影響抽油機(jī)系統(tǒng)能耗原因分析及節(jié)能對(duì)策

李誠(chéng) （大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

影響抽油機(jī)系統(tǒng)能耗原因分析及節(jié)能對(duì)策

李誠(chéng) （大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

游梁式抽油機(jī)在我國(guó)各油田數(shù)量眾多，實(shí)現(xiàn)其高效運(yùn)行是油田經(jīng)濟(jì)開發(fā)的重要途徑。國(guó)內(nèi)各油田抽油機(jī)井系統(tǒng)效率水平各有不同，主要與油井舉升高度、產(chǎn)液量、生產(chǎn)參數(shù)、系統(tǒng)負(fù)載率等因素有關(guān)。針對(duì)影響抽油機(jī)井系統(tǒng)舉升效率的主要問題進(jìn)行了討論，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能潛力進(jìn)行了闡述，并提出了相應(yīng)的節(jié)能對(duì)策，對(duì)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井高效運(yùn)行具有實(shí)際意義。

抽油機(jī)；節(jié)能潛力；系統(tǒng)效率；功率利用率

游梁式抽油機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，在各油田機(jī)械采油井中占主導(dǎo)地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)陸上油田游梁式抽油機(jī)總井?dāng)?shù)超過20萬(wàn)口，占機(jī)械采油井總數(shù)的92%，能耗普遍占整個(gè)油田的三分之一左右[1]；因此，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井高效運(yùn)行對(duì)油田經(jīng)濟(jì)開發(fā)意義重大。

抽油機(jī)井系統(tǒng)效率是衡量有桿泵系統(tǒng)生產(chǎn)與能耗水平的綜合性指標(biāo)，由于影響抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的環(huán)節(jié)較多，致使總效率較低。目前國(guó)內(nèi)各油田抽油機(jī)井系統(tǒng)效率主要分布在20%～30%之間，大慶油田平均為28%，勝利油田平均為25%，長(zhǎng)慶油田平均為20%，效率高低與油井舉升高度、產(chǎn)液量、含水率、系統(tǒng)負(fù)載率等因素有關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)油田抽油機(jī)井系統(tǒng)效率進(jìn)一步提升，對(duì)影響游梁式抽油機(jī)井舉升效率的主要問題進(jìn)行了討論，并提出了相應(yīng)的節(jié)能措施，對(duì)指導(dǎo)抽油機(jī)井高效運(yùn)行具有實(shí)際意義。

1 影響抽油機(jī)系統(tǒng)能耗原因分析

1.1電動(dòng)機(jī)功率利用率

電動(dòng)機(jī)效率最高時(shí)的負(fù)載率稱為經(jīng)濟(jì)負(fù)載率。通常情況下，電動(dòng)機(jī)很難保持在效率最高的狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。在比較理想的狀態(tài)下，負(fù)載率為75%～100%，此時(shí)電動(dòng)機(jī)效率能夠達(dá)到90%左右，功率因數(shù)較高，電動(dòng)機(jī)的容量得到充分利用,在這個(gè)范圍內(nèi)的負(fù)載率是電動(dòng)機(jī)合理運(yùn)行的負(fù)載率；而抽油機(jī)的負(fù)載是一種周期性交變載荷，波動(dòng)幅度較大。當(dāng)負(fù)載率較低時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率處于較低水平，這是導(dǎo)致抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)效率低的主要原因[2]。

對(duì)大慶油田11 127口抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)功率利用率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，平均利用率為23.2%，其中利用率低于20%的油井占48.5%，功率利用率低是制約電動(dòng)機(jī)效率提高的重要因素。究其原因主要是油井投產(chǎn)初期機(jī)型和裝機(jī)功率選擇大，造成低負(fù)荷運(yùn)行。

1.2抽油機(jī)平衡

對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行合理平衡是油田生產(chǎn)中一項(xiàng)重要內(nèi)容。抽油機(jī)運(yùn)行不平衡，會(huì)造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流波動(dòng)幅度增大，電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)負(fù)功率現(xiàn)象，造成不必要的耗電。通過改變抽油機(jī)的平衡狀況，降低曲柄軸轉(zhuǎn)矩峰值及其波動(dòng)幅度，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗。對(duì)于抽油機(jī)系統(tǒng)，能耗損失主要由電動(dòng)機(jī)的固定損耗、變動(dòng)損耗，以及機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)損耗構(gòu)成，一般電動(dòng)機(jī)固定損耗與機(jī)械傳動(dòng)損耗相對(duì)變化較小，而電動(dòng)機(jī)的變動(dòng)損耗與電流的平方成正比。電動(dòng)機(jī)電流的大小取決于電動(dòng)機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩，它與曲柄軸轉(zhuǎn)矩大體成比例關(guān)系，所以只要保證曲柄軸轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，即均方根值較小，就能保證電動(dòng)機(jī)高效率運(yùn)行。因此，通過調(diào)整抽油機(jī)平衡，可以降低曲柄軸轉(zhuǎn)矩峰值及其波動(dòng)幅度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。

1.3生產(chǎn)參數(shù)

抽油機(jī)井生產(chǎn)參數(shù)包括沉沒度、沖程、沖速、桿柱配比及泵徑，參數(shù)是否合理是影響抽油機(jī)能耗的重要因素。生產(chǎn)參數(shù)合理的油井，供采關(guān)系更加協(xié)調(diào)，抽油機(jī)地面與井下環(huán)節(jié)效率都較高。例如現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，個(gè)別油井系統(tǒng)效率能夠達(dá)到40%或者更高，主要原因就是生產(chǎn)參數(shù)選擇合理，油井處于供采平衡條件下生產(chǎn)，井下泵效與地面設(shè)備效率都處于較高水平。而測(cè)試中也發(fā)現(xiàn)，部分油井系統(tǒng)效率甚至不足10%，主要原因多為抽汲參數(shù)選擇偏大，油井出現(xiàn)供液不足，導(dǎo)致泵效低、系統(tǒng)負(fù)載波動(dòng)大，整機(jī)效率低。

1.4井下泵效低

抽油機(jī)井泵效低是油田機(jī)采井存在的普遍問題之一，泵效不足50%是絕大部分油井的生產(chǎn)現(xiàn)狀。以大慶外圍油田某區(qū)塊為例，該區(qū)塊滲透低，單井產(chǎn)量平均2.8 m3/d，含水率72%以下，沉沒度平均171 m，泵效平均21.2%，系統(tǒng)效率12.5%。此類油井在國(guó)內(nèi)其他油田也大量存在，能耗利用率低，嚴(yán)重制約了抽油機(jī)效率水平的提升。

1.5其他問題

抽油機(jī)能量損失除電動(dòng)機(jī)損耗外，還包括帶傳動(dòng)損耗、密封盤根損耗、減速箱傳動(dòng)損耗、四連桿傳動(dòng)損耗、桿管磨損，這些損耗屬于機(jī)械損耗，由于環(huán)節(jié)比較多，對(duì)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率有一定影響。對(duì)于這部分損耗主要辦法是加強(qiáng)日常管理，對(duì)減速箱及時(shí)保養(yǎng)，對(duì)皮帶、盤根定期預(yù)緊及時(shí)更換，并對(duì)抽油機(jī)定期進(jìn)行潤(rùn)滑，減少傳動(dòng)磨損，降低傳動(dòng)損耗。

2 抽油機(jī)系統(tǒng)節(jié)能對(duì)策

2.1合理降低抽油機(jī)井裝機(jī)功率

電動(dòng)機(jī)功率利用率低是抽油機(jī)應(yīng)用中存在的普遍問題，功率利用率低導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)大部分時(shí)間工作在低效區(qū)。當(dāng)功率利用率較高時(shí)，由于抽油機(jī)負(fù)載是一種交變載荷，波動(dòng)幅度較大，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)在部分時(shí)間內(nèi)過載運(yùn)行，影響電動(dòng)機(jī)使用壽命；因此，電動(dòng)機(jī)功率利用率存在合理區(qū)間（30%～60%）（圖1）。利用率每提高10個(gè)百分點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)效率提高5個(gè)百分點(diǎn)。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行功率峰值一般為平均值的2.5～3倍，當(dāng)利用率上限為60%時(shí)，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過載。因此，將電動(dòng)機(jī)利用率上限定為40%更為合理，既能使電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行，又能保證電動(dòng)機(jī)處于額度負(fù)載運(yùn)行，延長(zhǎng)使用壽命[2，4-5]。

圖1 電動(dòng)機(jī)負(fù)載率與效率曲線

2.2對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行合理平衡

目前判斷抽油機(jī)是否處于平衡狀況的方法有3種[3]：

◇抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)上沖程與下沖程對(duì)外做功相等；

◇懸點(diǎn)上沖程與下沖程中減速箱曲柄軸峰值轉(zhuǎn)矩相等；

◇周期內(nèi)減速箱曲柄軸轉(zhuǎn)矩均方根值最小。

方法2的實(shí)現(xiàn)方法為電流平衡法，由于其測(cè)試操作簡(jiǎn)單，為各油田廣泛應(yīng)用。但目前研究普遍認(rèn)為方法3在不超過抽油機(jī)曲柄軸額定轉(zhuǎn)矩前提下，更利于抽油機(jī)節(jié)能，抽油機(jī)運(yùn)行也更加平穩(wěn)。

針對(duì)這一問題開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比研究，利用上述兩種方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)15口抽油機(jī)井進(jìn)行平衡調(diào)整的測(cè)試對(duì)比（表1）。

表1 抽油機(jī)平衡調(diào)整節(jié)電情況對(duì)比

可見，對(duì)游梁式抽油機(jī)采用合理平衡方法，預(yù)計(jì)能夠產(chǎn)生3%～4%的節(jié)能效果。

2.3合理優(yōu)化抽油機(jī)井生產(chǎn)參數(shù)

加強(qiáng)抽油機(jī)井機(jī)、泵、桿選擇及工作參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在油井投產(chǎn)或井況改變需要調(diào)參以及采取其他增產(chǎn)措施時(shí)，都必須堅(jiān)持系統(tǒng)效率最高和供排協(xié)調(diào)的原則。

為了驗(yàn)證生產(chǎn)參數(shù)對(duì)油井系統(tǒng)效率的影響，對(duì)某油田區(qū)塊32口井進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，其中抽汲參數(shù)偏大井21口，沉沒度小供液不足井及氣影響井15口。由此，對(duì)參數(shù)偏大井，下調(diào)了沖程、沖速參數(shù)；對(duì)部分油井沉沒度進(jìn)行了調(diào)整，采取增加泵掛深度的方法；并對(duì)部分井進(jìn)行了平衡調(diào)整，使全部抽油機(jī)達(dá)到合理平衡。通過生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整取得了較好效果，在保證單井產(chǎn)量不降的條件下，系統(tǒng)效率平均提高2.8個(gè)百分點(diǎn)。措施前后測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 某區(qū)塊32口抽油機(jī)井參數(shù)調(diào)整前后對(duì)比

由表2可知，參數(shù)優(yōu)化對(duì)提高系統(tǒng)效率降低能耗有明顯效果，同時(shí)參數(shù)優(yōu)化具有投資少、見效快、資金回收期短的特點(diǎn)；因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)井的及時(shí)監(jiān)測(cè)，做到及時(shí)調(diào)整參數(shù)。

2.4提高井下抽油泵效率

為了確定抽油泵泵效的最大目標(biāo)值，利用抽油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)模擬試驗(yàn)井進(jìn)行了泵效測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)井生產(chǎn)參數(shù)為：泵掛1000 m，沉沒度200 m，泵徑φ57 mm，沖程3 m，沖速6 min-1，試驗(yàn)介質(zhì)為水，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果該井泵效達(dá)到79.6%。而對(duì)大慶油田某區(qū)塊1512口井的統(tǒng)計(jì)表明，平均含水率92.4%，泵掛915 m，沉沒度239 m，油井參數(shù)基本與試驗(yàn)井況相似，但平均泵效為52.1%，與試驗(yàn)井泵效差距較大。分析認(rèn)為有三方面原因：介質(zhì)不同影響泵充滿程度；現(xiàn)場(chǎng)井地層有伴生氣影響泵效；標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)井參數(shù)選用比現(xiàn)場(chǎng)井合理[6]。

提高井下泵效率是提高整機(jī)效率的較好途徑。改善抽油泵結(jié)構(gòu)，減小凡爾及過流通道阻力，對(duì)氣影響井應(yīng)用防氣裝置，加強(qiáng)油井參數(shù)優(yōu)化是解決問題的好方法。

3 結(jié)論

通過研究，對(duì)于游梁式抽油機(jī)節(jié)能工作，地面環(huán)節(jié)中電動(dòng)機(jī)是節(jié)能重點(diǎn)，同時(shí)要加強(qiáng)抽油機(jī)平衡管理；對(duì)于井下環(huán)節(jié)，如何提高抽油泵泵效是節(jié)能重點(diǎn)，要加強(qiáng)油井合理沉沒度監(jiān)測(cè)與管理，并對(duì)受氣影響油井應(yīng)用防氣措施；另外，參數(shù)優(yōu)化是提高效率的重要途徑，要加強(qiáng)油井日常功圖、液面、電參及產(chǎn)液量測(cè)試，做到系統(tǒng)分析，及時(shí)調(diào)整參數(shù)。抽油機(jī)井的節(jié)能工作是一個(gè)系統(tǒng)工程，必須把地面節(jié)能和井下提效有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，才能有效提高系統(tǒng)效率，降低能耗。

[1]王云建.抽油機(jī)肩扛節(jié)能降耗大旗[J].石油與裝備，2009，27（4）:46-48.

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.10.013

2016-04-12

（編輯 李珊梅）

李誠(chéng)，工程師，2013年畢業(yè)于東北石油大學(xué)（油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)），從事機(jī)械采油技術(shù)的研究工作，E-mail：licheng@petrochina. com.cn，地址：黑龍江省大慶市大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠第一油礦，163453。