油田抽油機井系統效率節能潛力分析及提高措施

李丹丹 劉向東 張曉菡 宋泓霖 董偉佳

（1.勝利油田技術檢測中心；2.勝利油田檢測評價研究有限公司）

我國有92%的油井采用機械采油方式[1]，但部分機采系統效率一直處于較低水平，導致油氣生產能耗成本較大；因此，提高機采系統效率對油田的節能降耗工作具有重要意義。機采系統能耗影響因素多且較為復雜，主要分地面及井下兩部分[2-3]。近幾年，對勝利、西北等8 家中石化范圍內的油田分公司開展了4 000 余口井的機采系統效率測試分析，本文僅從電參數及生產參數兩個影響機采系統能耗的主要方面進行節能潛力分析并制定相應的提高措施。

1 機采系統效率節能潛力分析

通過對機采系統測試數據進行深入、細致剖析，僅從電參數及生產參數兩方面入手，發現影響油田機采系統效率的因素主要有以下五個方面。

1.1 部分電動機功率因數較低

1）不同類型電動機平均功率因數差異較大。根據測試數據，對目前油田應用的安裝變頻器電動機、永磁同步電動機、安裝電容器電動機、三相異步電動機，進行功率因數的統計分析（圖1）。由圖1 可知，不同類型的電動機功率因數差異較大，由高到低的排序為永磁同步電動機、變頻器電動機、電容器電動機、三相異步電動機。

圖1 各類電動機功率因數情況統計

三相異步電動機功率因數低，原因是為維持電動機運轉，需要消耗一部分功率來產生磁場；永磁電動機的磁場由磁鐵產生，無需消耗這部分功率；電容補償柜是利用電容的容抗來補償電感負載的感抗，可有效改善線路功率因數。油田用變頻器多為三相不可控元件，直流側一般不外接電抗器，功率因數基本在0.65左右。需要說明的是，安裝變頻器電動機的功率因數較高，但因產生諧波，一般不作為功率因數治理手段。

2）節能技術產品應用占比較少。從上述分析中得出，節能技術產品應用占比是影響功率因數的主要因素，部分抽油機井應用普通電動機且投用年限較長，故功率因數較低，使得系統能耗增加。

3）節能技術產品運行狀態欠佳。在測試及數據分析過程中發現，永磁同步電動機可能存在退磁、電壓過多偏離電動機反電勢點（超過±2%）的問題，變頻器存在運行狀態欠佳的問題，電容器存在自身損壞、容量不足或容量過量的問題。

1.2 部分變頻應用缺乏針對性

對于頻率大于45 Hz 的抽油機井，使用變頻器對生產參數改變作用不大，但存在自身損耗，節電效果甚微，且需要增加運行維護費用；對于頻率小于20 Hz 的抽油機井，變頻器自身損耗增大，整體效率下降。同時，對部分應用變頻器的抽油機井進行能效分析發現，在工況不變的前提下，使用變頻器后系統效率下降明顯；因此，在部分抽油機井上應用變頻器反而會增加能耗。

1.3 平衡度存在問題

1）平衡度調整不及時。合理調整抽油機平衡度能夠“短平快”地降低抽油機井能耗，提高地面系統效率，同時能夠大幅延長傳動機構使用壽命。而在抽測的油井中，有較大比例抽油機平衡度不合格，導致能耗增加。

2）平衡度評價方法欠佳。目前部分單位仍采用最大電流法評價平衡度，不能最準確反應抽油機的平衡狀態。對于游梁式抽油機，建議采用最大功率法評價抽油機平衡度，平衡范圍為70%～130%；對于皮帶式抽油機，建議采用平均功率法評價抽油機平衡度，平衡范圍為60%～160%[4-5]。

1.4 部分油井沉沒度不合理

由圖2 可知，隨著沉沒度的升高，抽油機井系統效率呈先升高后下降的趨勢；沉沒度在200～500m時，系統效率最高。沉沒度過小，導致泵的充滿度較低，甚至出現氣鎖或液擊現象；沉沒度過大，油管中靜液柱及抽油桿柱的負載增大，效率降低[6]。因此，為了提高系統效率減少能耗，需保持合理的沉沒度。

圖2 沉沒度與系統效率關系

1.5 部分油井泵排量系數偏低

由圖3 可知，當泵排量系數小于0.4 時，系統效率隨著泵排量系數的增大而明顯增大；當泵排量系數大于0.4 時，系統效率隨著泵排量系數的增大而變化較緩。通過以上分析表明，泵排量系數在0.4 以下時系統效率偏低；泵排量系數低時，產液量一般較低，有效功較小，因而系統效率低。

圖3 泵排量系數與系統效率關系

2 機采系統效率提高措施

1）依托油田信息化、智能化發展，加速能源管控平臺的建設，充分整合數據資源，搭建機采系統指標管理平臺，加強指標的監督、調整、效果跟蹤、考核力度，促指標提升；注重一體化能效提升節能技術改造，實施油（水）井地下、井筒、地面的綜合優化，整體改造，實現油井能耗降低。

2）針對節能技術產品應用占比較少的問題，建議增加永磁同步電動機、無功補償等節能產品技術的使用數量。

3）針對節能產品運行狀態欠佳的問題建議：針對永磁電動機，利用自動有載調壓技術及PCS 管理平臺，使供電電壓更加穩定，確保永磁電動機呈高功率因數（且為容性）狀態運行[7]；加強電容補償的管理維護[8]，確保其無故障運行。

4）針對部分變頻應用缺乏針對性的問題，建議開展變頻器合理性專項測試普查工作：對于液量常年變化不大、原油物性較好等運行工況的油井，重點評價其應用變頻器的合理性；應用變頻器，沖速1.2min-1以上且原油物性較好的油井，建議取消變頻器、更換低速電動機。

5）對于游梁式抽油機，建議采用最大功率法評價平衡度，平衡范圍為70%～130%；對于皮帶式抽油機，建議采用平均功率法評價平衡度，平衡范圍為60%～160%。

6）針對部分油井沉沒度不合理的問題，建議根據油井實際工況，采取優化生產參數、改變泵掛深度、優化泵徑等措施[9]，以維持200～500m 的合理沉沒度。

7）針對部分油井泵排量系數偏低的問題，建議根據油井實際工況，采取降低沖速、優化泵徑、優化供排關系等措施，以確保泵排量系數在0.4 以上[10]。

3 機采系統效率節能潛力

以某單位為例，進行抽測油井節能潛力分析。該單位共抽測323 口抽油機井，對抽測油井評價指標不合格的進行節能潛力分析。對于以上影響機采系統能效的主要因素，經采取措施后平均系統效率由30.4%提升至35.6%，年節能潛力為187.8×104kWh，年節約電費為137.1萬元。

表1 影響系統效率各因素節能潛力

4 結論與認識

1）通過對機采系統測試數據進行深入、細致剖析，僅從電參數及生產參數兩方面入手，發現目前影響油田機采系統效率的因素主要有以下五個方面：部分電動機功率因數較低；部分變頻應用缺乏針對性；平衡度調整不及時；部分油井沉沒度不合理，部分油井泵排量系數偏低。

2）針對影響機采系統效率的主要因素，一方面依托技術降耗，另一方面借助信息化加強管理，雙管齊下，實現能效指標提升。

3）以上影響機采系統效率的五個方面節能潛力較大，以某單位抽測油井為例，進行節能潛力分析，平均系統效率可由30.4%提升至35.6%，實現年節電187.8×104kWh。