潛油電泵電動機經濟運行監測與評價

馬中山（中國石油新疆油田分公司實驗檢測研究院）

1 現狀

在油田機械采油系統中，潛油電泵因其設備簡單， 安裝方便， 排量大， 是保持穩產的一種有效采油方式， 也日益成為油田開采的重要手段之一[1-2]。為保證潛油電泵的經濟高效運行，需要對其主要運行參數進行定期監測，其中電動機功率利用率是一項重要的技術指標。

目前機械采油系統電動機功率利用率的測試與計算主要依據石油行業標準SY/T 6374—2016《機械采油系統經濟運行規范》。該標準規定了機械采油系統電動機功率利用率具體的計算方法[3]，計算見公式（1）：

式中：ηd為機械采油系統電動機功率利用率，%；Pr為機械采油系統電動機平均輸入有功功率，kW；Pe為機械采油系統電動機額定功率，kW。

在測試潛油電泵井過程中，由于潛油電泵及電動機置于井下，無法測試潛油電泵電動機的實際輸入功率，通常在地面控制柜進行電參數的采集，并以此為電動機輸入功率來計算電動機的功率利用率，使計算結果出現大范圍的不合理偏差。

2 功率利用率測算方法分析

公式（1） 中要求測試電動機平均輸入功率。這需要對游梁式抽油機、地面驅動螺桿泵等在地面驅動的機械采油系統電動機進行電參數測試采集，其采集過程相對簡單，電動機功率利用率的測試計算結果也是正確的。但對驅動電動機處于井下的潛油電泵類設備，由于舉升工藝的不同，因此無法直接測量井下潛油電動機輸入電功率參數，一般在地面控制柜的輸入端測試相應的電功率參數，并以測試數據作為潛油電動機輸入功率計算功率利用率。潛油電泵井系統基本上由三部分八大件組成[4-5]：地面部分，包括控制屏、接線盒和變壓器；中間部分，主要為動力電纜；井下部分，包括潛油電動機、保護器、分離器和多級離心泵等。

潛油電泵機組下設到井里，動力電纜通過控制柜連接到井口變壓器上，電能通過動力電纜輸送給井下潛油電泵電動機，其中最主要的部分是潛油電動機，它驅動潛油電泵吸取地下井液實現舉升開采[6]。潛油電泵井系統流程見圖1。

圖1 潛油電泵井系統流程Fig.1 Flow of submersible electric pump well system

其工作原理為潛油電泵機組將電能通過動力電纜傳輸給電動機，電動機將電能轉換為機械能帶動電潛泵高速旋轉。潛油電泵中的每級葉輪旋轉，致使井液壓力逐步升高，在潛油電泵出口處達到潛油泵要求的舉升壓力，井液便通過油管舉升至地面，最后通過地面管線傳輸至地面集輸系統[4]。

公式（1） 計算方法與實際情況存在較大偏差，因為測試的地面控制柜輸入端功率數據并不等于潛油電泵電動機輸入功率，不能作為電動機功率利用率的計算依據，這是由潛油電泵井的設備結構決定的。潛油電泵井的電能經地面控制柜通過動力電纜輸送至潛油電動機[7]，由于存在電纜電阻，必然會產生一定的功率消耗，并且隨著泵掛深度的增加，電纜消耗的功率也會增大，包含電纜的消耗功率，這導致在地面控制柜輸入端測得的電功率會大于潛油電動機實際輸入功率。因此，在地面控制柜的輸入端測得的電功率并不等于潛油電動機輸入功率，它包括了動力電纜損耗及潛油電動機消耗的兩部分功率，以此作為潛油電動機輸入功率來計算電動機功率利用率，會出現較大的結果偏差，影響了潛油電泵井經濟運行的技術評價。

為正確評價潛油電泵運行狀況，需要準確測算潛油電泵電動機的實際輸入功率及功率利用率。由于在潛油電泵井地面控制柜測得的輸入功率主要包括動力電纜損耗及潛油電動機消耗兩部分功率，因此可采用動力電纜損耗功率及潛油電動機輸入功率分段計算的方法得到潛油電動機的實際輸入功率。

計算動力電纜消耗功率的理論依據是：首先測定潛油電泵機組的輸入電流，再根據標準GB/T 16750《潛油電泵機組》 的動力電纜電阻參數[8]，參考SY/T 5904《潛油電泵選井原則及選泵設計方法》中電纜功率損失的計算方法[9]，計算電纜的實際功率損失。該方法是根據潛油電泵井動力電纜實際長度來計算電纜的消耗功率，同時也體現了泵掛深度對電纜實際消耗功率的影響。

潛油電泵動力電纜消耗功率：

式中： ΔP為動力電纜消耗功率，kW；I為控制柜輸出電流，A；R為動力電纜總電阻，Ω；Re為動力電纜單位電阻，Ω/m；L為動力電纜長度，m。

潛油電泵電動機功率利用率：

式中：η′d為潛油電泵電動機功率利用率，%；Pr為系統平均輸入有功功率，kW；Pe為潛油電泵電動機額定功率，kW。

對于潛油電泵類設備，由于舉升工藝的不同，動力電纜通過潛油電泵井地面控制裝置由油管垂直鋪設至井下電動機，因此無法直接測量井下潛油電動機輸入電功率參數。在地面控制裝置測試與計算潛油電泵電動機的功率利用率時，通常未考慮潛油電泵動力電纜損耗功率，導致出現潛油電泵電動機功率利用率不合理偏高現象。通過動力電纜損耗功率及潛油電動機輸入功率進行分段計算的方法可得到潛油電動機的實際輸入功率，使潛油電泵電動機功率利用率的評價更加規范。

3 實測案例驗證

對2 臺不同功率、不同生產工況的潛油電泵井進行了現場測試，其他參數不變的情況下電動機功率利用率計算結果對比見表1。

表1 電動機功率利用率計算結果對比Tab.1 Comparison of calculation results for motor power utilization rate

2 臺潛油電泵采用不同計算方法得到的電動機功率利用率差別明顯，均有較大幅度下降。特別是HD4-15H 井的電動機功率利用率由122.0%下降到84.3%，運行狀態由超負荷變為正常負荷，這與該井長期正常運行的實際狀況是相符的。

按照修正后的計算方法，對20 臺潛油電泵井的電動機功率利用率進行對比測算，整體評價結果出現了較大的變化。電動機功率利用率評價結果對比見表2。

表2 電動機功率利用率評價結果對比Tab.2 Comparison of evaluation results for motor power utilization rate

可以看出，采用常規測算方法對其電動機功率利用率進行評價，測試的20 臺潛油電泵井中有13臺潛油電動機功率利用率超過100%，占比為65.0%；結果評價認為這13 臺潛油電泵井的電動機為偏高或超負荷運行，并存在一定的安全運行風險。這說明以往在測試潛油電泵井的過程中，通常在地面控制裝置進行潛油電泵井電動機輸入功率的參數采集，其中就包括了井下動力電纜所消耗的功率，如以此計算潛油電泵電動機的功率利用率，測算結果就會偏高；那么以常規測算方法的測算結果來判定電動機的運行狀態，就會認為電動機處于超負荷運行狀態；根據潛油電泵配套參數設計[10]，電動機的功率規格選型存在不合理情況。

采用修正后的動力電纜損耗功率及潛油電動機輸入功率分段計算方法的結果來看，在20 臺常規測算方法潛油電動機功率利用率評價100%合格的結果中，出現了9 臺功率利用率未達到大于或等于80%評價指標要求的情況，評價結論為9 臺潛油電動機負載率偏低，不滿足經濟運行指標的要求；并且20 臺潛油電泵未出現電動機功率利用率超過100%的情況。修正后的測算結果對應了相關潛油電泵井的運行記錄及技術設計參數，且均與其電動機的設計值相吻合；因此采用修正后的測算方法及計算結果反映了潛油電動機真實的功率利用率，可以準確評價潛油電動機功率利用率指標。

4 節能潛力分析

通過對表2 中電動機功率利用率偏低的潛油電泵井（HD10-1-4F）進行運行調整，油井整體運行效果出現了較大的變化，潛油電泵井電動機功率利用率運行調整結果見表3。

表3 潛油電泵井電動機功率利用率運行調整結果Tab.3 Operation adjustment results of motor power utilization rate for submersible electric pump well

調整前HD10-1-4F 潛油電泵井電動機功率利用率為75.5%，對其運行頻率進行了相應調整后，電動機功率利用率達到了80.5%，油井產液量提高了11.6 t，系統效率提高了1.2 個百分點，節能率為5.6%，日節電量為41.53 kWh。如對9 臺電動機功率利用率未達到評價指標要求的潛油電泵井運行參數進行調整，使其均達到指標要求，日可節電373.76 kWh，年可節電13.46×104kWh。

因此通過修正后的計算方法，首先對潛油電泵井功率利用率做出準確的測算及評價，針對電動機負載率偏低的原因，根據油井供液能力科學合理地調節其工作頻率，可提高電動機的功率利用，使其達到節能經濟運行。

5 結論

在潛油電泵節能監測過程中，通常以地面控制柜輸入功率作為潛油泵電動機輸入功率，造成電動機功率利用率測算結果高于實際值，部分經濟運行的電動機被判定為超載運行，輕載電動機被判定為合格運行，影響了潛油電泵的經濟運行管理。通過分段計算電纜損耗功率的方法可準確得到潛油電泵電動機的輸入功率，反映出潛油泵電動機實際負載情況，為潛油電泵井經濟運行管理及參數調整提供了科學依據。在潛油電泵電動機經濟運行監測與評價過程中發現：

1）以潛油電泵地面控制柜輸入功率作為電動機輸入功率計算得到的電動機功率利用率高于實際值，應當以潛油電泵電動機實際輸入功率來計算和評價電動機功率利用率。

2） 在SY/T 6374《機械采油系統經濟運行規范》要求基礎上，參考SY/T 5904《潛油電泵選井原則及選泵設計方法》，采用分段計算法可獲得潛油電泵電動機的實際輸入功率值。

3）對電動機功率利用率較低的潛油電泵合理調整運行參數，可實現電動機高效經濟運行及潛油電泵井系統效率的提高，降低采油單耗，取獲較好的節能效果和經濟效益。

由于未對電纜內部的感抗、容抗作出詳細的實驗檢測，忽略其對潛油電泵電動機功率利用率計算結果造成的偏差，后期需針對電纜的感抗、容抗對潛油電泵電動機的經濟運行指標影響作出進一步的分析研究。