機采系統(tǒng)能耗影響因素及節(jié)能潛力分析

梁　晶　殷素娜（.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；.北京油氣調(diào)控中心）

機采系統(tǒng)能耗影響因素及節(jié)能潛力分析

梁晶1殷素娜2（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.北京油氣調(diào)控中心）

油田機采系統(tǒng)是油田生產(chǎn)系統(tǒng)的用電大戶，也是油田節(jié)電的主要潛力系統(tǒng)，因此，機采系統(tǒng)的節(jié)能挖潛工作至關(guān)重要。為了開展機采系統(tǒng)的節(jié)能挖潛工作，首先需要對機采系統(tǒng)能耗影響因素進行分析。通過將機采系統(tǒng)能耗影響因素進行分類，盡可能全面的考慮各影響因素，并找出各影響因素的影響方式，在此基礎(chǔ)上，提出機采系統(tǒng)的節(jié)能挖潛的主要方向及采取的具體方法。

機采系統(tǒng)；影響因素；節(jié)能潛力

1　機采系統(tǒng)用能現(xiàn)狀

機采系統(tǒng)所消耗的能量主要包括2大部分，一部分適用于提升液量所必須的有效功，另一部分是在舉升過程中的損失能量［1］。如圖1所示，損失功率包括地面損失功率和地下?lián)p失功率2部分。地面損失功率主要與抽油機上、下沖程的平均載荷、桿速、抽油機光桿平均功率和電動機空載功率有關(guān)；地下?lián)p失功率主要包括黏滯損失功率和滑動損失功率等，主要與原油黏度、泵掛、泵徑、泵效、油層物性等因素有關(guān)；原油舉升過程中還有對生產(chǎn)有益的油氣膨脹功率。

圖1　機采系統(tǒng)能量流示意圖

機采系統(tǒng)是油田生產(chǎn)過程中的耗電大戶，以2014年中國石油各油田機采系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析來看，油田機采系統(tǒng)總耗電量占到油田業(yè)務總耗電量的50%左右［1］。因此，機采系統(tǒng)也是油田節(jié)能的重要潛力點所在。

2　機采系統(tǒng)能耗影響因素分析

機采系統(tǒng)能耗影響因素量多而且較為復雜，根據(jù)機采系統(tǒng)的特點，將影響機采系統(tǒng)百米用電單耗指標的因素分為采油方式、地面因素和井下因素，對機采系統(tǒng)能耗的影響因素的分析，如圖2所示：

圖2　機采系統(tǒng)影響因素

2.1采油方式

1）有桿泵：油田普遍的采油裝置是有桿泵采油，主要是抽油機-深井泵采油系統(tǒng)。抽油機采油系統(tǒng)由地面抽油機系統(tǒng)和井下抽汲系統(tǒng)2部分組成。由于與抽油機聯(lián)合工作的井下抽油泵載荷交替變化造成地面系統(tǒng)工作不平衡，加劇了動力系統(tǒng)的無功消耗，導致抽油系統(tǒng)的低效率運行，造成巨大的能源浪費。

2）螺桿泵：螺桿泵是一種高效、節(jié)能的采油設(shè)備，主要由地面驅(qū)動裝置和井下螺桿泵2部分組成。螺桿泵在使用中由于設(shè)備本身體積就比較小，耗電效果最好，但作業(yè)維護成本高。

3）電潛泵：潛油電泵的經(jīng)濟運行區(qū)一般選定為額定排量的60%～135%之間，當機泵配置不合理，使排量偏離高效區(qū)，潛油電泵的整機效率將明顯急劇下降，造成電泵的能耗升高。所以在機、泵優(yōu)化配置時，首先要考慮排量高效區(qū)。

2.2地面因素

1）井口的影響在于井口不對中，造成偏摩，增加抽油機的負荷；井口盤根盒過緊，也會增加抽油機負荷，從而增加耗電量；井口回壓的增高，增加了驢頭的懸點負荷，導致耗電量增大。

2）抽油機電動機在正常運行時均以輕載運行，存在低負荷現(xiàn)象，使電動機負載率低，對機采系統(tǒng)效率影響較大。根據(jù)抽油機電動機負載率與效率的關(guān)系曲線，當電動機負載率低于20%時，隨著負載率的提高，電動機運行效率上升幅度較大，當電動機負載率高于20%時，隨著負載率的提高，電動機運行效率上升緩慢，當電動機負載率高于40%時，隨著負載率的提高，電動機運行效率基本穩(wěn)定在90%。

3）傳動皮帶和減速箱的影響主要表現(xiàn)在傳動過程中摩擦造成的功率損失。

式中，DOECDit：OECD國家來源國的多樣性指標；DIOECDit：非OECD國家來源國的多樣性指標。

4）抽油機四連桿機構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在摩擦傳動過程的功率損失和在往復運動過程中的彈性變形所造成的損失。抽油機各部件松動或潤滑保養(yǎng)不好，造成抽油機各部件之間的摩擦、變形，致使抽油機不平穩(wěn)運行，從而無功耗電，影響機采效率。

5）生產(chǎn)參數(shù)的選擇對系統(tǒng)能耗的影響直接通過井下效率的高低和油井免修期的長短反映出來。其中，泵徑、泵深、沖程、沖速的大小對桿柱和液體的慣性載荷、泵閥球的運動、柱塞的有效行程及運動狀態(tài)都起著決定作用。

6）抽油機不平衡也會影響到機采系統(tǒng)能耗，不僅影響到連桿機構(gòu)、減速箱和電動機的效率和壽命，而且會加大電動機內(nèi)耗，使油井耗能增加，系統(tǒng)效率降低。

2.3井下因素

1）沉沒度的大小決定油井生產(chǎn)是否做正功。一般來講，動液面在保持一定的情況下，并不是沉沒度越大越好，而是有一個合理的界限。沉沒度過大，桿、管彈性伸縮，泵的沖程損失大，導致能耗上升。

2）抽油泵效率是機采系統(tǒng)井下效率重要的一部分，其功率損失主要為抽油泵柱塞與襯套之間的摩擦損失、泵漏失損失和產(chǎn)出液流經(jīng)泵閥時由于水力引起的功率損失。

3）泵掛深度是選擇抽油機和抽油機桿的主要依據(jù)，也是使抽油井在合理的壓差下生產(chǎn)，達到既不破壞油層的巖石結(jié)構(gòu)，又能高產(chǎn)的目的。

4）油品物性對機采系統(tǒng)能耗的影響主要是黏度、密度、油氣比等。油稠與結(jié)蠟是造成抽油桿在井筒中的摩擦力顯著增加、抽油機負荷上升、單井耗電量增加的主要原因，另外由于氣體影響，降低了抽油泵的充滿程度，使抽油泵的泵效很低，導致整個抽油系統(tǒng)能耗上升。

5）斜井中抽油時閥球關(guān)閉會產(chǎn)生滯后，同時會產(chǎn)生閥球偏落等問題，造成泵的漏失，導致能耗升高。

6）油管柱功率損失直接影響到機采系統(tǒng)效率的高低，其損失主要包括油管漏失損失、產(chǎn)出液與油管內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦損失和油管彈性伸縮損失等。

7）抽油桿的影響體現(xiàn)在抽油桿功率的損失，包括抽油桿與油管的摩擦損失、抽油桿與井下液體的摩擦損失和桿柱彈性伸縮損失，與生產(chǎn)參數(shù)的確定有直接關(guān)系。

3　節(jié)能潛力分析

機采系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及油藏供液、井筒舉升和地面3大系統(tǒng)。機采系統(tǒng)的能量利用效率用系統(tǒng)效率來表示，是指舉升液體的有用功率與電機輸入功率的比值。通過對機采系統(tǒng)能耗影響因素的分析，提高系統(tǒng)效率可以從4方面著手：采用或更換效率更高的節(jié)能設(shè)備，如節(jié)能抽油機、節(jié)能電機、智能控制柜、高效泵等，從設(shè)備性能方面減小各環(huán)節(jié)的能量損失；通過機桿泵與地層產(chǎn)能的科學合理配置和不斷的生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化，使抽油系統(tǒng)與油層產(chǎn)能始終處于供排協(xié)調(diào)狀態(tài)，實現(xiàn)機采系統(tǒng)提效降耗；對新投產(chǎn)井和檢泵作業(yè)井開展油藏-井筒-地面一體化設(shè)計，實現(xiàn)抽油設(shè)備與油層供液的協(xié)調(diào)運行；對機采井進行生產(chǎn)參數(shù)動態(tài)調(diào)整，保證油井長期處于最優(yōu)狀態(tài)［2］。

科學合理的機桿泵配置，優(yōu)化的泵深、泵徑、沖程、沖速等生產(chǎn)參數(shù)會使機采系統(tǒng)各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)運行，減小能耗，提高系統(tǒng)效率。生產(chǎn)過程中，油井生產(chǎn)動態(tài)會發(fā)生變化，在油井全生命周期中需要經(jīng)常性、及時地進行生產(chǎn)參數(shù)的調(diào)整，使油井長期處于最優(yōu)生產(chǎn)狀態(tài)，否則系統(tǒng)效率不升反降。尤其調(diào)參、調(diào)平衡、工況診斷，更是保障油井最佳工況的日常措施。

1）使用節(jié)能設(shè)備。隨著“節(jié)能型企業(yè)”發(fā)展戰(zhàn)略的推進，各種節(jié)能型抽油機、電機和高效泵等節(jié)能設(shè)備得到了推廣。節(jié)能型抽油機主要包括：異相曲柄平衡抽油機、前置式抽油機、雙驢頭抽油機、直線電機抽油機和漸開線抽油機等20余種。節(jié)能電控裝置主要包括：繼電接觸器調(diào)壓節(jié)能、變頻調(diào)速節(jié)能、抽油機改用變頻器拖動的優(yōu)點、采用間抽控制器。

2）低產(chǎn)井使用間抽方式。間抽是低產(chǎn)低效井進行生產(chǎn)的一種重要方式，通過油井不斷的開井、關(guān)井，它不僅可以提高抽油機井的泵效和提高系統(tǒng)效率，從而提高泵的實際排量，而且可以節(jié)約抽油機的能耗和設(shè)備磨損進而減少噸油成本，進而提高經(jīng)濟效益。

3）提高抽油機載荷利用率。降低抽油機額定載荷，或提高油井實際懸點載荷，均可有效降抽油機的載荷利用率，數(shù)值模擬和實際統(tǒng)計表明，抽油機的裝機功率下降一個等級，系統(tǒng)效率可以上升2%。

4）優(yōu)化桿柱組合。通過優(yōu)化桿柱組合，降低桿柱總重量，提高了桿柱應力范圍比，降低了抽油機井的懸點載荷，現(xiàn)場試驗表明降低抽油機井懸點載荷10%，系統(tǒng)效率提高4.5%。

5）抽油機井調(diào)參。低產(chǎn)井效率低的一個主要原因是供液不足，泵效低引起的。油井極限產(chǎn)量由產(chǎn)能決定，參數(shù)提高到一定程度，產(chǎn)量不發(fā)生變化，系統(tǒng)效率急劇下降。通過沖程、沖速對產(chǎn)量、系統(tǒng)效率的敏感性分析，得到隨沖程、沖速增加產(chǎn)量增加，但增加到一定程度不再繼續(xù)增加，同時井下效率先上升后下降，存在生產(chǎn)參數(shù)的最優(yōu)組合，如果沖程、沖速大于最優(yōu)值，會出現(xiàn)供液不足的現(xiàn)象。

6）抽油機井調(diào)平衡。現(xiàn)行以電流法進行抽油機平衡調(diào)整，易出現(xiàn)假平衡現(xiàn)象，平衡調(diào)整精度度相對較低，生產(chǎn)參數(shù)動態(tài)變化，平衡度隨之改變，現(xiàn)場調(diào)整不及時，普遍存在抽油機不平衡現(xiàn)象，平衡度小于80%的油井占70%以上。

提高抽油機平衡度，可降低電機輸出功率，提高系統(tǒng)效率。根據(jù)模擬計算和油井現(xiàn)場試驗統(tǒng)計，通過抽油機井調(diào)平衡系統(tǒng)效率平均可提高1.98%。

［1］王剛，陳鑫，陳慶.提高老油田機采系統(tǒng)效率的方法探索［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)旬刊，2012（6）：143-145.

［2］鄭海金，鄧吉彬.能耗最低機采系統(tǒng)設(shè)計方法的研究及應用［J］.石油學報，2007，28（2）：129-132.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.07.001

2016-01-08

（編輯杜麗華）

梁晶，工程師，2011年畢業(yè)于中國石油大學（北京），從事油田節(jié)能降耗方面的研究工作，E-mail:jing.liang@petrochina.com. cn，地址：北京市海淀區(qū)志新西路3號中國石油規(guī)劃總院，100083。