機采系統節能潛力研究與應用

孫守淵　陳勇　徐秀治　李鑫（.玉門油田分公司鉆采工程研究院；.玉門油田分公司規劃計劃處；.玉門油田分公司青西油田作業區）

機采系統節能潛力研究與應用

孫守淵1陳勇2徐秀治3李鑫3
（1.玉門油田分公司鉆采工程研究院；2.玉門油田分公司規劃計劃處；3.玉門油田分公司青西油田作業區）

摘要：目前，通用的系統效率不能完全判別油田機采系統節能潛力和反映油井的管理水平。筆者提出重新劃分抽油機井系統輸入功率的構成，以及各部分功率的具體計算方法和影響因素，研究開發出系統效率實現率理論基礎，以滿足不同管理層對抽油機井系統效率管理的需求，為油氣田企業挖掘抽油機井系統節能潛力、節約電能和降低開采成本開辟了新的途徑。

關鍵詞：抽油機；系統效率；實現率

1　概述

玉門油田油井多為低滲透的低能、低產井，所以主要開采手段是采用機械采油設備進行地面抽汲的方式。而在玉門油田的采油設備中，游梁式抽油機應用最為普遍，數量也最多。且近年來隨著對石油的連續開采，部分油井已進入開采的后期，油層出現明顯的供液能力不足，使得抽油機正常工作時多是以輕載運行。油泵在充滿度較低時，抽油機的電動機處于輕載運行，抽油機工作效率不高，造成大量電能浪費。

目前，玉門油田共有低能、低產井1000多口，平均系統效率不足12%，年耗電約4.4×107kWh，占油田總耗電量的1/3。大量的抽油設備長期運行在低效率區，造成能源浪費，給油田帶來了一定的經濟損失。因此，我們要尋求、研究和推廣機采系統節能潛力評價[1-2]。

2　理論依據

研究機采系統評價指標，創立系統效率實現率計算理論，建立基于系統效率實現率的系統效率評價理論，制定評價指標，應用系統效率實現率指標的節能潛力與耗能評價，挖掘抽油機井系統節能潛力，降低開采成本。

2.1抽油機井能耗

在現有技術條件的情況下，不更換抽油機，以保持產量基本不變，以抽油機能耗最低為準則，計算得出理論最低能耗與現階段能耗水平的比較，得出油井能耗水平，判別抽油機井的節能潛力。

對抽油機井系統開展能量分析，輸入功率劃分為地面損失功率、滑動損失功率、黏滯損失功率、溶解氣膨脹功率、抽油機井系統有效功率5部分。

2.1.1地面損失功率

深井泵生產過程中，地面抽油機和電動機所損耗的功率稱作地面損失功率，包括電動機空載功率、地上傳輸損失功率和井下傳輸損失功率。地面損失功率影響因素包括電動機空載功率、井下負荷、抽油桿運行速度、傳輸功率傳導系數、光桿功率傳導系數。

式中：N地——地面損失功率，kW；

No——電動機空載功率，kW；

Nd——地面傳輸損失功率，kW；

Nj——井下傳輸損失功率，kW；

Fu——光桿上沖程平均載荷，kN；

Fd——光桿下沖程平均載荷，kN；

ns——光桿實測平均沖速，min-1；

sl——沖程，m；

k1——傳輸功率傳導系數；

k2——光桿功率傳導系數。

2.1.2黏滯損失功率

深井泵生產過程中，被舉升的液體因與油管、抽油桿發生摩擦而損耗的功率稱作黏滯損失功率。黏滯損失功率的影響因素為桿速、管徑、桿徑、泵掛、原油黏度。

式中：Nr——黏滯損失功率，kW；

μi——平均液體黏度，MPa·s；

li——油管長度，m；

m——油管直徑與抽油桿直徑之比。

2.1.3滑動損失功率

因井斜造成的抽油桿與油管之間發生的摩擦以及泵柱塞與泵筒間發生的摩擦而損失的功率稱作滑動損失功率。滑動損失功率的影響因素包括桿速、單位長度桿重、井斜軌跡水平投影長度、桿與管的摩擦系數。

式中：Nk——滑動損失功率，kW；

fk——桿與管的摩擦系數；

q桿——單位長度桿柱重量，kg；

l水平——抽油桿在斜井段的水平投影長度，m。

2.1.4膨脹功率

原油在舉升過程中，溶解氣因所受壓力的降低而不斷從原油中析出，從液態轉化為氣態。一方面導致物質本身的能量降低，即內能降低；另一方面，這部分能量轉化成體積膨脹能而作用于舉升系統。這一功率稱作溶解氣膨脹功率。膨脹功率的影響因素為日產液量、飽和壓力、井口壓力、沉沒壓力、溶解系數。

式中：N膨——溶解氣膨脹功率，kW；

P沉——沉沒壓力，MPa；

Pb——飽和壓力，MPa；

P

井口——井口壓力，MPa；

Q——油井產液量，m3/d；

α——溶解系數。

當P沉≥Pb且P井口≥Pb時，N膨= 0

當P井口＜P沉＜Pb時

2.1.5有效功率

在一定揚程下，將一定排量的井下液體提升到地面所需要的功率稱為有效功率。有效功率影響因素為日產液量、液體密度、有效揚程。

式中：N2——抽油機井系統有效功率，kW；

H——有效揚程，m；

ρ——液體密度，kg/m3；

g——重力加速度，取9.81 m/s2。

2.2抽油機參數

1）最佳輸入功率。抽油機井的輸入功率理論計算為地面損失功率、黏滯損失功率、滑動損失功率、有效功率之和再減去溶解氣膨脹功率。

在保持抽油機不變的情況下以測試所得產液量、含水率、動液面、油套壓，將管徑、桿柱鋼級、泵徑與泵掛（對應科學的桿柱組合）、沖程、沖速進行各種組合，每1種組合對應著1種機采系統效率，即對應著1種能量消耗。根據輸入功率計算公式分別計算出每1種機采參數組合所對應的輸入功率。以輸入功率最低者對應的功率為抽油機井最佳輸入功率Nbest；但根據玉門油田抽油機井實際情況，在現有技術條件下，保持抽油機不變，以產量為目標、以能耗最低為準則，優化最佳輸入功率計算理論。滑動損失功率只有在斜井存在，膨脹功率影響微乎其微，以目前抽油機井下參數組合對應的輸入功率為抽油機井最佳輸入功率。故最佳輸入功率理論計算變為電動機空載損失功率、地面傳輸損失功率、井下傳輸損失功率、黏滯損失功率、有效功率之和。計算方法為

式中：Nbest——最佳輸入功率，kW。

2）最佳系統效率為抽油機井系統的有效功率與最佳輸入功率的比值，以百分數表示。

式中：ηbest——抽油機井最佳系統效率，%。

3）系統效率實現率為抽油機井目前系統效率與最佳系統效率（或最佳輸入功率與目前輸入功率）的比值，以百分數表示[3-7]。

式中：R——系統效率實現率，%；η——系統效率，%；

N1——抽油機井系統輸入功率，kW。

表1　鴨兒峽油田抽油機井優化前后對比

表2　老君廟油田抽油機井優化前后對比

2.3系統效率實現率評價

抽油機井評價的指標主要是系統效率，其影響因素很多，如地質條件、油層物性、供液能力等。由于這些因素的限制，每口井系統效率極限是由其客觀條件決定的，若其系統效率未達到該井的極限值，則可以通過加強對該井的能耗評價來挖掘其系統效率的潛力，反之若其系統效率已達到該井的極限值，盡管其系統效率很低，但該井已無潛力可挖，其能耗水平已經很好了。所以系統效率指標不能反映油井的能耗水平和節能潛力，而系統效率實現率則能夠反映油井的能耗水平和判別節能潛力。例如有些井系統效率高達40%，系統效率實現率只有60%，說明該井系統效率還有提升空間；而有些井的系統效率5%，系統效率實現率90%，說明該井系統效率提升空間不大了。并且根據系統效率實現率的計算找出單井高耗能環節，優化抽油機井參數，挖出在每口井的系統效率未達到該井的極限值之前的潛力。另外，各油田或各區塊系統效率差異較大；橫向與縱向比較可比性不大，而運用系統效率實現率指標可以實現各油田作業區、隊（站）、區塊之間、各油井之間指標管理的橫向與縱向比較。

因此，我們通過研究以產量為目標、以抽油機井能耗最低為準則建立的系統效率實現率計算理論，統計了近幾年油田抽油機井應用系統效率實現率指標評價的結果，結合油田抽油機井管理狀況和節能潛力要求，提出系統效率實現率大于或等于60%為合格；大于或等于72%為良好；大于或等于80%為優秀。

3　現場應用

1）鴨兒峽油田作業區。該作業區應用抽油機井系統能耗測試與評價體系評價，見表1。可以看出5口井評價優化前平均系統效率11.13%，平均系統效率實現率51.34%，說明還有48.66%的節能潛力。按照評價體系找出抽油機井系統高耗能環節，優化組合抽油機井參數實施節能改造。實施后平均系統效率實現率提高到79.54%，達到了評價指標的良好值，平均系統效率14.01%，提高了2.88%，平均有功節電率22.54%，綜合節電率28.52%。

2）老君廟油田作業區。該作業區應用抽油機井系統能耗測試與評價體系評價，見表2。可以看出5口井評價優化前平均系統效率7.84%，平均系統效率實現率41.9%，還有58.1%的節能潛力。按照評價體系找出抽油機井系統高耗能環節，優化組合抽油機井參數實施節能改造。實施后平均系統效率實現率提高到75.9%，達到了評價指標的良好值，平均系統效率12.56%，提高了4.72%，平均有功節電率40.89%，綜合節電率48.55%。

4　結論

1）重新劃分抽油機井系統輸入功率的構成，提出各部分功率的具體計算方法，

找出影響各部分功率的因素，開發了系統效率實現率理論基礎。

2）系統效率值的高低不能完全反映油井或油田的管理水平，應用系統效率實現率指標可以滿足不同管理層對抽油機井系統效率管理的需求；反映油田系統效率的管理水平；判別抽油機井系統節能潛力。

參考文獻：

[1]孫守淵，姜麗娟，趙萬軍.老君廟油田作業區節能改造實驗項目節能效果分析[J].玉門石油科技動態，2011（1）：54-58.

[2]孫守淵，李亞軍，王艷麗.變頻技術對抽油機的節能影響[J].中國高新技術企業，2008（2）：73-74.

[3]郭宏亮，宋學紅，李忠.提高抽油機井系統效率的有效途徑[J].油氣田地面工程，2008（12）：38-39.

[4]崔學軍，張永利，盛學芳.提高抽油系統效率的研究與應用[J].新疆石油科技，2009（1）：25-31.

[5]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.

[6]卜文杰，王文秀，秦曉冬.提高抽油機井系統效率的理論分析與對策措施[J].論文集萃，2008（3）：38-41.

[7]鄭海金，鄧吉彬.能耗最低機采系統效率評價方法的研究與應用[J].復雜油氣藏，2010（2）：18-21.

（編輯沙力妮）

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.01.004

第一作者簡介：孫守淵，工程師，2003年畢業蘭州理工大學，從事節能監測工作，E-mail：ymsunsy@petrochina.com.cn，地址：甘肅省酒泉市新城區石油基地檔案樓811室，735019。

收稿日期2015-09-11