油田抽油機(jī)井系統(tǒng)效率節(jié)能潛力分析及提高措施

李丹丹 劉向東 張曉菡 宋泓霖 董偉佳

（1.勝利油田技術(shù)檢測中心；2.勝利油田檢測評價研究有限公司）

我國有92%的油井采用機(jī)械采油方式[1]，但部分機(jī)采系統(tǒng)效率一直處于較低水平，導(dǎo)致油氣生產(chǎn)能耗成本較大；因此，提高機(jī)采系統(tǒng)效率對油田的節(jié)能降耗工作具有重要意義。機(jī)采系統(tǒng)能耗影響因素多且較為復(fù)雜，主要分地面及井下兩部分[2-3]。近幾年，對勝利、西北等8 家中石化范圍內(nèi)的油田分公司開展了4 000 余口井的機(jī)采系統(tǒng)效率測試分析，本文僅從電參數(shù)及生產(chǎn)參數(shù)兩個影響機(jī)采系統(tǒng)能耗的主要方面進(jìn)行節(jié)能潛力分析并制定相應(yīng)的提高措施。

1 機(jī)采系統(tǒng)效率節(jié)能潛力分析

通過對機(jī)采系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行深入、細(xì)致剖析，僅從電參數(shù)及生產(chǎn)參數(shù)兩方面入手，發(fā)現(xiàn)影響油田機(jī)采系統(tǒng)效率的因素主要有以下五個方面。

1.1 部分電動機(jī)功率因數(shù)較低

1）不同類型電動機(jī)平均功率因數(shù)差異較大。根據(jù)測試數(shù)據(jù)，對目前油田應(yīng)用的安裝變頻器電動機(jī)、永磁同步電動機(jī)、安裝電容器電動機(jī)、三相異步電動機(jī)，進(jìn)行功率因數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析（圖1）。由圖1 可知，不同類型的電動機(jī)功率因數(shù)差異較大，由高到低的排序?yàn)橛来磐诫妱訖C(jī)、變頻器電動機(jī)、電容器電動機(jī)、三相異步電動機(jī)。

圖1 各類電動機(jī)功率因數(shù)情況統(tǒng)計(jì)

三相異步電動機(jī)功率因數(shù)低，原因是為維持電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要消耗一部分功率來產(chǎn)生磁場；永磁電動機(jī)的磁場由磁鐵產(chǎn)生，無需消耗這部分功率；電容補(bǔ)償柜是利用電容的容抗來補(bǔ)償電感負(fù)載的感抗，可有效改善線路功率因數(shù)。油田用變頻器多為三相不可控元件，直流側(cè)一般不外接電抗器，功率因數(shù)基本在0.65左右。需要說明的是，安裝變頻器電動機(jī)的功率因數(shù)較高，但因產(chǎn)生諧波，一般不作為功率因數(shù)治理手段。

2）節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用占比較少。從上述分析中得出，節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用占比是影響功率因數(shù)的主要因素，部分抽油機(jī)井應(yīng)用普通電動機(jī)且投用年限較長，故功率因數(shù)較低，使得系統(tǒng)能耗增加。

3）節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)欠佳。在測試及數(shù)據(jù)分析過程中發(fā)現(xiàn)，永磁同步電動機(jī)可能存在退磁、電壓過多偏離電動機(jī)反電勢點(diǎn)（超過±2%）的問題，變頻器存在運(yùn)行狀態(tài)欠佳的問題，電容器存在自身損壞、容量不足或容量過量的問題。

1.2 部分變頻應(yīng)用缺乏針對性

對于頻率大于45 Hz 的抽油機(jī)井，使用變頻器對生產(chǎn)參數(shù)改變作用不大，但存在自身損耗，節(jié)電效果甚微，且需要增加運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用；對于頻率小于20 Hz 的抽油機(jī)井，變頻器自身損耗增大，整體效率下降。同時，對部分應(yīng)用變頻器的抽油機(jī)井進(jìn)行能效分析發(fā)現(xiàn)，在工況不變的前提下，使用變頻器后系統(tǒng)效率下降明顯；因此，在部分抽油機(jī)井上應(yīng)用變頻器反而會增加能耗。

1.3 平衡度存在問題

1）平衡度調(diào)整不及時。合理調(diào)整抽油機(jī)平衡度能夠“短平快”地降低抽油機(jī)井能耗，提高地面系統(tǒng)效率，同時能夠大幅延長傳動機(jī)構(gòu)使用壽命。而在抽測的油井中，有較大比例抽油機(jī)平衡度不合格，導(dǎo)致能耗增加。

2）平衡度評價方法欠佳。目前部分單位仍采用最大電流法評價平衡度，不能最準(zhǔn)確反應(yīng)抽油機(jī)的平衡狀態(tài)。對于游梁式抽油機(jī)，建議采用最大功率法評價抽油機(jī)平衡度，平衡范圍為70%～130%；對于皮帶式抽油機(jī)，建議采用平均功率法評價抽油機(jī)平衡度，平衡范圍為60%～160%[4-5]。

1.4 部分油井沉沒度不合理

由圖2 可知，隨著沉沒度的升高，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率呈先升高后下降的趨勢；沉沒度在200～500m時，系統(tǒng)效率最高。沉沒度過小，導(dǎo)致泵的充滿度較低，甚至出現(xiàn)氣鎖或液擊現(xiàn)象；沉沒度過大，油管中靜液柱及抽油桿柱的負(fù)載增大，效率降低[6]。因此，為了提高系統(tǒng)效率減少能耗，需保持合理的沉沒度。

圖2 沉沒度與系統(tǒng)效率關(guān)系

1.5 部分油井泵排量系數(shù)偏低

由圖3 可知，當(dāng)泵排量系數(shù)小于0.4 時，系統(tǒng)效率隨著泵排量系數(shù)的增大而明顯增大；當(dāng)泵排量系數(shù)大于0.4 時，系統(tǒng)效率隨著泵排量系數(shù)的增大而變化較緩。通過以上分析表明，泵排量系數(shù)在0.4 以下時系統(tǒng)效率偏低；泵排量系數(shù)低時，產(chǎn)液量一般較低，有效功較小，因而系統(tǒng)效率低。

圖3 泵排量系數(shù)與系統(tǒng)效率關(guān)系

2 機(jī)采系統(tǒng)效率提高措施

1）依托油田信息化、智能化發(fā)展，加速能源管控平臺的建設(shè)，充分整合數(shù)據(jù)資源，搭建機(jī)采系統(tǒng)指標(biāo)管理平臺，加強(qiáng)指標(biāo)的監(jiān)督、調(diào)整、效果跟蹤、考核力度，促指標(biāo)提升；注重一體化能效提升節(jié)能技術(shù)改造，實(shí)施油（水）井地下、井筒、地面的綜合優(yōu)化，整體改造，實(shí)現(xiàn)油井能耗降低。

2）針對節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用占比較少的問題，建議增加永磁同步電動機(jī)、無功補(bǔ)償?shù)裙?jié)能產(chǎn)品技術(shù)的使用數(shù)量。

3）針對節(jié)能產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)欠佳的問題建議：針對永磁電動機(jī)，利用自動有載調(diào)壓技術(shù)及PCS 管理平臺，使供電電壓更加穩(wěn)定，確保永磁電動機(jī)呈高功率因數(shù)（且為容性）狀態(tài)運(yùn)行[7]；加強(qiáng)電容補(bǔ)償?shù)墓芾砭S護(hù)[8]，確保其無故障運(yùn)行。

4）針對部分變頻應(yīng)用缺乏針對性的問題，建議開展變頻器合理性專項(xiàng)測試普查工作：對于液量常年變化不大、原油物性較好等運(yùn)行工況的油井，重點(diǎn)評價其應(yīng)用變頻器的合理性；應(yīng)用變頻器，沖速1.2min-1以上且原油物性較好的油井，建議取消變頻器、更換低速電動機(jī)。

5）對于游梁式抽油機(jī)，建議采用最大功率法評價平衡度，平衡范圍為70%～130%；對于皮帶式抽油機(jī)，建議采用平均功率法評價平衡度，平衡范圍為60%～160%。

6）針對部分油井沉沒度不合理的問題，建議根據(jù)油井實(shí)際工況，采取優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)、改變泵掛深度、優(yōu)化泵徑等措施[9]，以維持200～500m 的合理沉沒度。

7）針對部分油井泵排量系數(shù)偏低的問題，建議根據(jù)油井實(shí)際工況，采取降低沖速、優(yōu)化泵徑、優(yōu)化供排關(guān)系等措施，以確保泵排量系數(shù)在0.4 以上[10]。

3 機(jī)采系統(tǒng)效率節(jié)能潛力

以某單位為例，進(jìn)行抽測油井節(jié)能潛力分析。該單位共抽測323 口抽油機(jī)井，對抽測油井評價指標(biāo)不合格的進(jìn)行節(jié)能潛力分析。對于以上影響機(jī)采系統(tǒng)能效的主要因素，經(jīng)采取措施后平均系統(tǒng)效率由30.4%提升至35.6%，年節(jié)能潛力為187.8×104kWh，年節(jié)約電費(fèi)為137.1萬元。

表1 影響系統(tǒng)效率各因素節(jié)能潛力

4 結(jié)論與認(rèn)識

1）通過對機(jī)采系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行深入、細(xì)致剖析，僅從電參數(shù)及生產(chǎn)參數(shù)兩方面入手，發(fā)現(xiàn)目前影響油田機(jī)采系統(tǒng)效率的因素主要有以下五個方面：部分電動機(jī)功率因數(shù)較低；部分變頻應(yīng)用缺乏針對性；平衡度調(diào)整不及時；部分油井沉沒度不合理，部分油井泵排量系數(shù)偏低。

2）針對影響機(jī)采系統(tǒng)效率的主要因素，一方面依托技術(shù)降耗，另一方面借助信息化加強(qiáng)管理，雙管齊下，實(shí)現(xiàn)能效指標(biāo)提升。

3）以上影響機(jī)采系統(tǒng)效率的五個方面節(jié)能潛力較大，以某單位抽測油井為例，進(jìn)行節(jié)能潛力分析，平均系統(tǒng)效率可由30.4%提升至35.6%，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電187.8×104kWh。