油田機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用及建議

孟祥濤 張曉燕

(1.中國(guó)石化中原油田分公司安全環(huán)保部；2.中國(guó)石化中原油田分公司生產(chǎn)運(yùn)行管理部)

0 引 言

中原油田是國(guó)內(nèi)陸上老油田之一，原油產(chǎn)量于1988年達(dá)到最高峰722萬t，經(jīng)過20年的開發(fā)，到2018年產(chǎn)量下降至126萬t，原油含水達(dá)到95%。目前原油生產(chǎn)面臨產(chǎn)量遞減、含水率上升、噸油成本高、高耗低效等矛盾?！笆濉币詠恚性吞锵嗬^在機(jī)采系統(tǒng)試驗(yàn)和應(yīng)用了一批節(jié)能新技術(shù)，雖然在生產(chǎn)中起到了一定的節(jié)能增效作用，但是并沒有從根本上解決油田實(shí)際生產(chǎn)中的瓶頸問題。隨著科技發(fā)展，從技術(shù)上解決這些難題成為可行，但是要從“技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、企業(yè)可以承受”等綜合決策，研究適合老油田生產(chǎn)實(shí)際的低成本采油生產(chǎn)節(jié)能技術(shù)，是節(jié)能工作中急需解決的重點(diǎn)任務(wù)。

1 存在問題

隨著中原油田進(jìn)入開采中后期，油井含水不斷上升，動(dòng)液面不斷下降，油田產(chǎn)層深度、泵掛深度呈增加趨勢(shì)[1]。當(dāng)前油田機(jī)采系統(tǒng)主要存在以下問題。

1.1 主力機(jī)采設(shè)備自身存在的主要問題

目前，中原油田油井開井?dāng)?shù)為3 200余口，其中游梁式抽油機(jī)占3 000口以上，是油田機(jī)采系統(tǒng)的絕對(duì)主力設(shè)備，其采用四桿機(jī)構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，操作維護(hù)方便，但由于其結(jié)構(gòu)特征，存在平衡效果差、曲柄凈扭矩脈動(dòng)大的問題，導(dǎo)致載荷率低、工作效率低和能耗大等缺點(diǎn)。

游梁式抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)使“驢頭”的運(yùn)動(dòng)規(guī)律類似簡(jiǎn)諧運(yùn)行，“驢頭”在最高點(diǎn)和最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生交替轉(zhuǎn)換中，地下井筒內(nèi)的抽油泵柱塞并不是同步進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而是有一定的置后時(shí)間，此時(shí)“驢頭”與抽油泵柱塞的運(yùn)動(dòng)速度不同、方向甚至相反，而此時(shí)加速度變化最大，會(huì)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生兩大危害：一是對(duì)抽油機(jī)變速箱齒輪、抽油桿、抽油泵產(chǎn)生巨大的沖擊載荷，容易造成減速箱損壞、抽油桿斷脫，從而造成設(shè)備損壞，或發(fā)生井下事故；二是受慣性和抽油桿彈性變形影響，會(huì)造成抽油泵沖程損失，導(dǎo)致抽油泵效率下降。

1.2 地層供液與抽油機(jī)提液能力不匹配

在油井開采中后期，地層供液能力逐漸下降，抽油機(jī)單位時(shí)間抽出的液量變少，但其運(yùn)行時(shí)間并沒有減少，與以往相比，消耗相同的電能，產(chǎn)出的原油量變少，用電效率降低；隨著時(shí)間的推移，用電效率還有降低的趨勢(shì)。主要原因是由于抽油機(jī)對(duì)于發(fā)生變化的地層供液能力，仍保持固定的工作方式，高速的抽油機(jī)運(yùn)行速度與低下的地層供液能力形成供不應(yīng)求的狀況，最終造成抽油機(jī)“泵空”(即空抽現(xiàn)象)[2]。

1.3 電力拖動(dòng)裝置與實(shí)際生產(chǎn)工況不匹配

游梁式抽油機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩比正常運(yùn)行轉(zhuǎn)矩大1倍以上，通常都是重載啟動(dòng)；抽油機(jī)啟動(dòng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，其平均轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)小于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；而且為應(yīng)對(duì)抽油過程中的砂卡、結(jié)蠟等特殊情況，防止電動(dòng)機(jī)因卡死而燒毀，電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)功率都遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行功率。目前，油田抽油機(jī)常用的三相異步電動(dòng)機(jī)出廠效率在90%左右，但實(shí)際功率因數(shù)大多小于0.4，負(fù)載率低于30%。選用大功率電動(dòng)機(jī)確實(shí)提高了設(shè)備的穩(wěn)定性，但電動(dòng)機(jī)效率變低[3]。游梁式抽油機(jī)的載荷特點(diǎn)是帶有沖擊的周期性交變載荷，在一個(gè)沖程中存在發(fā)電問題，即抽油機(jī)“倒發(fā)電”現(xiàn)象，多余的能量反饋到電網(wǎng)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，造成電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，對(duì)電動(dòng)機(jī)影響很大，也不利于抽油機(jī)的可靠工作。

1.4 缺少適合油田生產(chǎn)實(shí)際的低成本節(jié)能新技術(shù)

“十二五”以來，油田每年試驗(yàn)和應(yīng)用了一些節(jié)能新技術(shù)，從局部或者某些環(huán)節(jié)解決了一些實(shí)際問題，也確實(shí)取得了一定的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益，但是存在性價(jià)比差、改進(jìn)工作跟不上等問題，出現(xiàn)“節(jié)能不節(jié)錢”的現(xiàn)象，仍然沒有解決油田實(shí)際生產(chǎn)中存在的系統(tǒng)性問題，無法大規(guī)模推廣應(yīng)用。

2 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)老油田機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能降耗、提質(zhì)增效，通過對(duì)油田“十二五”以來試驗(yàn)和應(yīng)用的節(jié)能新技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，主要有以下8種節(jié)能技術(shù)。

2.1 抽油機(jī)直流集群控制技術(shù)

該技術(shù)集中整流、井口逆變的直流母線供電模式，充分發(fā)揮計(jì)量站油井集群優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)“倒發(fā)電”能量互饋共享，可遠(yuǎn)程監(jiān)控，在線調(diào)整沖次與地層供液能力進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)計(jì)量站整體效率提升，并根治竊電，但整體價(jià)格低，節(jié)電效果較好，在1座計(jì)量站(帶4口油井)應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試節(jié)電率達(dá)20%。

2.2 抽油機(jī)智能伺服姿態(tài)控制技術(shù)

油田機(jī)采系統(tǒng)配套的電動(dòng)機(jī)以三相異步電動(dòng)機(jī)為主，但是目前的伺服控制技術(shù)以同步電動(dòng)機(jī)為主。三相異步電動(dòng)機(jī)的伺服控制技術(shù)，可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際有效調(diào)節(jié)沖次和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，滿足油井不同沖次連續(xù)生產(chǎn)需要，對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行控制，在抽油桿上下沖程和死點(diǎn)附近實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，可以增加抽油泵有效沖程，減少抽油桿的沖擊載荷，延長(zhǎng)檢泵周期，整體價(jià)格較低，節(jié)電效果顯著，可以較好的解決油井地面、地下設(shè)備和工藝節(jié)能問題[4]。應(yīng)用35口井，節(jié)電率在30%～60%(通過調(diào)整參數(shù))。

2.3 抽油機(jī)四象限變頻器調(diào)速技術(shù)

該技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)變速調(diào)節(jié)，也可處理電動(dòng)機(jī)“倒發(fā)電”問題，滿足油井不同生產(chǎn)需求，但網(wǎng)側(cè)電流諧波污染較重[5]、功率因數(shù)較低，整體造價(jià)高，體積大。應(yīng)用兩口井，節(jié)電率20%(通過調(diào)整參數(shù))。

2.4 永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)直驅(qū)智能控制及安全制動(dòng)技術(shù)

該技術(shù)以永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，替代抽油機(jī)減速箱，直接驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)曲柄，并通過變頻控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)沖次不停機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)整，減少皮帶間接驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，提高抽油機(jī)機(jī)械傳動(dòng)效率，但整體價(jià)格昂貴，且維護(hù)費(fèi)用高。應(yīng)用10口井，節(jié)電率在30%(通過調(diào)整參數(shù))。

2.5 永磁半直驅(qū)自動(dòng)化技術(shù)

該技術(shù)將永磁電動(dòng)機(jī)制作成圓餅狀，安裝于抽油機(jī)減速箱大皮帶輪位置(替代大皮帶輪)，直接驅(qū)動(dòng)減速箱，減少了皮帶傳動(dòng)損耗；優(yōu)選了適用于半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的變頻控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)運(yùn)行遠(yuǎn)程控制及沖次調(diào)整，最低沖次可達(dá)0.1次/min；同時(shí)，提高抽油機(jī)各零部件的壽命，但安裝較復(fù)雜，適合對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。應(yīng)用27口井，節(jié)電率在30%～50%(通過調(diào)整參數(shù))。

2.6 智能驅(qū)動(dòng)式抽油機(jī)技術(shù)

該技術(shù)在抽油機(jī)游梁尾端安裝智能驅(qū)動(dòng)裝置——驅(qū)動(dòng)缸，在游梁前端裝上安全桿，省掉抽油機(jī)原驅(qū)動(dòng)裝置系統(tǒng)，解決了抽油機(jī)“大馬拉小車”和“倒發(fā)電”問題，目前仍處于完善試驗(yàn)階段。應(yīng)用兩口井，節(jié)電率在30%～60%(通過調(diào)整參數(shù))。

2.7 塔架式抽油機(jī)技術(shù)

該技術(shù)為塔架式結(jié)構(gòu)，采用外轉(zhuǎn)子稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)和直接平衡方式，且與變頻控制技術(shù)相結(jié)合，可解決深抽井、稠油井、嚴(yán)重偏磨井對(duì)“長(zhǎng)沖程、低沖次”的需求，提高綜合開采效益。在胡47塊建立了10口井的節(jié)能抽油機(jī)示范區(qū)。由于廠家生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)問題，設(shè)備售后服務(wù)跟不上，該機(jī)型未實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用[6]。應(yīng)用20口井，節(jié)電率30%(通過調(diào)整參數(shù))。

2.8 新型螺桿泵(進(jìn)口)采油技術(shù)

隨著油田進(jìn)入開發(fā)中后期，產(chǎn)能下降，含水上升，效益變差，電泵采油技術(shù)已不適應(yīng)油田效益開發(fā)形勢(shì)。為保證電泵井轉(zhuǎn)改后液量穩(wěn)定，對(duì)18口井實(shí)施螺桿泵應(yīng)用，與電泵相比，產(chǎn)液及產(chǎn)量基本保持穩(wěn)定，單井平均日節(jié)電807 kW·h。但該技術(shù)對(duì)選井要求高，且價(jià)格較高。各種節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 中原油田節(jié)能技術(shù)應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì) 萬元

3 結(jié)論及建議

解決老油田油氣生產(chǎn)中的穩(wěn)產(chǎn)增效、節(jié)能降耗問題，需要從管理和技術(shù)兩個(gè)方面同時(shí)入手，既要在技術(shù)研發(fā)上有所突破，更要在管理上有所創(chuàng)新，研發(fā)應(yīng)用低成本、適合老油田生產(chǎn)實(shí)際的節(jié)能新技術(shù)。

3.1 新投井設(shè)備配套中優(yōu)先新型抽油機(jī)應(yīng)用

智能驅(qū)動(dòng)式抽油機(jī)、塔架式抽油機(jī)在價(jià)格上相差不大，與傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)相比，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，信息化程度高，可以遠(yuǎn)程調(diào)整抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)，系統(tǒng)效率比游梁式抽油機(jī)高10%以上。如果僅以新、舊機(jī)型替換的方式進(jìn)行推廣，存在投資回收期長(zhǎng)、造成資產(chǎn)閑置等問題。所以，可以在新投井配套中加大新機(jī)型的推廣應(yīng)用，形成規(guī)模效應(yīng)。

3.2 數(shù)字化油田建設(shè)優(yōu)先機(jī)電一體化控制技術(shù)應(yīng)用

抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)調(diào)速主要有機(jī)械、變頻和電磁調(diào)速3種。在數(shù)字化油田建設(shè)中，變頻調(diào)速技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，在遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)中發(fā)揮巨大作用。但變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的控制為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即高轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)低轉(zhuǎn)速，無法滿足抽油機(jī)低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的特殊變工況的需求。三相異步電動(dòng)機(jī)伺服控制技術(shù)的核心是“對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的控制分開、獨(dú)立控制”，在不改變地面設(shè)備、地下桿泵的前提下，可有效解決油井地面設(shè)備、地下桿泵工藝系統(tǒng)節(jié)能問題。其技術(shù)原理是根據(jù)抽油機(jī)運(yùn)行軌跡特性，自動(dòng)調(diào)節(jié)抽油桿在上下止點(diǎn)附近的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，減少?zèng)_程損失，減少抽油桿的沖擊載荷，從而提高泵效，改善抽油桿受力狀況，減少偏磨、斷脫現(xiàn)象，有效延長(zhǎng)“機(jī)-桿-泵”使用壽命，延長(zhǎng)檢泵周期30%以上。將該技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)在智能化油田建設(shè)推廣應(yīng)用，具有低成本優(yōu)勢(shì)。

3.3 機(jī)采設(shè)備技術(shù)改造中優(yōu)先永磁半/全直驅(qū)控制技術(shù)應(yīng)用

油田機(jī)采設(shè)備更新改造是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，不能僅滿足簡(jiǎn)單的以舊換新，不考慮改造的經(jīng)濟(jì)性。如果在更新電動(dòng)機(jī)、減速箱、配電設(shè)施等項(xiàng)目中，可以論證應(yīng)用永磁半/全直驅(qū)控制技術(shù)，這兩種技術(shù)都可以取消電動(dòng)機(jī)皮帶傳送這一耗能環(huán)節(jié)，永磁全直驅(qū)控制技術(shù)還能取消減速箱機(jī)械傳動(dòng)這一耗能環(huán)節(jié)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用評(píng)價(jià)，其綜合經(jīng)濟(jì)效益較好。

3.4 內(nèi)部合同能源管理機(jī)制有利于自主研發(fā)技術(shù)的應(yīng)用

合同能源管理是國(guó)家鼓勵(lì)推行的一種能源合作項(xiàng)目的機(jī)制，主要內(nèi)容是以合同的形式，由外部企業(yè)(機(jī)構(gòu))進(jìn)行投資，對(duì)油田的節(jié)能項(xiàng)目實(shí)施改造，節(jié)能項(xiàng)目投產(chǎn)后，油田在雙方約定的一段時(shí)期內(nèi)，用項(xiàng)目節(jié)約能源的成本支付給項(xiàng)目投資企業(yè)。在老油田企業(yè)，實(shí)施合同能源管理的難度很大，主要原因是項(xiàng)目論證周期長(zhǎng)、審查難，導(dǎo)致很多項(xiàng)目沒有論證通過。

油田企業(yè)應(yīng)創(chuàng)新管理機(jī)制，研究建立“內(nèi)部合同能源管理”新機(jī)制，促進(jìn)科研單位自主研發(fā)節(jié)能科技成果的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)化?！皟?nèi)部合同能源管理”的模式是由油田內(nèi)部科研單位將自主研發(fā)的節(jié)能科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，與各采油廠簽訂內(nèi)部合同，以技術(shù)服務(wù)的方式給各采油廠進(jìn)行技術(shù)服務(wù)；采油廠在項(xiàng)目投運(yùn)后，定期將節(jié)約能源的成本支付給科研單位。該模式可以有效解決能源基準(zhǔn)、節(jié)能量核定、利益輸送等實(shí)際難題。2016年，文留采油廠與石油工程技術(shù)研究院以“內(nèi)部合同能源管理”的模式，在采油管理二區(qū)14號(hào)站4口井實(shí)施了“直流集群控制技術(shù)”改造項(xiàng)目，取得了試點(diǎn)的成功，綜合節(jié)電率在20%以上?！皟?nèi)部合同能源管理”的新模式，不僅能夠極大促進(jìn)油田內(nèi)部科研單位研發(fā)科技成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化，調(diào)動(dòng)科研攻關(guān)的主動(dòng)性、積極性，而且可以解決油田生產(chǎn)實(shí)際困難，降低油氣生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提高油田經(jīng)濟(jì)效益。