抽油機采油節能潛力分析及節能方案設計

張董磊 閆靜（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

目前，某采油廠共有10 230口井，其中系統效率低于30%的井有3 069口，占比48.76%，這一部分井由于傳動效率低、供采關系不完善、大馬拉小車等原因導致系統效率低于30%。進行技術改造后，抽油機井系統效率提高2%，年可節電2 000×104kWh以上，提高機采系統效率是目前亟待解決的問題。對于節約生產成本投入，緩解電力緊張具有重要意義。通過分析現有機采技術應用現狀及能耗，研究節能潛力并設計節能技術改造方案，提高電動機及傳動效率并優化供排關系，對節能改造技術的應用效果和經濟效益進行評價，從系統效率入手，以節能降耗為目標，通過科學管理，達到控本增效的目的[1-3]。

1 機采能耗現狀

1.1 機采井現狀

2019年底，根據采油工程建設情況，某采油廠共投產機采井總數9 146口，開井數8 524口。抽油機井總井數7 640口，其中節能抽油機22口，占比0.31%，節能電動機6 720口，占比87.95%。電泵井總井數126口，電泵井變頻控制柜12套，占比9.5%，螺桿泵井總井數1 380口，均為螺桿泵直驅其中提撈井28口[4-6]。

1.2 采油系統能耗現狀

1.2.1 抽油機井系統效率現狀

統計薩南油田抽油機井系統效率分級情況，系統效率低于30%井3 069口，占統計井數比例48.76%，舉升單耗9.86 kWh/t，高出平均水平3.3 kWh/t，抽油機各節點能耗狀況理論分析結果見表1。研究表明，抽油機井系統效率提高2%，年可節電2 000×104kWh以上，不僅可節約油田生產成本投入，還可以緩解油田電力緊張的狀況。系統效率只取決于損失功率與輸入功率之比，在輸入功率一定的情況下，損失功率越大，系統效率越低；反之，系統效率就越高。因此，要提高系統效率，就要減少抽油系統各部分的功率損失，進而提高各節點的效率[7-9]。根據抽油機各部分效率與系統效率的關系研究表明，可以看出抽油機運轉過程中，電動機效率、抽油泵效率、抽油桿效率及管柱效率損失率相對較高，是影響系統效率的主要因素。

表1 抽油機各節點能耗狀況理論分析結果Tab.1 Theoretical analysis results of energy consumption at each node of pumping unit

1.2.2 舉升系統能耗現狀

2019年抽油機井年度總耗電5×108k Wh，系統效率31.26%，相當于僅1.56×108kWh電量有效舉升消耗，其余3.44×108k Wh電量在系統運轉中無效消耗，若將系統效率提高2%，可減少無效消耗電量1 000×104k Wh，效益可觀。

2 節能潛力分析及技術改造方案設計

2.1 潛力井分析

2.1.1 電動機效率低潛力分析

1）小馬拉大車潛力：統計該廠載荷利用率大于80%的抽油機井主要分布在含聚濃度高井、結蠟嚴重井、三元結構井、桿管偏磨井、低沉沒度高產井等方面，根據維修記錄顯示，因載荷過大導致電動機損壞維修占比30.6%。統計低效井中“小馬拉大車”井176口，平均電動機利用率87.1%，高于正常水平41.9%，系統效率28.8%，低于正常水平3.6%[10-12]。

2）大馬拉小車潛力：電動機輸出功率與輸入功率的比值為電動機效率，抽油機井一個沖次內載荷變化較大，當抽吸工況變化時，載荷也隨之變化。這些因素是保證抽油機設備最大啟動力矩，避免極端過載工況的發生，通常會在系統中匹配較大功率電動機，由于電動機在如此低的負載率下運行，使得電動機的效率、功率因數都長期運行在低水平的狀態，造成電動機自身損耗、線路損耗增大，變壓器負載率降低等危害，極大的增加了采購成本與生產成本。低效抽油機井中，“大馬拉小車”井530口，平均電動機利用率18.8%，低于正常水平16.4%，系統效率26.1%，低于正常水平6.3%[13]。抽油機井能耗合理匹配潛力統計見表2。

表2 抽油機井能耗合理匹配潛力統計Tab.2 Statistics of reasonable matching potential of energy consumption of pumping wells

2.1.2 傳動效率低潛力分析

在日常生產過程中，由于皮帶松緊度不合理、四點不一線、抽油機不平衡、啟動載荷過大、抽油機負荷大、皮帶材質不過關、井筒結蠟、生產變化引起負荷不均等問題的井組，因皮帶過載或偏磨而產生斷裂，導致抽油機傳動效率降低5%～10%。統計低效井中傳動效率低井460口，平均皮帶使用周期46 d，平均系統效率只有25.8%，低于平均水平5.46%。

2.1.3 供排關系調整潛力分析

低效抽油機井中，供排關系失衡井1 900口，占比30.1%，較合理區抽油機系統效率低5.31%，這類井近60%參數已無調整空間，無法依靠參數調整等管理辦法來控制供排關系，供排合理區與失衡區能耗對比見表3。

表3 供排合理區與失衡區能耗對比Tab.3 Comparison of energy consumption between reasonable supply and drainage area and unbalanced area

2.2 節能技術改造措施方案設計

2.2.1 應用雙速雙功率電動機提高效率

目前在機械采油中，游梁抽油機仍然是主要的機械采油設備，但游梁抽油機也存在著一些不利因素，主要是啟動扭矩大，平衡效果差，其次是沖次內載荷變化較大，當抽吸工況變化時，載荷也隨之變化。為保證抽油機設備最大啟動力矩，避免極端過載工況的發生，通常會在系統中匹配較大功率電動機，由于電動機在如此低的負載率下運行，使得電動機的效率、功率因數都長期運行在低水平的狀態，造成電動機自身損耗、線路損耗增大、變壓器負載率降低等危害，極大的增加了采購成本與生產成本。綜上所述主要是存在于“小馬拉大車”井（176口）和“大馬拉小車”井（530口）。應用雙速雙功率電動機進行技術改造來解決上述問題。

雙速雙功率電動機工作原理在結構上與Y系列電動機相似，區別在于利用單槽內下入單線“引出多組頭”，通過在多組頭之間改變接線方式，即實現了“雙極雙速”，該電動機沿用了高轉差率的特性，利用降低轉速來達到提高扭矩實現降低裝機功率的目的。既解決“小馬拉大車”和“大馬拉小車”的問題，又可以解決低效電動機的問題，更適用于目前油田供排關系的調整，提高油井時率，為一線工人減輕勞動力，同時節能效果明顯，投資回收期短，投資對比情況見表4。

表4 投資對比情況Tab.4 Investment comparison

2.2.2 應用永磁半直驅拖動裝置提高傳動效率

針對存在傳動效率低的460口井，為延長皮帶使用周期采取了一系列措施，通過對皮帶材質、皮帶輪包角、調整皮帶周期等原因分析，終極目標是取消皮帶傳動機構，經調研，目前市場技術成熟、應用廣泛、效益評價好、安全可靠的是永磁半直驅同步拖動裝置。永磁半直驅同步拖動裝置是專為游梁式抽油機設計的低速大轉矩永磁同步電動機，取消皮帶傳動系統，利用超薄機身，直接驅動減速機輸入軸，可以最低至0.1沖次運行，同時，該永磁電動機使設備免去了皮帶等傳動部件，降低采油設備的占地面積，提高了采油效率，同時大幅增加采油設備的穩定性和安全性，并有效地降低故障率及維修維護成本，永磁半直驅拖動裝置結構與安裝見圖1。

圖1 永磁半直驅拖動裝置結構與安裝Fig.1 Structure and installation diagram of permanent magnet semi-direct drive driving device

2.2.3 多功能調速配電箱優化供排關系

針對存在供排關系不合理的1 900口井，擬用多功能調速配電箱，根據油井的實際情況，設置油井工作參數和工作方式，抽油機的沖程頻次，達到上、下沖程間的平穩過渡。裝置本身具有抽油機所需的各種保護功能及相應的放電回饋電路。采用調節抽油機的沖程頻次和上、下行程的速度，達到節電又增產的目的。該裝置為成熟技術，在大慶油田應用廣泛，目前我廠累計應用4 993臺，占比58.8%，該裝置可根據油井的實際供液能力，實現了不停機即可動態調整抽取速度。具備多參數測量通道，可測量抽油機井的電參數、示功圖、溫度、壓力、產量、流量等，具有過載、欠載等保護控制功能。可以實現油井節電、增效及增產，從而提高整個有桿抽油系統的機采效率。達到方便生產，降低工人勞動強度的目的。

3 節能改造技術應用效果及經濟評價

3.1 雙速雙功率電動機

2020年，節能監測中心對雙速雙功率電動機進行能耗對比測試，顯示該裝置平均綜合節電率11.9%，706臺電動機全年累計節電688.6×104k Wh，直接經濟效益為439萬元，綜合系統效率提高2.05%。機采系統項目在整個生產期內增量投資回收期為5.69 a，選取其中的8口井數據進行對比分析，雙速雙功率電動機項目效益預測見表5。

表5 雙速雙功率電動機項目效益預測Tab.5 Benefit prediction of double speed and double power motor project

3.2 永磁半直驅同步拖動裝置實施效果及效益評價

2020年，節能監測中心對永磁半直驅拖動裝置進行能耗對比測試，以8口井為例進行對比分析，永磁半直驅拖動裝置項目效益預測見表6。顯示該裝置平均綜合節電率25.36%，62套拖動裝置累計節電195×104k Wh，直接經濟效益為124.2萬元，系統效率提高4.07%。統計結果顯示，62口試驗井皮帶原平均使用周期83 d，年節約皮帶272條，節約費用18萬元。該裝置因延長皮帶使用周期，提高油井時率，累計節約調整皮帶時間272 h，平均單井時率提高0.48%，可創造效益7.4萬元，合計效益149.6萬元。

表6 永磁半直驅拖動裝置項目效益預測Tab.6 Benefit prediction of permanent magnet semi-direct drive driving device project

3.3 多功能調速配電箱

2020年，節能監測中心對多功能調速配電箱進行能耗對比測試，以8口井為例進行對比分析，多功能調速配電箱項目效益預測見表7。顯示該裝置平均綜合節電率達12%。500臺多功能調速配電箱累計節電945×104kWh，直接經濟效益603萬元，系統效率提高2.37%。依據經濟效益評價相關標準分析計算，機采系統項目在整個生產期內增量投資回收期為4.49 a，單項投資回收期小于生產期10 a，高于行業規定標準，經濟效益較好。

表7 多功能調速配電箱項目效益預測Tab.7 Benefit prediction of multi-functional speed regulating distribution box project

3.4 經濟效益評價

2020年機采共計實施3項工程，改造1 268口井，年節電約1 828.6×104k Wh，直接經濟效益1 191.6萬元，投資回收期5.05 a，累積系統效率提高2.71%，某采油廠2020年機采工程項目效益評價見表8。

表8 某采油廠2020年機采工程項目效益評價Tab.8 Benefit evaluation of mechanical production project of oil production plant in 2020

4 結論

1）通過對現有機采節能技術的應用現狀及抽油機井系統效率和舉升系統能耗進行分析，對指導現場生產具有重要意義。

2）通過對電動機效率、傳動效率及供排關系的潛力分析，提出節能技術改造方案：一是應用雙速雙功率電動機提高電動機效率，解決“小馬拉大車”和“大馬拉小車”的問題；二是采用永磁半直驅拖動裝置提高傳動效率，解決抽油機傳動效率低的問題；三是通過多功能調速配電箱優化供排關系，解決供排失衡、無法調整的問題。

3）對三種技術改造方案的應用效果及經濟效益進行評價。共改造1 268口井，年節電約1 828.6×104kWh，系統效率提高2.71%，實現了節能降耗，降本增效的目的。