抽油機(jī)井系統(tǒng)效率影響因素分析及提高措施

劉爽（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

機(jī)械采油方式是油田開(kāi)采進(jìn)入中后期的必要舉升手段[1]。其中，由于抽油機(jī)井井?dāng)?shù)多、占比高，是油田生產(chǎn)的耗電大戶，對(duì)機(jī)采井系統(tǒng)效率影響也最大，是節(jié)能工作的重點(diǎn)。因此，要實(shí)現(xiàn)油田節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益一個(gè)重要且有效的途徑就是提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率。

1 抽油機(jī)井系統(tǒng)效率概論

1.1 概念

抽油機(jī)井系統(tǒng)效率是指將地面電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能傳遞給井下液體，將井內(nèi)液體舉升到地面的有效做功能量與系統(tǒng)輸入能量之比。油井系統(tǒng)效率不僅反映用電損耗，更是衡量整個(gè)抽油系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的綜合效率，是節(jié)能管理中必須重視的參數(shù)[2]。2018年6月，薩中開(kāi)發(fā)區(qū)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率為32.16%，但與國(guó)外先進(jìn)水平（系統(tǒng)效率36%左右）相比還存在著一定差距，仍然具有較大的提升空間。

1.2 影響因素

抽油機(jī)輸入能量在傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程中，總會(huì)發(fā)生不可避免的功率損失，功率損失是影響抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的主要原因[3]。在油井儲(chǔ)層條件一定的情況下，制約抽油機(jī)井系統(tǒng)效率因素可分為地面因素、井下因素和管理因素三大方面，三者之間是相互關(guān)聯(lián)、相互制約的。

1.2.1 地面因素

根據(jù)地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備組成情況，地面能量損失可分為電動(dòng)機(jī)、皮帶、齒輪減速器和四連桿機(jī)構(gòu)四部分能量損失之和。地面設(shè)備能量損失越小，地面效率越高；反之，地面效率越低。

電動(dòng)機(jī)對(duì)系統(tǒng)效率的影響主要是熱損失和機(jī)械損失。其中，電動(dòng)機(jī)類型、設(shè)備性能和匹配是影響電動(dòng)機(jī)效率的主要因素。①電動(dòng)機(jī)類型。針對(duì)普通型電動(dòng)機(jī)存在啟動(dòng)電流大、能耗高和噪聲大等問(wèn)題，近幾年薩中開(kāi)發(fā)區(qū)加大了雙速雙功率電動(dòng)機(jī)、超高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)和雙功率電動(dòng)機(jī)等高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用力度，取得了較好的節(jié)能降耗效果。②設(shè)備性能。由于電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，造成內(nèi)部線圈老化，機(jī)械磨損增加，降低了電動(dòng)機(jī)的輸出功率。③匹配。從動(dòng)力角度講，為了保證抽油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，峰值扭矩高，勢(shì)必要選用較大的電動(dòng)機(jī)，這種大電動(dòng)機(jī)、大峰值電流的配套方案，必將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)自身?yè)p耗和電路損耗的增加[4]，電動(dòng)機(jī)功率利用率普遍偏低，對(duì)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率影響較大。

皮帶對(duì)系統(tǒng)效率的影響主要是皮帶彈性滑動(dòng)損失、打滑損失和皮帶與輪槽間徑向滑動(dòng)的摩擦損失，其中，皮帶松緊度是影響皮帶傳動(dòng)效率的最重要因素。

減速箱對(duì)系統(tǒng)效率的影響主要是軸承損失和齒輪損失。軸承和齒輪是否潤(rùn)滑是影響減速箱傳送效率的最重要因素。

四連桿對(duì)系統(tǒng)效率的影響主要是相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件間的摩擦損失和鋼絲繩的變形損失。軸承是否潤(rùn)滑，鋼絲繩變形程度大小是影響四連桿效率的最重要因素。

1.2.2 井下因素

根據(jù)井下驅(qū)動(dòng)設(shè)備組成情況，井下能量損失可分為盤(pán)根盒、抽油桿、抽油管柱和抽油泵四個(gè)部分能量損失之和。井下設(shè)備能量損失越小，井下效率越高；反之，井下效率越低。

盤(pán)根盒對(duì)系統(tǒng)效率的影響主要是光桿與盤(pán)根間的摩擦損失，其中，盤(pán)根松緊度是影響盤(pán)根效率的最重要因素。

抽油桿對(duì)系統(tǒng)效率的影響主要是抽油桿與油管間、井液間產(chǎn)生的摩擦功率損失和抽油桿的彈性變形損失。其中，沖程、沖速、泵徑匹配不合理和抽油桿及油管的彎曲是影響抽油桿傳送效率的最重要因素。

抽油管柱對(duì)系統(tǒng)效率的影響主要是油管漏失引起的功率損失和井液在油管內(nèi)流動(dòng)引起的水力損失。其中，油管漏失是影響抽油管柱效率的最重要因素。

抽油泵對(duì)系統(tǒng)效率的影響主要是機(jī)械摩擦損失功率、抽油泵容積損失功率和抽油泵水力損失功率[5]。其中，抽油泵泵效及漏失量是影響抽油管柱效率的最重要因素。

1.2.3 管理因素

產(chǎn)液量對(duì)系統(tǒng)效率的影響。以抽油機(jī)井產(chǎn)液量為橫坐標(biāo)，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率為縱坐標(biāo)，做散點(diǎn)圖進(jìn)行回歸（圖1）。由圖1可知，隨著產(chǎn)液量的升高，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率逐步提高，產(chǎn)液量在40 t/d以下時(shí)系統(tǒng)效率偏低。

圖1 抽油機(jī)井產(chǎn)液量與系統(tǒng)效率關(guān)系

泵效對(duì)系統(tǒng)效率的影響。以抽油機(jī)井泵效為橫坐標(biāo)，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率為縱坐標(biāo)，做散點(diǎn)圖進(jìn)行回歸（圖2）。由圖2可知，隨著泵效的升高，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率逐步升高后下降，泵效在50%以下時(shí)系統(tǒng)效率偏低。

沉沒(méi)度對(duì)系統(tǒng)效率的影響。以抽油機(jī)井沉沒(méi)度為橫坐標(biāo)，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率為縱坐標(biāo)，做散點(diǎn)圖進(jìn)行回歸（圖3）。由圖3可知，隨著沉沒(méi)度升高，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率逐步升高后下降。為了提高系統(tǒng)效率，就必須確定一個(gè)合理的舉升高度，即確定合理的沉沒(méi)度[6]。當(dāng)沉沒(méi)度在300～400 m時(shí)，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率最高。

圖2 抽油機(jī)井泵效與系統(tǒng)效率關(guān)系

圖3 抽油機(jī)井沉沒(méi)度與系統(tǒng)效率關(guān)系

平衡度對(duì)系統(tǒng)效率的影響。以抽油機(jī)井平衡度為橫坐標(biāo)，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率為縱坐標(biāo)，做散點(diǎn)圖進(jìn)行回歸（圖4）。由圖4可知，隨著平衡度增加，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率逐步升高后下降，平衡度在80%～100%時(shí)系統(tǒng)效率最高。

圖4 抽油機(jī)井平衡度與系統(tǒng)效率關(guān)系

2 提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率方法

2.1 優(yōu)化組合地面節(jié)能設(shè)備

提高抽油機(jī)工作效率。推廣應(yīng)用下偏杠鈴抽油機(jī)、雙驢頭抽油機(jī)和塔架式抽油機(jī)等高效節(jié)能抽油機(jī)。通過(guò)對(duì)抽油機(jī)四連桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和平衡方式的完善來(lái)改變抽油機(jī)曲柄軸凈扭矩曲線的形狀和大小，使其波動(dòng)平坦，減少負(fù)扭矩，從而減少抽油機(jī)的周期載荷系數(shù)，提高電動(dòng)機(jī)的工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的。強(qiáng)化抽油機(jī)日常維護(hù)保養(yǎng)，做到“五及時(shí)”，即及時(shí)調(diào)整抽油機(jī)平衡、及時(shí)調(diào)整光桿對(duì)中率、及時(shí)調(diào)整盤(pán)根和皮帶松緊度、及時(shí)潤(rùn)滑保養(yǎng)軸承和齒輪等部件和及時(shí)緊固地面設(shè)備部件。

提高電動(dòng)機(jī)工作效率。推廣應(yīng)用高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)。常規(guī)游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)使用傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的平均負(fù)載率很低，電能浪費(fèi)巨大，通過(guò)應(yīng)用高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)，降低了能量損耗，提高了電動(dòng)機(jī)輸出效率。推廣應(yīng)用抽油機(jī)井多功能調(diào)速控制箱。該控制箱具有軟啟動(dòng)功能，可有效降低啟動(dòng)功率及電流，同時(shí)具有無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)沖速功能，能夠使參數(shù)無(wú)法下調(diào)井實(shí)現(xiàn)供采平衡。在應(yīng)用過(guò)程中體現(xiàn)出調(diào)參方便，可節(jié)省大量的人力物力。

2.2 合理調(diào)整井下工作參數(shù)

提高抽油泵泵效。提高抽油泵質(zhì)量，主要措施是改進(jìn)抽油泵結(jié)構(gòu)、提高柱塞和泵筒的表面處理工藝、提升材料強(qiáng)度等級(jí)，降低柱塞和泵筒的間隙等。加強(qiáng)生產(chǎn)管理，對(duì)于供液嚴(yán)重不足的抽油機(jī)井，在保證產(chǎn)液量不降前提下，應(yīng)通過(guò)完善注采關(guān)系、調(diào)小生產(chǎn)參數(shù)、加深泵掛和改變工作制度等措施提高抽油泵泵效；對(duì)于非正常漏失嚴(yán)重的油井，需要及時(shí)檢換抽油泵來(lái)提高抽油泵泵效。

優(yōu)化油井沉沒(méi)度。加強(qiáng)低沉沒(méi)度井治理，治理措施包括加強(qiáng)注水、調(diào)小生產(chǎn)參數(shù)、檢換小泵、油層壓裂酸化和加深泵掛等；加強(qiáng)高沉沒(méi)度井治理，治理措施包括連通水井控水、調(diào)大生產(chǎn)參數(shù)、檢換大泵、堵水和上提泵掛等。

優(yōu)化抽汲參數(shù)及桿、管選型配套。優(yōu)化抽汲參數(shù)方面，按照“大泵徑、長(zhǎng)沖程、低沖速、合理沉沒(méi)度”組合原則優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)；優(yōu)化抽油桿選型配套方面，采取連續(xù)抽油桿、高強(qiáng)度抽油桿和添加抽油桿扶正裝置等措施，提高抽油桿傳送效率；優(yōu)化油管選型配套方面，通過(guò)油管及螺紋處添加密封脂、選用摩擦系數(shù)低的內(nèi)襯管增加油管表面光滑度和油管錨定等措施，提高油管傳送效率。

2.3 提高節(jié)能技術(shù)管理水平

針對(duì)以往抽油機(jī)節(jié)能潛力界限劃分不明確、判斷方法單一的情況，依據(jù)產(chǎn)液量和百米日耗電關(guān)系，建立了抽油機(jī)井能耗管理控制圖（圖5）。該控制圖可以直觀地反映抽油機(jī)井用電是否合理，通過(guò)制定針對(duì)性的治理措施，指導(dǎo)抽油機(jī)井節(jié)能管理工作。

抽油機(jī)井能耗管理控制圖可分為4個(gè)不同的區(qū)域。專項(xiàng)治理區(qū)：這一區(qū)域的抽油機(jī)井系統(tǒng)效率小于18%，位于該區(qū)域的抽油機(jī)井由于注采關(guān)系較差、生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整不合理等原因?qū)е孪到y(tǒng)效率較低，采取改善供液能力、調(diào)小抽汲參數(shù)、檢換小泵和加深泵掛等工藝措施，可使抽油機(jī)井系統(tǒng)效率達(dá)到管理挖潛區(qū)指標(biāo)。管理挖潛區(qū)：該區(qū)域的抽油機(jī)井系統(tǒng)效率在18%～31%之間，位于該區(qū)域的抽油機(jī)井雖然供液能力比專項(xiàng)治理區(qū)要好，但由于方案設(shè)計(jì)或管理上的問(wèn)題，井筒及地面配套還存在較大的優(yōu)化空間，挖潛潛力較大，采取改善供排關(guān)系、調(diào)整抽汲參數(shù)和優(yōu)化井筒桿管泵組合等工藝措施，可使抽油機(jī)井系統(tǒng)效率達(dá)到高效運(yùn)行區(qū)指標(biāo)。高效運(yùn)行區(qū)：該區(qū)域的抽油機(jī)井系統(tǒng)效率在31%～65%之間，位于該區(qū)域的抽油機(jī)井注采關(guān)系完善，參數(shù)調(diào)整合理，其系統(tǒng)效率反映工作狀態(tài)合理。資料核實(shí)區(qū)：這一區(qū)域的抽油機(jī)井系統(tǒng)效率大于65%，位于該區(qū)域的抽油機(jī)井由于計(jì)量設(shè)備故障造成讀數(shù)不準(zhǔn)、個(gè)別井泵效高造成連抽帶噴生產(chǎn)等原因?qū)е孪到y(tǒng)效率偏高，采取檢修計(jì)量設(shè)備、換大泵、調(diào)大生產(chǎn)參數(shù)排液、關(guān)停個(gè)別自噴井或高含水井等工藝措施，可使抽油機(jī)井系統(tǒng)效率達(dá)到高效運(yùn)行區(qū)指標(biāo)。

圖5 抽油機(jī)井能耗管理控制

2017年12月，薩中開(kāi)發(fā)區(qū)抽油機(jī)測(cè)試井?dāng)?shù)7562口，上圖率95.25%，系統(tǒng)效率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。對(duì)736口井采取相應(yīng)措施處理后，到2018年7月，系統(tǒng)效率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示?？梢钥闯觯侠韰^(qū)從44.23%上升至52.32%，其他區(qū)域均有不同程度的下降，系統(tǒng)效率分布狀況大大改觀。

表1 治理前(2017年12月25日)抽油機(jī)井分布統(tǒng)計(jì)

表2 治理后(2018年7月15日)抽油機(jī)井分布統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

1）按照抽油機(jī)井系統(tǒng)能耗節(jié)點(diǎn)組成，研究和分析了影響系統(tǒng)效率的主要因素，同時(shí)依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，得出系統(tǒng)效率與產(chǎn)液量、沉沒(méi)度和泵效等生產(chǎn)參數(shù)之間的關(guān)系。

2）制定提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率相應(yīng)的措施和方法，即優(yōu)化組合高效地面設(shè)備、合理調(diào)整井下工作參數(shù)、提高節(jié)能技術(shù)管理水平，達(dá)到了節(jié)能降耗、降低采油成本的目的。

3）通過(guò)繪制抽油機(jī)井能耗管理控制圖，對(duì)挖潛目標(biāo)內(nèi)的單井逐一查找原因，并制定出治理措施，提高了抽油機(jī)井系統(tǒng)效率。