游梁式抽油機井節能技術集成應用研究

周勇 李進雅 韓麗艷 侯秀芹（新疆油田公司工程技術研究院）

新疆油田機采系統是第一耗電大戶，游梁式抽油機井占機械采油井的98%，而抽油機井系統效率不到25%，因此提高抽油機井系統效率，對降低油田運行成本至關重要。為此，近年來針對提高機采系統效率，開展了大量的節能技術改造工作，為提高電動機運行效率，應用了超高轉差電動機、稀土永磁電動機、跟蹤調壓控制柜[1]；為提高井下泵效，應用了慢速電動機、變頻控制柜、間抽控制柜[2]。這些技術的應用在一定程度上提升了抽油機井系統效率，但單一的節能技術節能空間有限，適應范圍窄，而且主要針對低產低效井提效，這類井系統效率基數低，效率提升的空間小，而占大多數的中、高產井由于系統效率相對較高卻被忽視，導致整個油田的機采系統效率難以改觀[3]。為了整體提升油田機采系統效率，文中以舉升參數優化設計為基礎，地面配套節能技術改造設備，井下調整泵徑、泵掛，分工況采取“地面-井下”一體化效率提升節能集成技術，大幅度提升了機采系統效率。

1 抽油機井能耗損失分析

抽油機井系統效率等于有效功率除以輸入功率[4]，提高系統效率最直接的方法就是提高有效功率，即提高油井產液量，但油井的地層壓力隨著開發時間的延長趨于穩定或降低，提高產液量較為困難，因此提高系統效率關鍵是減小輸入功率，即減少各環節的能量損失[5]。從游梁式抽油機井能流程圖1分析可知，能量損失主要在拖動、傳動和井下環節，其中傳動環節是抽油井固有能耗損失，難以降低，能夠減少能耗損失環節為拖動和井下兩個部分[6]。拖動環節的損耗主要是由于抽油機啟動扭矩大，運行扭矩小，配置的電動機偏大，造成電動機運行效率低；井下環節的損耗主要是由于油井供排不協調，造成泵效低。因此要提高抽油機井系統效率，需要同時降低拖動和井下兩個環節的損失[7]。

圖1 游梁式抽油機井能流程圖Fig.1 Flow diagram of the beam pumping machine well

2 節能技術集成

2.1 舉升參數優化設計

拖動和井下環節相互影響，影響這兩個環節的舉升參數地面為沖程和沖次[8]，井下為泵徑和泵掛。根據現場抽油機井工況，可分為間歇出油井和連續生產井兩大類，連續生產井又分為供液不足井、供液正常井、供液充足井三小類。舉升參數優化設計的最初目的是為了油井供排平衡[9]，間歇出油井產量過低，即使減小舉升參數，工況仍然顯示供液不足，系統效率低，這類井一般采取間抽措施[10]；供液不足井，舉升參數偏大，造成供小于排，泵效低，這類井采取減小舉升參數，提高泵效，實現油井供排平衡[11]；對于供液充足井，油藏供液能力強，而舉升參數偏小，造成供大于排，油藏潛力不能充分挖掘，這類井又分兩種情況，一是油井出砂，需要保持一定的壓差，不能增大參數強制排液，采取上提泵掛減小載荷的措施；二是油井不出砂，采取增大參數提高液量，實現供排平衡[12]。

對于供液正常井以往基本上認為油井沉沒度合理，井下泵效高，系統效率高，供排平衡，沒有優化的空間，但是如果增加泵徑，進一步降低沖次，在不影響理論排量的情況下，系統效率還能大幅提升，抽油井舉升參數優化設計方法案例見表1，這類井占油田的大多數，卻常常被忽視[13]。因此舉升參數優化設計的最終目的，應是在保障油井供排平衡的前提下，使能耗更低，針對不同抽油機井工況，采取不同的優化策略。抽油機井不同工況舉升參數優化設計措施見表2。

表1 抽油機井舉升參數優化設計方法案例Tab.1 Optimization design method for lifting parameters of pumping wells

表2 抽油井不同工況舉升參數優化設計措施Tab.2 Optimization design measures for lifting parameters under different working conditions of pumping wells

2.2 地面配套提效技術

油田上大多數抽油機額定最小沖次為4次/min，而舉升參數優化設計后，沖次基本上都小于4次/min，為此抽油機井地面上需要配備節能減速設備。目前油田上在用的減速設備主要有變頻控制柜、慢速電動機、機械調速裝置三種。

1）變頻控制柜。變頻控制柜主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元、微處理單元等組成，通過控制頻率調節電動機轉速。由于大多數都是普通三相異步電動機，轉速過低會影響電動機散熱，因此變頻器頻率調節范圍一般在25～60 Hz，按照目前抽油機額定最小沖次4次/min和最大沖次6次/min換算，變頻器可擴大沖次范圍到2.0～7.2次/min左右。

2）機械調速裝置。抽油機調速裝置以小功率4級電動機為驅動力，采用皮帶輪傳動方式，由齒輪變速箱、電動機、皮帶輪組裝而成，機械調速裝置見圖2。電動機的輸出軸與變速箱的輸入軸通過齒輪固定相連，變速箱的輸出軸上安裝皮帶輪，三者通過軸和鍵組裝連接成為一個整體，通過換擋機構變換沖次。沖次調節范圍為1～4次/min，檔位2～3個。

圖2 機械調速裝置Fig.2 Mechanical speed regulation device

3）慢速電動機。慢速電動機就是普通的Y系列三相異步電動機，不同在于該電動機級數為12級，轉速只有490 r/min。一般抽油機井上常用的8級電動機為730 r/min，6級電動機為980 r/min，應用慢速電動機后沖次可降低為原來的0.5～0.67倍，范圍為2.0～2.7次/min。

三種減速裝置都有其各自的優缺點和沖次的調節范圍，為了提高投入產出比，優化后沖次在2.0～4.0次/min，電動機使用年限超過10 a的抽油機井，應用機械調速裝置；電動機使用年限未超過10 a的抽油機井，應用變頻控制柜，沖次小于2次/min的抽油機井，應用機械調速裝置，地面三種減速設備技術對比情況見表3。

表3 地面三種減速設備技術對比情況Tab.3 Technical comparison of ground deceleration equipment

3 現場應用效果分析

在新疆油田兩個稀油試驗區應用了抽油機井“地面-井下”一體化效率提升集成技術57口。抽油機井舉升參數優化后，地面參數沖程增加，沖次大幅降低，井下參數泵徑增加，泵掛上提，抽油機井舉升參數優化前后對比情況見表4。根據優化設計的沖次結果，地面配套慢速電動機32臺，機械調速裝置23臺，變頻控制系統2臺。

表4 抽油機井舉升參數優化前后對比情況Tab.4 Statistical table before and after optimization of lifting parameters of pumping wells

3.1 生產效果

實施后，平均動液面上升116 m，增加了井底流壓，平均單井日產液量增加了0.9 t，沉沒度下降210 m，更趨合理，平均泵效增加3%，優化前后生產效果對比情況見表5。

表5 優化前后生產效果對比情況Tab.5 Statistical table of production effect before and after optimization implementation

3.2 節能效果

針對試驗區應用的變頻控制系統、慢速電動機、機械調速裝置三種地面減速技術，對其中33口井進行了抽油機井系統效率隨機測試，優化措施實施后，平均系統效率提升了5.0%，節能率達到25.7%，節能效果顯著，優化前后節能效果匯總對比情況見表6。

表6 優化前后節能效果匯總對比情況Tab.6 Statistical table of energy saving effect before and after optimization implementation

3.3 綜合效益

抽油機井節能技術集成應用，產生的效益主要為三個方面：一是節約電費；二是減小沖次后，可減少桿管磨損，延長檢泵周期，節約檢泵費；三是地面更新老舊電動機后可節約電動機維護費。

實施的57口井按照電表計量數據計算，實施前平均輸入功率為3.58 kWh，實施后平均輸入功率2.83 kWh，綜合電價按0.68元/kWh，運行天數330 d計算，可節約電費22.98萬元。改造前平均檢泵周期800 d，改造后平均沖次由4.9次/min降低到2.0次/min，延長檢泵周期237 d。按照平均檢泵費用4萬元計算，節約檢泵費用23.71萬元。同時安裝慢速電動機和機械減速裝置每年還可節約電動機維護費用5.5萬元。

優化實施方案都是在檢泵時實施，因此主要增加投入費用為地面減速設備和泵的費用，57口井總計投入115.7萬元，綜合效益46.69萬元，靜態投資回收期2.21 a，效益顯著。綜合效益測算匯總情況見表7。

表7 綜合效益測算匯總情況Tab.7 Comprehensive benefits calculation

4 結論與認識

1）造成抽油機井系統效率低的原因主要有兩個方面：一是抽油機井能量傳送環節多，能量損失大；二是輸入能量過大，能量不匹配。因此提高抽油機井系統效率的關鍵是減少能量傳送環節損失和減少多余能量的輸入，實現能量的按需供給。

2）低產井一般泵效比較低，能量供給過多，供排不平衡，可通過減小舉升參數減少能量的輸入，降低理論排量，實現油井供排平衡。

3）中、高產井一般泵效比較高，供排平衡，系統效率較高，可采取降低沖次，換大泵的方式，在不影響理論排量前提下，減少能量的傳遞損失，進一步提高系統效率。

4）抽油機井節能技術集成應用實現了不同工況的抽油機井系統效率提升，平均節能率達到20%以上，不僅可節約電費也可節約檢泵費用，經濟效益顯著。

5）抽油機井舉升參數優化設計是以產液量穩定為前提，因此節能技術的集成應用效果受到油井產液量波動的影響，仍需根據油井工況變化及時調整參數，計劃后期將開展地面與井下聯動的自動適應控制技術，根據油井工況自主決策舉升參數優化調整方案，提升節能技術集成的時效性。