提高機采井系統效率節能技術的應用與探討

李飛（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

1 影響機采井系統效率主要原因

1.1 沉沒度對系統效率的影響

隨著舉升高度H 的增加，系統效率增加。試驗得知，無論使用什么機型以及抽汲參數大小，隨著舉升高度的增加，系統效率都增加。當然，它們之間并非線性關系，隨著舉升高度的增加，系統效率增加的趨勢逐漸變緩，直到達到最大。這是因為，當下泵深度一定時，隨著舉升高度的增加，而抽油泵的沉沒度逐漸變小，導致抽油泵的排量系數下降，使抽油泵產量減少，影響系統效率的提高，所以舉升高度并非越高越好。為了提高系統效率，就必須確定一個合理的舉升高度[1]。因此，通過建立系統效率與沉沒壓力的關系式，在確定合理沉沒壓力的條件下，得出一個合理舉升高度H0的計算公式，即

式中：L 為泵深，m；K 為油氣比，t/m3；fw為含水率，%；Po為油壓，MPa；H 為舉升高度，m。

舉升高度與液面的關系可由公式（2）表示：

式中：H 為舉升高度，m；H液為液面高度，m；P油、 P套為油井的油壓和套壓，MPa；ρ 為混合液密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2。

利用舉升高度可以得到動液面，進而計算出沉沒度。因此，采取相應的措施，使沉沒度保持在合理值附近，系統效率達到較高水平。表1 為葡9-8-48 井系統效率隨沉沒度變化表。由表1 可知，油井的系統效率首先隨著沉沒度的上升而增加，到達一定的高度后又開始下降。

表1 葡9-8-48 井沉沒度和系統效率數據變化

1.2 泵效對系統效率的影響

泵效是影響系統效率的重要因素，對于各種不同的泵徑，泵效越低，系統效率就越低。通過分析葡112-57 井數據，證實泵效變化對系統效率變化的影響。由表2 可知，對抽油泵泵效下降的井，應檢查抽油泵的工作狀態，及時采取化清、檢泵或者隨檢換泵等治理措施。

表2 葡112-57 井數據變化

1.3 抽汲參數對系統效率的影響

抽油機在長沖程、低沖速下運行，隨著沖速降低，最小載荷上升，下行阻力減少，抽油桿收縮量減少，有效沖程增加，增加泵排量；沖速降低，可增加油層液體向泵筒內流動時間，泵筒充滿程度增加，提高油井的泵效，增加油井的產量，進而提高油井的系統效率。

水力模型試驗表明：對于同一有效揚程H ，抽汲參數（沖程S 、沖速n）不同，抽油機系統效率η 不同（圖1），而且差別很大；同一沖程下，系統效率隨沖速的增加而降低，沖速過高縮短抽油桿壽命，增加能耗，降低泵效和系統效率。

圖1 抽油機系統效率隨沖程、沖速變化情況統計

對沖速下調的14 口抽油機井進行了調參前后能耗對比，由對比數據可知，沉沒度由36.0 m 提高到138.3 m，系統效率由21.50%提高到22.76%。結果表明，噸液百米耗電由2.22 kWh 降至2.10 kWh，節電率為5.78%。

通過以上分析認為，充分利用沖程、降低沖速可減少抽油桿彎曲及運動次數，從而減少桿管偏磨及桿管斷裂，延長抽油泵使用壽命，提高檢泵周期；長沖程、低沖速增加了泵筒充滿程度，提高了系統效率。

1.4 設備對系統效率的影響

有桿抽油系統效率可表示為

式中：η 為系統效率，%；P1為輸入功率，kW；ΔP 為損失功率，kW。

由式（3）可知，有桿抽油系統效率值取決于損失功率與輸入功率之比，即在輸入功率一定的條件下，損失功率越大，有桿抽油系統效率越低，反之系統效率就越高。根據有桿抽油系統組成情況，可以把有桿抽油系統的功率損失分為八部分，分別用ΔP2～ΔP9表示，因此有

式中：ΔP2為電動機損失，包括電動機熱損失和機械損失；ΔP3為皮帶損失，主要是皮帶傳動中的摩擦損失；ΔP4為減速箱損失，主要是減速箱傳動中的摩擦損失；ΔP5為四連桿損失，主要是軸承摩擦損失和鋼絲繩變形損失；ΔP6為盤根盒損失，主要是盤根盒的摩擦損失；ΔP7為抽油桿損失，主要是抽油桿摩擦損失和彈性變形損失；ΔP8為抽油泵損失，包括抽油泵的機械損失、容積損失與水力損失；ΔP9為管柱損失，主要為管柱的水力損失。

2 提高機采井系統效率的主要方法

2.1 節點分析提高系統效率

通過對影響系統效率主要原因分析，找出影響系統效率的主要因素，細化能耗節點（圖2），提出下步治理措施進行調整，主要從沉沒度、平衡率和日常管理三個方面進行治理。

圖2 節點分析

例如，葡70-斜712 措施前系統效率僅為15.7%，對該井影響系統效率部位進行分析，確定沉沒度和平衡率為影響該井系統效率的主要因素。對該井制定了調大沖速和調整平衡率的調整措施，措施后該井沉沒度下降了397.4 m，平衡率上升了26%，系統效率上升了16.2%（表3）。

針對抽油機系統運行部位對系統效率的影響程度，分別對2534 口井5044 節點分析和調整，平均系統效率由16.64%上升到19.64% （表4），提高3個百分點，年可節電662.6 kWh，取得了良好的節電效果。

表3 葡70-斜712 井措施前后對比

2.2 采用塔架式抽油機

低滲透、特低滲透油藏開發過程中，油層埋藏深，泵掛深度長，地層能量不足，動液面深；舉升高度高，抽油泵沉沒度低；系統運行效率低，單機耗電量大；油田開發成本增加，不能適應節能降耗的發展要求。為此，開展塔架式抽油機（圖3）節能試驗。

圖3 塔架式抽油機

2.2.1 主要結構

塔架式抽油機由基礎、塔架、上平臺、動力系統、控制系統組成。動力系統由電動機、聯軸器、減速機、驅動輪、彈性緩沖器及鋼絲繩、前后動滑輪、平衡配重等部件組成；控制系統由伺服控制箱、上下限位開關、中位傳感器及手持遙控器等組成，用于實現設備各種功能的控制[1]。

2.2.2 技術優勢

用齒輪、聯軸器傳動代替傳統的四連桿機構傳動和皮帶傳動，結構簡單，減少皮帶和連桿直接的動能損失，機械效率高；采用動滑輪提升光桿，減少一半的舉升載荷，降低了電動機功率；采用天平平衡方式，平衡可精調到95%以上，無功損耗大幅降低；采用變頻技術，電動機在運行過程中，電壓是隨井下載荷變化而變化，降低電動機的功率消耗，與普通游梁抽油機對比，綜合節電率可達33.47%。

2.2.3 應用效果

在葡172-24 井上進行試驗。經現場試驗表明，有功功率降低了1.1 kWh，無功功率降低了14.6 kvar，系統效率提升了1.5%，日節電27.4 kWh，綜合節電率達29.8% （表5），起到了良好的節能效果。

表5 塔架式抽油機應用效果對比

綜合節電率可按中國石油天然氣行業標準中的SY/T 6422—2008《石油企業節能產品節能效果測定》計算，其計算公式如下：

表4 2014年機采井系統效率節點分析效果對比

式中：ξj為綜合節電率，%；W1為應用節能產品前噸液百米提升高度有功耗電量，kWh；W2為應用節能產品后噸液百米提升高度有功耗電量，kWh；Q1為應用節能產品前噸液百米提升高度無功耗電量，kWh；Q2為應用節能產品后噸液百米提升高度無功耗電量，kWh；Kq為無功經濟當量，kW/kvar。 Kq取值應符合GB/T12497 的規定，宜取0.03[2]。

2.3 應用智能化多功能調速裝置

對于地層條件差、供液能力不足、單井產量低、舉升能耗高的抽油機井，可應用智能化多功能調速裝置（圖4），動態分配功率，在降低抽油機井舉升能耗的同時，方便機采參數動態管理。

圖4 多功能調速裝置

2.3.1 工作原理

在智能化多功能調速裝置上，根據抽油機交變工作載荷的特點，內置了專用的矢量變頻裝置及控制程序，采用優化節能控制軟件，利用負荷傳感器，適時檢測抽油桿（或電動機）在每個沖程的負荷變化；根據負荷變化，通過自動設定并調整上下沖程速度，使抽油機工況達到最佳，提高運行系統效率，達到節能的目的[3]。

2.3.2 技術優勢

該裝置具有軟啟動功能，啟動扭矩大；具有無極調參功能，無需更換皮帶輪；變頻控制，功率動態分配，節電效果明顯。

2.3.3 應用效果

現場應用232套，有功功率平均單井降低1.22 kW，無功功率降低3.68 kvar，系統效率提升3.7%，日耗電減少29.21 kWh，綜合節電率達24.24%（表6），起到了良好的節能效果。

表6 智能化多功能調速裝置應用效果對比

3 結論與認識

1）機采井系統效率的主要影響因素有沉沒度、抽汲參數、泵效、桿管組合、平衡率和地面設備等，通過對機采井沉沒度、平衡率和日常管理等方面的綜合治理，可提高機采井的系統效率，達到節能的目的。

2）長沖程、慢沖速可改善抽油桿受力狀況，減少抽油桿斷裂概率，提高系統效率，降低能耗。

3）應用塔架式抽油機和智能化多功能調速裝置等節能設備，可在一定程度上提高機采井的系統效率，減少單井的日耗電量。

[1]關運忠.有關塔架式抽油機的應用分析[J].石油石化物資采購,2013(12):87-89.

[2]鄭剛銳.SY/T 6422—2008 石油企業節能產品節能效果測定[S]北京:石油工業出版社,2008.

[3]閆靜.智能化多功能調速裝置的應用與評價[J].石油石化節能,2014(4):28-29.