機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能挖潛理論研究及應(yīng)用探討

唐淑艷（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

目前大慶油田第五采油廠機(jī)械采油系統(tǒng)耗電量為2.2379×108kW h，占全廠總耗電量的43.08%。而在保持產(chǎn)量不變的情況下，提高機(jī)械采油系統(tǒng)的運(yùn)行效率，已成為各油田節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)重要的問(wèn)題。由此可見(jiàn)，開(kāi)展機(jī)械采油系統(tǒng)的能耗潛力分析與研究是十分必要的。

1 抽油機(jī)系統(tǒng)效率的理論分析

抽油機(jī)井系統(tǒng)效率在理論上可以達(dá)到55%～65%，但是從最近幾年的油田現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果看，實(shí)際平均系統(tǒng)效率只有25%左右，即使是平均系統(tǒng)效率最高的區(qū)塊也只有30%左右，不到抽油機(jī)井系統(tǒng)效率理論值的50%。

根據(jù)抽油機(jī)井的工作特點(diǎn)和能量守恒定律，抽油機(jī)井的輸入功率等于水功率（ΔP水）與損失功率（ΔP）之和：

功率損失可以分為兩大部分，即地面損失功率和井下?lián)p失功率。地面損失又可以分為電動(dòng)機(jī)損失、皮帶損失、減速箱損失、四連桿損失及盤根盒損失等幾部分；井下?lián)p失可分為抽油桿損失、稠油泵損失及管柱損失等。從損失類型講，功率損失包括熱損失、機(jī)械摩擦損失、水力損失等。

如果要提高系統(tǒng)效率，改善上述任何一種分效率即可影響總效率，但有些效率是不可改變的，有些目前改變不大的，如表1對(duì)目前的抽油機(jī)各部分效率統(tǒng)計(jì)。下面就影響機(jī)械采油有桿泵系統(tǒng)效率的主要因素進(jìn)行分析。

表1 抽油機(jī)各部分效率統(tǒng)計(jì)

有桿抽油系統(tǒng)的水功率為：

式中：

Q——油井理論產(chǎn)液量，m3/d；

ρ——油井液體密度，kg/m3；

g——重力加速度，9.8m/s2；

H ——有效揚(yáng)程，m；

α——泵效，%。

實(shí)際生產(chǎn)中，提高系統(tǒng)效率的關(guān)鍵是提高產(chǎn)液量和增加動(dòng)液面深度，但是動(dòng)液面并非愈深愈好。當(dāng)泵深一定時(shí)，隨著有效揚(yáng)程的增加，泵的沉沒(méi)度逐漸變小，液面低于泵吸入口以下，會(huì)導(dǎo)致泵效下降，系統(tǒng)效率降低，因此生產(chǎn)中要根據(jù)實(shí)際動(dòng)液面深度，適時(shí)調(diào)整參數(shù)，保證油井合理沉沒(méi)度，調(diào)參時(shí)盡量采用長(zhǎng)沖程、慢沖速。

2 影響機(jī)采油機(jī)系統(tǒng)效率的主要因素

2.1 地面設(shè)備

地面設(shè)備主要是電動(dòng)機(jī)、設(shè)備傳動(dòng)等引起的損耗。電動(dòng)機(jī)線圈老化、繞線方式落后，以及維護(hù)滯后時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的機(jī)械磨損增加，造成電動(dòng)機(jī)發(fā)熱溫度上升，降低了電動(dòng)機(jī)的輸出功率。供電線路老化，以及配電箱設(shè)計(jì)不合理時(shí)線損會(huì)大量增加。

2.2 井下工具

井下工具主要包括：抽油機(jī)傳動(dòng)部位摩擦阻力的增大；盤根盒的結(jié)構(gòu)、性能；抽油桿的結(jié)構(gòu)尺寸、強(qiáng)度、重量及組合方式；抽油泵的結(jié)構(gòu)；油管使用狀況等因素都會(huì)造成能耗增加。主要是：油管伸縮的影響、氣體對(duì)泵的影響、泵漏的影響、抽油桿彎曲及摩擦的影響。

2.3 采油管理

生產(chǎn)參數(shù)設(shè)計(jì)的不合理、泵效的降低、抽油機(jī)管理水平低等因素都會(huì)降低機(jī)采井的有效功率，增加機(jī)采系統(tǒng)的能耗。

2.4 其他方面

機(jī)采井系統(tǒng)效率還受井斜狀況、井筒流體的組份與物性、地層能量等因素的影響。

3 提高抽油機(jī)系統(tǒng)效率的途徑與方法

根據(jù)低系統(tǒng)效率的不同成因，應(yīng)用現(xiàn)有成熟的工藝技術(shù)，綜合分析評(píng)價(jià)各種措施的基礎(chǔ)上進(jìn)行治理。因此，主要應(yīng)從兩方面著手：通過(guò)優(yōu)選抽汲參數(shù)等方法提高產(chǎn)液量、有效揚(yáng)程，增加系統(tǒng)的有效功率；應(yīng)用節(jié)能技術(shù)設(shè)備等減少能耗，降低損耗功率。

3.1 應(yīng)用節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率

以整個(gè)系統(tǒng)的能耗最低、系統(tǒng)效率最高為優(yōu)化目標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用了《抽油機(jī)井系統(tǒng)效率工藝參數(shù)優(yōu)化技術(shù)》軟件和《提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率優(yōu)化設(shè)計(jì)》軟件[1]。共實(shí)施246口井，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試有功功率由9 kW 降低到7.46 kW ，比優(yōu)化前降低1.54 kW ，有功節(jié)電率為17.1%，優(yōu)化后提高系統(tǒng)效率9.9個(gè)百分點(diǎn)。

3.2 研制推廣8/12極容量自適應(yīng)電動(dòng)機(jī)，提高低效井運(yùn)行效益

針對(duì)采油廠低產(chǎn)液井?dāng)?shù)逐年增多，以及由于Y系列電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要的功率大的實(shí)際情況，自行開(kāi)發(fā)研制了8/12極容量自適應(yīng)電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)具有兩種不同轉(zhuǎn)速，多種功率運(yùn)行狀態(tài)。它能夠?qū)崿F(xiàn)大功率啟動(dòng)，小功率運(yùn)行。通過(guò)PIC 智能控制設(shè)備自動(dòng)跟蹤生產(chǎn)井的負(fù)荷，選擇大、小電動(dòng)機(jī)單機(jī)運(yùn)行，或選擇雙機(jī)共同運(yùn)行，使其具有最佳的起動(dòng)狀態(tài)和最佳節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)[2]。為低效油井的治理提供了切實(shí)有效的手段。幾年來(lái)共應(yīng)用8/12極容量自適應(yīng)電動(dòng)機(jī)133臺(tái)，年節(jié)電187.3×104kW h。見(jiàn)表2。

表2 8/12極容量自適應(yīng)電機(jī)更換前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.3 應(yīng)用摩擦換向抽油機(jī)降低能耗

摩擦換向抽油機(jī)是機(jī)電一體化、高效節(jié)能產(chǎn)品。它采用塔架式結(jié)構(gòu)，對(duì)稱平衡，通過(guò)頻繁改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向的電動(dòng)機(jī)，以及減速器、繩輪摩擦機(jī)構(gòu)帶動(dòng)光桿做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，來(lái)完成油液的抽汲工作。起動(dòng)換向平穩(wěn)，沖擊??；沖程、沖速可獨(dú)立進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，光桿上行及下行速度可實(shí)現(xiàn)分別控制，能夠適合各種油質(zhì)（稀油和稠油）的采汲。在采油廠某區(qū)聚合物試驗(yàn)區(qū)應(yīng)用45口井，年節(jié)電168×104kW h。節(jié)能效果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 摩擦換向抽油機(jī)與常規(guī)機(jī)節(jié)能效果對(duì)比

3.4 加大螺桿泵應(yīng)用力度，降低機(jī)采井能耗

截止到2005年底，采油廠共有螺桿泵井138口（其中聚驅(qū)16口、水驅(qū)122口）。比2000年增加了130口井，目前螺桿泵開(kāi)井126口，平均單井日產(chǎn)液14.2t，日產(chǎn)油3.0t，綜合含水79.2%，平均流壓4.22M Pa，平均動(dòng)液面606m。2005年，對(duì)螺桿泵井進(jìn)行系統(tǒng)效率普測(cè)，統(tǒng)計(jì)測(cè)試的90口井資料，平均系統(tǒng)效率為20.14%。螺桿泵的耗電情況與抽油機(jī)井對(duì)比見(jiàn)表4。

從表4中可以看出，螺桿泵井的系統(tǒng)效率均高于同等狀況的抽油機(jī)井。120泵與五、六型機(jī)對(duì)比，節(jié)電率為28.6%；500泵與十型機(jī)對(duì)比，節(jié)電率為26.4%；800泵與十二型機(jī)對(duì)比，節(jié)電率為30.2%。隨著泵型的增大，螺桿泵的節(jié)電量增大，節(jié)能效益明顯。

表4 螺桿泵與抽油機(jī)能耗情況對(duì)比

3.5 對(duì)常規(guī)抽油機(jī)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，提高經(jīng)濟(jì)效益

為了取得更好的平衡效果以進(jìn)一步減少能耗，對(duì)常規(guī)抽油機(jī)進(jìn)行改造。在十型游梁式抽油機(jī)（包括常規(guī)和偏置）的游梁尾部增加一個(gè)下偏重錘，重錘中心在游梁支撐中心以下，它充分利用連桿、橫梁、支架和減速箱件的空間，改變游梁式抽油機(jī)的平衡方式，改善抽油機(jī)的平衡效果[3]。共對(duì)10口抽油機(jī)節(jié)能改造，在同種工況條件下，改造機(jī)相對(duì)常規(guī)型抽油機(jī)節(jié)電在15% 左右，年節(jié)電10×104kW h。常規(guī)抽油機(jī)節(jié)能改造效果預(yù)測(cè)見(jiàn)表5。

表5 常規(guī)抽油機(jī)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造措施效果預(yù)測(cè)表

3.6 安裝抽油機(jī)減速裝置降低抽油機(jī)最小沖速

為了更好的解決抽油機(jī)井低產(chǎn)低效綜合治理難的問(wèn)題，主要是間抽井在停抽期間因配件丟失，嚴(yán)重影響油田正常生產(chǎn)；產(chǎn)量低于5 t的井由于設(shè)備自身?xiàng)l件的限制，沖速調(diào)到4 min-1以下十分困難。我們應(yīng)用了抽油機(jī)二次減速節(jié)能器，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試見(jiàn)到了較好的效果。具體效果見(jiàn)表6。

表6 抽油機(jī)減速節(jié)能器安裝前后對(duì)比

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）通過(guò)優(yōu)化抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)提高抽油機(jī)井運(yùn)行，既可以增產(chǎn)增效，又可以大量節(jié)約生產(chǎn)費(fèi)用。

2）運(yùn)用節(jié)能裝置是最有效的降低耗電量、降低單耗、提高機(jī)采系統(tǒng)效率的方法。

3）優(yōu)化抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有巨大的實(shí)際應(yīng)用潛力。

[1]紀(jì)曉紅,劉峰.抽油機(jī)井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2011(7):209.

[2]李璐.抽油機(jī)節(jié)能的有效手段[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2009(25):82-83.

[3]欒慶德,駱華鋒,韓道權(quán),等.常規(guī)抽油機(jī)節(jié)能改造及效果分析[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào),2003(4):68-70.