抽油機(jī)井系統(tǒng)效率最大化的節(jié)點(diǎn)管理方法

張成武（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

1 節(jié)點(diǎn)管理法的產(chǎn)生背景

1）抽油機(jī)井節(jié)能在能耗成本中占舉足輕重的地位。目前，某采油廠共有抽油機(jī)井2614口，每年耗電2.2×108kWh，電費(fèi)1.4億元，占能耗成本的19.24%。

2)抽油機(jī)井節(jié)能還有較大潛力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年某采油廠抽油機(jī)井系統(tǒng)效率高出大慶油田抽油機(jī)井系統(tǒng)效率平均值4.09%。但從某采油廠1513口調(diào)查井?dāng)?shù)據(jù)顯示，選取系統(tǒng)效率為30%和50%的界限進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)效率在兩者之間的井有593口，占39.19%，比例較大；系統(tǒng)效率低于30%的井有747口，占49.37%，是開(kāi)展節(jié)能工作的重點(diǎn)。如果系統(tǒng)效率提高1個(gè)百分點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)單井年節(jié)電0.27×104kWh，年節(jié)約電費(fèi)0.17萬(wàn)元。

3）抽油機(jī)井節(jié)能具有良好的內(nèi)外部條件。節(jié)能管理水平盡管不斷提高，但在系統(tǒng)性和精細(xì)化上還有很多需要改善。近年來(lái)，節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品層出不窮，抽油機(jī)自動(dòng)平衡改造、混磁電動(dòng)機(jī)、智能伺服控制等技術(shù)逐步成熟，效果好，具備規(guī)模推廣的價(jià)值，目前還有23%井適合應(yīng)用這些節(jié)能技術(shù)進(jìn)行改造。同時(shí)，在用的還有提升空間，還可以結(jié)合外部節(jié)能管理的實(shí)踐，通過(guò)進(jìn)一步細(xì)化、創(chuàng)新，加以借鑒應(yīng)用，會(huì)起到非常好的效果[1]。

2 節(jié)點(diǎn)管理法的概述

常規(guī)游梁式抽油機(jī)井影響效率的能耗節(jié)點(diǎn)分為地下、地上兩大部分。其中：地面部分耗能節(jié)點(diǎn)有電動(dòng)機(jī)、皮帶、四連桿、減速箱、盤根；地下部分耗能節(jié)點(diǎn)有抽油泵、抽油桿、井下管柱。各節(jié)點(diǎn)能耗損失占整體的比例：電動(dòng)機(jī)損耗約占30%，皮帶損耗約占5%，四連桿機(jī)構(gòu)損耗約占5%，減速箱損耗約占10%，盤根損耗約占5%；抽油泵損耗占15%，抽油桿損耗約占20%，井下管柱損耗占10%。

借鑒系統(tǒng)工程理論，吸收節(jié)點(diǎn)管理方法，以深化點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的過(guò)程控制為主線，以追求抽油機(jī)井系統(tǒng)效率最大化為目標(biāo)，對(duì)影響抽油機(jī)井能耗效率的盤根、皮帶、電動(dòng)機(jī)、四連桿、抽油機(jī)、桿、泵等關(guān)鍵要素節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行針對(duì)性分析研究和改進(jìn)加強(qiáng)；并通過(guò)優(yōu)化工作制度、應(yīng)用節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品，尤其是完善各節(jié)點(diǎn)節(jié)能管理標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)能操作方法、節(jié)能工作制度和節(jié)能考核手段，實(shí)現(xiàn)以基層管理帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果、效益最大化。

3 節(jié)點(diǎn)管理成果的主要做法

3.1 精細(xì)研究各節(jié)點(diǎn)最佳操作法，率先形成節(jié)能操作標(biāo)準(zhǔn)

遵循優(yōu)化調(diào)整、提高效率原則，先后進(jìn)行了“抽油機(jī)井盤根松緊度、皮帶松緊度、平衡率與能耗關(guān)系試驗(yàn)”，避免以往采油工現(xiàn)場(chǎng)操作“依經(jīng)驗(yàn)、憑手感”調(diào)節(jié)等情況?？偨Y(jié)出不同盤根松緊度、皮帶松緊度、平衡率與能耗變化規(guī)律，找到最合理的調(diào)整實(shí)施界限，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，使各節(jié)點(diǎn)達(dá)到最節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。

3.1.1 盤根松緊度最佳操作法

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選取泵況正常、盤根完好的抽油機(jī)井。以L7-3122井為例，利用扭矩扳手調(diào)節(jié)盤根松緊度，應(yīng)用CDY-CA型抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)多參數(shù)數(shù)顯測(cè)試儀具體量化成扭矩值的方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。為了找到最佳節(jié)能操作合理區(qū)，直觀地研究和分析盤根松緊度對(duì)能耗影響的變化規(guī)律，以抽油機(jī)盤根最松狀態(tài)（盤根發(fā)出輕微刺刺聲響，但是不跑油）為起點(diǎn)，逐漸擰緊盤根。在盤根最松擰到最緊（光桿發(fā)燙，用手轉(zhuǎn)不動(dòng)盤根）過(guò)程中，每轉(zhuǎn)相同0.5圈數(shù)為1個(gè)測(cè)試點(diǎn)，選取6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，記錄這些點(diǎn)的有功功率（每點(diǎn)測(cè)試時(shí)間不得小于3min），測(cè)得能耗變化曲線（圖1）。

圖1 L7-3122井不同盤根松緊下能耗變化曲線

通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得出：從節(jié)能角度出發(fā)，盤根調(diào)整到不漏油最松狀態(tài)下最節(jié)能；但從環(huán)保和管理角度出發(fā)，最松狀態(tài)下抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于盤根損耗，短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)漏油情況，不利于環(huán)保，而且不易管理，過(guò)多增加現(xiàn)場(chǎng)工人勞動(dòng)。為此，確定盤根松緊度的節(jié)能操作標(biāo)準(zhǔn)為：盤根盒應(yīng)不刺不漏，光桿不發(fā)熱；盤根調(diào)整至不漏油最松狀態(tài)下緊1～1.5圈（30～50N·m）左右，此時(shí)抽油機(jī)理論上達(dá)到最佳節(jié)電和管理效果。僅做好此項(xiàng)工作，抽油機(jī)井單井日節(jié)電4.2kWh。

3.1.2 皮帶松緊度最佳操作法

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選取泵況正常、皮帶完好的抽油機(jī)井。以L6-3516井為例，利用皮帶漲緊裝置調(diào)節(jié)皮帶松緊度，應(yīng)用CDY-CA型抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)多參數(shù)數(shù)顯測(cè)試儀具體量化成力量大小的方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。以抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)皮帶最松狀態(tài)（不打滑、皮帶抽打狀態(tài)）為起點(diǎn)，逐漸上緊皮帶，每隔4mm確定1個(gè)測(cè)試點(diǎn)，根據(jù)數(shù)據(jù)變化分析皮帶松緊度對(duì)抽油機(jī)井能耗影響，測(cè)得能耗變化曲線（圖2）。

圖2 L6-3516井不同皮帶松緊度下能耗變化曲線

通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得出：由于傳動(dòng)過(guò)程中滑動(dòng)摩擦損失的存在，皮帶從最松到最緊，有功功率先下降到最低后逐步上升。本著耗電量最低的原則，確定皮帶松緊度的節(jié)能操作標(biāo)準(zhǔn)為：電動(dòng)機(jī)皮帶輪與減速箱皮帶輪四點(diǎn)成一線；在安裝抽油機(jī)緊帶裝置的前提下，以抽油機(jī)井皮帶不打滑為最松點(diǎn)，調(diào)整電動(dòng)機(jī)移動(dòng)距離，使皮帶適當(dāng)繃緊，根據(jù)井的實(shí)際情況，最佳能耗緊皮帶力為15～20N。僅做好此項(xiàng)工作，抽油機(jī)井單井日節(jié)電3.3kWh[2]。

3.1.3 四連桿平衡率最佳操作法

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選取泵況正常的抽油機(jī)井。以L6-3466井為例，應(yīng)用CDY-CA型抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)多參數(shù)數(shù)顯測(cè)試儀，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試抽油機(jī)井在不同平衡率工作狀態(tài)下的能耗值，由工作能耗值確定抽油機(jī)井最佳能耗平衡率。試驗(yàn)平衡率為70%～120%，試驗(yàn)點(diǎn)波動(dòng)為5%～10%，調(diào)整后運(yùn)行30min錄取數(shù)據(jù)（圖3）。

圖3 L6-3466井不同平衡率下能耗變化曲線

通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得出：抽油機(jī)井平衡率在90%～100%之間能耗最低，80%以下、110%以上能耗高。因此，平衡率的節(jié)能操作標(biāo)準(zhǔn)確定為平衡率控制在90%～100%之間，以100%為最佳。

通過(guò)推行這一標(biāo)準(zhǔn)，全廠抽油機(jī)平衡率提高1.9個(gè)百分點(diǎn)，單井日節(jié)電4.4kWh。

表1 抽油機(jī)井能耗節(jié)點(diǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)

此外，還深入研究了與這七個(gè)節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的一些技術(shù)，如套壓、沉沒(méi)度等標(biāo)準(zhǔn)，并最終形成一套抽油機(jī)井系統(tǒng)效率能耗節(jié)點(diǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)，匯編成《某采油廠生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)能耗節(jié)點(diǎn)工作手冊(cè)》，這在大慶油田具有先導(dǎo)性意義。同時(shí)，對(duì)大慶企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SYDQ0804—2002《采油崗位技能操作程序及要求》進(jìn)行了修訂、完善，為實(shí)施節(jié)能精細(xì)管理、強(qiáng)化節(jié)能考核提供了明確的工作依據(jù)（表1）。

3.2 調(diào)整優(yōu)化抽油機(jī)井工作制度，因地制宜完善節(jié)能管理方法

3.2.1 優(yōu)化電動(dòng)機(jī)工作制度，按照“一換三“的思路提效

某采油廠的特點(diǎn)是油層好、產(chǎn)量高、初期裝機(jī)功率大，隨著產(chǎn)液及工況的不斷變化，產(chǎn)量遞減加速，使原設(shè)計(jì)裝配的電動(dòng)機(jī)功率與實(shí)際所需功率偏差較大，功率過(guò)剩造成的能耗損失越來(lái)越大，只要改變?cè)械墓ぷ魉悸?，在能力匹配上追求更加?xì)化，就會(huì)挖掘很大潛力[3]。

調(diào)查全廠1513口抽油機(jī)井不同型號(hào)電動(dòng)機(jī)功率使用情況，平均功率利用率主要集中在25%以下，其中占全廠49%的普通異步電動(dòng)機(jī)（45kW、55kW、75kW）平均功率利用率僅為18.98%，問(wèn)題更為突出。

以合理裝機(jī)功率、節(jié)能降耗的指導(dǎo)原則，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)能耗測(cè)試數(shù)據(jù)，針對(duì)功率利用率低于20%的抽油機(jī)井，采取“一換三”，即用“永磁電動(dòng)機(jī)→普通45kW→普通55kW→普通75kW”電動(dòng)機(jī)進(jìn)行逐級(jí)替換，實(shí)現(xiàn)回收期縮短為原來(lái)的三分之一。

同時(shí)兼顧長(zhǎng)期有效保持電動(dòng)機(jī)匹配效果，針對(duì)電動(dòng)機(jī)合理匹配井實(shí)行“能耗長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)，結(jié)合生產(chǎn)定期二次調(diào)整”。2014年，共完成抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)匹配60井次，實(shí)施后系統(tǒng)效率提高了7.31個(gè)百分點(diǎn)，單井日節(jié)電13.5kWh，年累計(jì)節(jié)電29.6×104kWh。

以1臺(tái)節(jié)能電動(dòng)機(jī)逐級(jí)匹配3口井作為1個(gè)匹配單元，說(shuō)明節(jié)能效果。L6-1302井使用22kW節(jié)能電動(dòng)機(jī)替換45kW普通電動(dòng)機(jī)，日節(jié)電56.88 kWh；L6-1601井使用調(diào)下的45kW普通電動(dòng)機(jī)替換55kW普通電動(dòng)機(jī)，日節(jié)電19.44kWh；L6-133井使用調(diào)下的55kW普通電動(dòng)機(jī)替換75kW普通電動(dòng)機(jī)，日節(jié)電32.64kWh。1個(gè)匹配單元平均日節(jié)電36.24kWh，節(jié)能效果非常顯著（表2）。

表2 一個(gè)匹配單元試驗(yàn)效果統(tǒng)計(jì)

3.2.2 優(yōu)化平衡工作制度，探索創(chuàng)新自動(dòng)平衡改造

對(duì)于傳統(tǒng)平衡，在曲柄或游梁尾部加裝平衡重。在懸點(diǎn)下沖程時(shí)，平衡重從低處抬到高處，從而增加了平衡重的位能。在懸點(diǎn)上沖程時(shí)，平衡重由高處下落，把下沖程時(shí)儲(chǔ)存的位能釋放出來(lái)，幫助電動(dòng)機(jī)去提升抽油桿柱和液柱，從而減少了電動(dòng)機(jī)在上沖程和下沖程時(shí)給出的能量。然而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，這增加了抽油機(jī)的峰值扭矩。

第一次改良，實(shí)施下偏杠鈴改造。在游梁尾端加裝1套下偏杠鈴裝置，利用下偏杠鈴來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡，并削減了抽油機(jī)峰值扭矩；同時(shí)，可以根據(jù)井況合理匹配下偏杠鈴的位置和質(zhì)量，繼承了傳統(tǒng)平衡的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，平衡效果好，性能可靠。但下偏杠鈴式平衡是靜態(tài)平衡，杠鈴位置固定后相對(duì)游梁是不動(dòng)的，導(dǎo)致其力臂變化有限，不便于配重的調(diào)節(jié)?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行20口井改造，改造后單井日節(jié)電24.5kWh，年節(jié)電17.6×104kWh。

第二次突破，把靜態(tài)平衡突破為動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)施鐘擺式自動(dòng)平衡改造。在游梁尾部增設(shè)了“鐘擺式自動(dòng)平衡跟蹤裝置”。當(dāng)驢頭上行時(shí)，“跟蹤裝置”控制系統(tǒng)給制動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)出信號(hào)，經(jīng)減速器把配重塊向后向上旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)與抽油桿桿重加液柱重平衡。當(dāng)驢頭下行時(shí)，配重塊向前向下旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)抽油桿桿重平衡，致使抽油機(jī)的上、下運(yùn)動(dòng)始終處在平衡的輕載荷下運(yùn)行，達(dá)到高效節(jié)能目的?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行30口井改造，改造后單井日節(jié)電26.9kWh，年節(jié)電 29.1×104kWh[4]。

以L5-2411井為例，在前期理論分析基礎(chǔ)上，開(kāi)展自動(dòng)平衡跟蹤裝置改造試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)保證產(chǎn)液和液面基本不變的情況下，分別測(cè)試自動(dòng)平衡跟蹤裝置擺錘擺到30°、60°、140°（和游梁夾角）時(shí)的三種情況來(lái)反映試驗(yàn)效果（表3）。

表3 L5-2411井試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

最佳擺錘角度選?。篖5-2411井自動(dòng)平衡改造后，擺錘在不同角度節(jié)能效果都比較明顯。隨著擺動(dòng)角度的不斷增加，產(chǎn)液量、含水率基本不變，日耗電量逐漸降低。最大角度140°時(shí)日耗電量降低了26.88kWh，系統(tǒng)效率提高了15.5%，節(jié)能效果最好。

3.2.3 優(yōu)化整體參數(shù)工作制度，統(tǒng)籌提升系統(tǒng)效率

為了有效控制和管理好各礦、隊(duì)、區(qū)塊的抽油機(jī)井整體狀況，提高系統(tǒng)效率，某采油廠研究出系統(tǒng)效率宏觀控制圖版，以此為工具對(duì)每口抽油機(jī)井逐一評(píng)估，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，確定最佳的參數(shù)運(yùn)行工作制度。

選取油田某一區(qū)塊所有抽油機(jī)井單井生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)，錄入系統(tǒng)效率宏觀控制圖版軟件，在圖版上繪出該區(qū)塊抽油機(jī)井系統(tǒng)效率與沉沒(méi)度關(guān)系的散點(diǎn)圖，根據(jù)每口井的分布情況，進(jìn)一步確定調(diào)整措施方案。對(duì)于參數(shù)偏小區(qū)，可采取調(diào)大參措施降低沉沒(méi)度；對(duì)于可優(yōu)化調(diào)整區(qū)，采取措施排除井下故障，通過(guò)恢復(fù)油井正常生產(chǎn)并優(yōu)化整體參數(shù)來(lái)提高系統(tǒng)效率；對(duì)于參數(shù)偏大區(qū)，通過(guò)合理調(diào)小參恢復(fù)油井產(chǎn)能或采取壓裂、解堵、補(bǔ)孔等措施改造油層。通過(guò)針對(duì)性地采取優(yōu)化措施可使問(wèn)題井進(jìn)入工況合理區(qū)。

通過(guò)建立油井系統(tǒng)效率宏觀控制圖版，可及時(shí)掌握抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的整體狀況；對(duì)低系統(tǒng)效率的問(wèn)題井，提出節(jié)能生產(chǎn)的參數(shù)優(yōu)化方案，為生產(chǎn)管理和決策提供依據(jù)；對(duì)礦、隊(duì)或區(qū)塊的油井進(jìn)行宏觀的控制與管理，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和提高系統(tǒng)效率的目的。

2016年，應(yīng)用宏觀控制圖版對(duì)北東塊一區(qū)進(jìn)行能耗分區(qū)治理，對(duì)參數(shù)偏大、偏小區(qū)和可優(yōu)化區(qū)的井結(jié)合檢泵調(diào)整進(jìn)行整體參數(shù)優(yōu)化，累計(jì)204口。調(diào)整后平均單井系統(tǒng)效率達(dá)到31.67%，單井日節(jié)電26kWh。

3.3 嚴(yán)格規(guī)范各節(jié)點(diǎn)節(jié)能過(guò)程管理，有效建立節(jié)能動(dòng)力機(jī)制

以“科學(xué)分析、精細(xì)管理、技術(shù)挖潛、全員參與”為指導(dǎo)，組織廠節(jié)能管理委員會(huì)及相關(guān)技術(shù)人員，充分調(diào)研將9項(xiàng)采油系統(tǒng)耗能指標(biāo)層層分解，采取分級(jí)管理，把指標(biāo)落實(shí)到崗位，壓力傳遞到基層。其中：一級(jí)指標(biāo)（百米噸液?jiǎn)魏?、系統(tǒng)效率）由廠主管領(lǐng)導(dǎo)及工程技術(shù)大隊(duì)相關(guān)工作人員分管；二級(jí)指標(biāo)（泵效、功率因數(shù)、平衡率、盤根松緊度、皮帶松緊度、沖程利用率、沉沒(méi)度）由基層隊(duì)相關(guān)人員分管[5]。

各級(jí)指標(biāo)依據(jù)《季度工作考核評(píng)分細(xì)則》，分別從設(shè)備管理、電器管理、井口管理、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、抽油機(jī)井系統(tǒng)效率、能耗測(cè)試率等進(jìn)行監(jiān)督考核，采取計(jì)分制，列入季度績(jī)效考核獎(jiǎng)金分配，確保各能耗節(jié)點(diǎn)處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)應(yīng)用耗能指標(biāo)監(jiān)控技術(shù)，對(duì)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高工作效率，提升節(jié)能管理水平，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)控制環(huán)節(jié)，減少員工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高節(jié)能監(jiān)管水平。

為了保證節(jié)能監(jiān)督工作的規(guī)范運(yùn)行，針對(duì)“五項(xiàng)”，即定額、計(jì)量、標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)計(jì)、宣傳培訓(xùn)的管理，“四個(gè)環(huán)節(jié)”，即統(tǒng)計(jì)、計(jì)量、監(jiān)測(cè)、考核的環(huán)節(jié)，建立健全工作制度，使節(jié)能所涉及各項(xiàng)工作都能夠有章可循、有據(jù)可依。

4 結(jié)論

2016年開(kāi)展抽油機(jī)井能耗節(jié)點(diǎn)分析，加強(qiáng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理，以設(shè)備的可靠運(yùn)行保證生產(chǎn)的穩(wěn)定、高質(zhì)量運(yùn)行，提高轉(zhuǎn)換率，提高設(shè)備完好率，累計(jì)實(shí)施管理措施7414井次，年節(jié)電735.8×104kWh，節(jié)約電費(fèi)約470萬(wàn)元，系統(tǒng)效率提高了0.03個(gè)百分點(diǎn)；同時(shí)，系統(tǒng)效率低于30%的井比例下降7.65%，呈現(xiàn)較好的發(fā)展趨勢(shì)[6]。