因此，抽油機的負荷特點決定了選用普通異步電機不可避免地形成了“大馬拉小車”現象，從電機選配上看其具有一定的合理性，這一現象不可能完全根除，但我們可以通過采取措施來改善這一狀況。

對于抽油機的電動機，節(jié)能的關鍵是提高其負載率。目前為了提高電動機的負載率和功率因數，已安裝應用了超高轉差率電機、變頻調速電機、雙功率電機、永磁同步電機等節(jié)能拖動裝置。

2、在用抽油機新度系數低、能耗大。在用的新型抽油機均為新井投產時投入使用的設備，抽油機新度系數低，由于抽油機服役年限長，機械性能變差，運行部件不靈活或磨損，抽油機地面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)的效率損失增大，進而降低地面效率和整體系統(tǒng)效率。我隊使用年限在15年以上的老型抽油機占20.4%，節(jié)能型抽油設備占抽油機總數的70.3%，也存在一定的節(jié)能挖潛空間。

（二）抽汲參數有待進一步優(yōu)化設計

抽汲參數對有桿抽油效率影響較大。在油井產量要求一定的情況下，不同抽汲參數，抽油機的系統(tǒng)效率可相差5個百分點以上。

1、沖程：沖程的增減與理論排量的增減成正比關系，亦與桿柱慣性力增減成正比關系，但沖程對懸點載荷和交變載荷的影響相對最小，另外沖程長則沖程損失變小。綜合這兩個因素，應用長沖程成為一種趨向，因此應首先考慮使用抽油機具有的最大沖程。

2、沖次：桿柱慣性力的增值與沖次的平方成正比，沖次對懸點載荷的影響比沖程的影響大很多，同時當沖次高到某一程度時對扭矩的影響也會超過沖程，所以沖次不宜過高。尤其對于稠油井，由于大多數產量較低，如選擇較小泵徑的抽油泵，則易造成桿柱下行滯后、凡爾球下落滯后等不利因素，因此應相對放大泵徑、縮小沖次；同時對于供液不足井也應適當降低沖次。目前為了滿足生產需要，在抽油機所配備的最低沖次檔次基礎上應用各種方法再降低沖次。同時隨著沖次的降低，對延長抽油桿柱壽命具有積極的作用。

3、泵徑：在滿足油井產量的情況下，較大抽油泵徑配以合理的沖程、沖次，可以使能耗最低，即系統(tǒng)效率最高。其原因是大直徑泵可以在較低抽汲速度下得到所要求的產液量，從而使水力損失和摩擦損失減小，因此可得到較高的系統(tǒng)效率。但是大直徑抽油泵的使用，往往要受到套管尺寸、油管尺寸以及抽油桿強度的限制，因此存在一個經濟合理范圍問題。

在同等產液量，桿柱等級、管徑基本保持不變的前提下，應用提高系統(tǒng)效率優(yōu)化設計軟件對抽汲參數進行優(yōu)化預測結果顯示，平均單井輸入功率可由8.447kW降低到5.02kW，平均單井年減少耗電（8.447-5.02）*24*350=28786kW.h，平均系統(tǒng)效率可提高到35%，提高11.1個百分點。盡管井下效率的挖掘潛力較大，但由于需綜合考慮產量、電機改造費用、作業(yè)成本等多種因素，因此挖潛難度也大。

4、泵掛深度。目前我隊仍有12口井沉沒度大于500米，共具有提淺泵掛2000米的潛力。不合理的沉沒度，也是造成系統(tǒng)效率低的一個重要因素。

（三）技術管理工作有待進一步加強

管理工作水平，例如抽油機的平衡度、驢頭與井口的對中情況、傳動皮帶的張緊程度等等都會影響有桿泵抽油系統(tǒng)效率。尤其是游梁式抽油機的平衡率對抽油機井的系統(tǒng)效率影響較大，平衡差的油井能耗大，系統(tǒng)效率低，同時直接影響抽油機連桿機構、減速箱和電機的效率與壽命，對抽油桿的工作狀況也影響很大。

目前在抽油機管理中，通常用于判斷平衡與否的一個常規(guī)標準是平衡度，即抽油機上行最大電流與下行最大電流之比。平衡率與耗能的關系曲線見圖2，從圖中看出，平衡率在80%～100%時抽油機耗能最低，當平衡率達120%以上時，比80%時每小時多耗電0.25kw.h，平衡率低于70%時，比80%時每小時多耗電0.15kw.h。

由此可見，游梁式抽油機的平衡率對抽油機井的系統(tǒng)效率影響較大，平衡差的油井能耗大，系統(tǒng)效率低，同時直接影響抽油機連桿機構、減速箱和電機的效率與壽命，對抽油桿的工作狀況也影響很大。

目前，因電流曲線易獲取，現場主要采用電流法調平衡。但電流平衡不能保證抽油機一定平衡，電流不平衡也不能肯定抽油機不平衡，這從理論和現場都能得到了證實。

從理論上講，由于電機與變壓器不同，抽油機空載時的電流就達額定電流30～40%，在負載開始增加時，電流變化并不大，而是功率因數在變化，所以對于大馬拉小車的抽油機就算是不平衡從電流上也看不出來。其次是電流分不出正負，發(fā)電與用電都產生電流，一些嚴重不平衡的井在發(fā)電時產生一個很大的電流峰，但從電流上看還相當平衡。所以說電流如果不平衡，抽油機肯定不平衡，電流平衡了抽油機也不一定平衡。因此，用電流法調平衡不一定合理。

在現場測試中，也驗證了這種問題。對孔104-3井我們進行了測試，從電流曲線上來看，平衡率為27.6/30.9=89%，在抽油機平衡區(qū)域內（85%-115%）。但從功率法測試結果為68.5%，實際上抽油機并不平衡。因此想真正看出抽油機的平衡情況，只有查看電功率曲線。

四、提高機采系統(tǒng)效率主要工作及成果

（一）舉升工藝的優(yōu)化與調整

針對采注三隊系統(tǒng)效率低的狀況，在舉升工藝設計中，應用 “大泵徑、長沖程、低沖次”的優(yōu)化設計思路，進行優(yōu)化設計，合理優(yōu)化工作參數，大大提高了系統(tǒng)效率。2014年我隊共優(yōu)化了15井次，累計提淺泵掛應用了抽油機530米，降低沖次20次，通過優(yōu)化設計，平均單井系統(tǒng)效率可提高5%以上。由此可見，工藝參數是影響系統(tǒng)效率的主要因素之一。

同時，為了防止稠油井打架和減少注聚井偏磨現象，減少抽油桿柱的斷脫事故和有利于柱塞下行及打開游動凡爾，提高經濟效益，在抽油桿下部使用了一定數量的加重桿。使用后，有助于抽油桿的下行，有效地減緩了抽油桿的偏磨。

系統(tǒng)效率優(yōu)化設計實施效果對比表

（二）節(jié)能型設備的推廣應用

1、節(jié)能抽油機的應用：為提高機采系統(tǒng)效率，降低運行能耗，目前產能井應用的抽油機基本配套應用了節(jié)能型抽油機。2014年安裝應用下偏杠鈴式等新型節(jié)能抽油機12臺次，達到了節(jié)能的目的。同時新機提高了油田在用抽油機的新度系數，可以降低維修保養(yǎng)費用，為下一步提高采油廠整體的舉升工藝技術水平與經濟效益奠定了基礎。

節(jié)能抽油機試驗測試電參數對比表

2、節(jié)能電機的應用：近年來，推廣應用了各種節(jié)能電機，主要有雙功率電機、永磁同步電機等都取得了較好的節(jié)能效率，尤其突出的是永磁同步電機，電機效率較其他電機高5-10個百分點。且具有以下優(yōu)點：①起動力矩大，過載能力強，裝機功率降低；②運行效率高，尤其是在低負載率下，稀土永磁電機效率遠高于異步電機。

項目 啟動轉矩 與普通異步電機比節(jié)電率 負載率低于50%的效率 額定

效率

普通異步電機 1.8（倍） —— 30%-50% 80%

永磁同步電機 3.6（倍） 9.6%-27% >90% 94%

實踐證明，同磁同步電機配套變頻控制柜，節(jié)電率可達到78%。2014年共應用12口，累計節(jié)電7.5萬KW·h。

3、中頻控制柜的應用：針對稠油井由于原油粘度大，流動性差的問題，應用了電加熱桿舉升工藝，同時配套應用了ZPDY-1型中頻電源控制柜，通過測試，安裝后，節(jié)電率達到了30.2%。

（三）平衡度的調整

抽油機井平衡度是否合理直接影響著油井系統(tǒng)效率的高低，影響著設備能耗的高低。按照考核制度，堅持每月對采油班站抽油機平衡度進行抽檢，對抽查中平衡度不合格的油井，限期進行整改，并納入月度績效考核，有效提高了采注三隊的設備管理水平。2014年共調整抽油機平衡度120井次，抽油機平衡度合格率由89.3%達到了95.5%。通過以上幾項工作的開展，系統(tǒng)效率從原來的23.6%提高到了目前的29.6%。

五、結論及建議

1、提高機采井系統(tǒng)效率是一項涉及面廣、復雜程度較高的系統(tǒng)工程，只有高度重視、系統(tǒng)組織、整體聯(lián)動，才能達到預期的效果。

2、樹立長遠效益觀念和創(chuàng)新意識，節(jié)能裝備與優(yōu)化舉升工藝設計并舉是不斷提高機采系統(tǒng)效率的有效途徑。

3、在強化技術配套的同時，應進一步加強機采系統(tǒng)效率精細管理工作。

4、針對抽油機負荷時常變化的特點，細化抽油機電機調劑制度，使各井配備的電機更加合理，達到節(jié)能降耗的目的。

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