新民油田機采節能技術研究與應用

李國清（吉林油田公司新民采油廠）

新民油田機采節能技術研究與應用

李國清（吉林油田公司新民采油廠）

人工舉升系統是生產井實現有效開采的必要手段，在油田開發中占能耗比例較大。針對實際生產中機采耗電方面存在的問題，進行了稀土電動機改進試驗、低產液井系統試井、平衡度挖潛試驗及電容補償技術研究。通過現場實踐，年節電290×104kW·h，效果顯著。

抽油機井 稀土永磁電動機 參數優化 節能降耗 技術研究

新民油田屬低滲透、低產能、非均質、裂縫性砂巖油藏。隨著開發的深入、機采井數的增加、單井產液量的下降和綜合含水的持續上升，機采設備能耗比例不斷上升。探索適合新民油田機采系統的新型節能工藝技術，對進一步提高油田開發效益具有十分重要的意義。

1 影響機采能耗的主要因素

影響機采能耗的主要因素是電動機運行效率、生產參數、抽油機平衡度和功率因數[1]。

1.1 電動機運行效率的影響

根據電動機功率利用率與電動機效率的關系曲線，當電動機功率利用率低于20%時，隨著功率利用率的提高，電動機運行效率上升幅度較大；當電動機功率利用率高于20%時，隨著功率利用率的提高，電動機運行效率上升緩慢；當電動機功率利用率高于40%時，隨著功率利用率的提高，電動機運行效率基本穩定在90%。根據抽油機電動機運行工況特點，確定20%～40%為電動機經濟負載率。新民油田電動機功率利用率小于20%的油井占油井總數的22%，這部分電動機通過降低電動機裝機功率、提高電動機功率利用率、減少電動機空耗產生的無功功率損失來降低耗電量。電動機功率利用與電動機效率關系見圖1。

1.2 油井生產參數的影響

油井工作參數泵徑、泵深、沖程、沖速的大小對桿柱和液體的慣性載荷、泵閥球的運動、柱塞的有效行程及運動狀態都起著決定作用，直接影響機采系統能耗，參數越大，能耗越高。新民油田為低產區塊，生產參數相對偏大，需要優化工作參數，降低能耗。

圖1 電動機功率利用率與電動機效率的關系

1.3 抽油機平衡度的影響

新民油田抽油機的平衡方式為機械平衡。機械平衡是在曲柄或游梁尾部加裝平衡重。在懸點下沖程時，平衡重從低處抬到高處，從而增加了平衡重的位能。為了抬高平衡重，除了依靠抽油桿柱下落所放出的位能外，還需要電動機作功，以消除下沖程中電動機發電運行的現象。在懸點上沖程時，平衡重由高處下落，把下沖程時儲存的位能釋放出來，幫助電動機提升抽油桿柱和油柱，從而減少電動機在上沖程所需要給出的能量。如果平衡重或平衡方式選得合適，不僅可以使電動機上沖程和下沖程給出的能量相等，使曲柄軸扭矩值變化很小，而且使電動機、減速箱的載荷均勻，改善系統的工作狀態，減少能耗，提高效率。抽油機不平衡不僅影響連桿機構、減速箱和電動機的效率和壽命，而且會加大電動機內耗，使油井耗能大大增加。油井生產一段時間后，由于產量、液面、參數等的變化，平衡就會發生變化，抽油機調平衡已經成為一項最基礎、最重要的日常工作。

1.4 功率因數的影響

線路無功損耗大，功率因數低，耗電量高。新民油田平均功率因數0.5，處于較低水平，降低無功損耗提高功率因數從而降低機采系統耗電量是今后研究的主要方向。

2 節能挖潛探索與實踐

針對影響新民油田機采能耗的主要因素，開展了四方面的研究與試驗，現場應用取得了較好效果[2]。

2.1 稀土電動機改進試驗提高效率優化參數

目前，新民油田現場在用電動機主要是高轉差電動機和稀土永磁同步電動機。兩類電動機工作原理不同，現場應用各有優缺點。

高轉差電動機轉差率大，消耗在轉子中的銅損比普通電動機的大。高轉差電動機應用較小容量電動機和變壓器代替較大容量電動機和變壓器，解決了“大馬拉小車”問題,變壓器和電動機的損耗均有所降低，改變了抽油機工作狀況，使電動機與抽油機的配合得到改善，減少了抽油機的內應力損耗。但缺點是受電動機包角限制最小沖速為4.3次/min，功率因數較低。

稀土永磁同步電動機其轉子中鑲稀土永磁材料，在經過外界磁場預先充磁后，可以在很長時間內保持很強的磁場。在運行中其轉速為同步轉速（轉差率為零），無銅損，節能效果好，電動機效率高，功率因數高，啟動力矩大，過載能力強。但稀土電動機對電壓的要求比較高，不適合供電半徑大的末端抽油機，啟動電流比較大，雖然可以降低裝機功率，但變壓器的容量不能減少，只適合一口油井一個變壓器的應用。

為進一步提高適應性，對可充磁稀土永磁電動機進行五項改進試驗，取得了一定的應用效果，見圖2～圖3。①解決了退磁問題，優選永磁釹鐵硼，安放高溫探頭，采取隔磁設計，退磁后可充磁；②解決了發熱問題，沖片轉子，提高抗退磁能力，合理設計空載反電勢；③解決了低壓啟動問題，不同電壓自動切換來實現；④改變了啟動特性,導條對數盡量多，槽盡量深，端環盡量薄，變頻啟動；⑤提高了功率因數，選用內置轉子體，增多導條極對數，選用優質硒鋼片。

2010年，單井開展可充磁電動機試驗98口，平均沖速由4.25次/min降到3.43次/min，沖速每分鐘降低0.8次，平均功率因數由0.55提高到0.95，電動機功率利用率由19%提高到25%，平均單井日節電20.2 kW·h，提高了電動機運行效率，降低了能耗，見表1。

圖2 原稀土電動機轉子

圖3 改進后稀土電動機轉子

表1 新民油田應用稀土電動機前后各種參數變化對比

2.2 低產液井系統試井試驗確定合理間抽制度

針對沖程、沖速、泵徑等生產參數均已最小，供液能力仍然很差的油井進行間抽生產，在不影響產量的前提下，減少日耗電。開展系統試井，進行產量、液面監測試驗，確定合理間抽制度。

試驗過程是首先停井監測液面，然后開抽進行綜合測試（錄取液面與開、停井關系數據），最后綜合分析、錄取參數確定間抽制度。如民+57-015井，通過對停井監測液面數據，見表2，并繪制開停抽與液面關系曲線，見圖4，可以確定日停井8 h、開16 h是該井產量、效率和能耗的最佳點。

通過上述方法分析，對日產液在1.5～2 t的油井，停井時間8 h較為合理；日產液在0.7～1.5 t的油井，停井時間在12 h較為合理；日產液在0.1～0.7 t的油井，停井時間在16 h較為合理。間抽后開井6 h計量，計量時間不低于30 min。2010年對131口低產液井進行間抽生產，其間抽前后液面及供液能力均有所改善，平均單井日節電27 kW·h。

表2 民+57-015井停井液面監測數據

圖4 民+57-015系統試井液面變化情況

2.3 油井平衡度挖潛試驗提高平衡指數

抽油機不平衡時，上沖程中電動機承受著極大的負荷，下沖程中抽油機反而帶著電動機運轉，造成電動機功率的浪費。抽油機平衡越差，電動機輸入功率越大，耗電量越高。根據油田實測數據，一般情況下，游梁機平衡率在80%～100%時抽油機耗電最低。與80%時相比，當平衡率達120%以上時，1 h多耗電0.25 kW·h，平衡率低于70%時，1 h多耗電約0.15 kW·h，見圖5。

圖5 游梁式抽油機平衡率與耗能的關系

2010年開展了平衡微調實驗，調平衡285井次，其中平衡微調125井次，使已平衡井平衡度接近100%，拓寬了節能降耗空間，效果顯著，單井平均日節電8.5 kW·h，見圖6。

圖6 民+38-9平衡指數微調試驗

2.4 實施無功補償試驗提高功率因數

經供電公司測試，新民油田10 kV線路的功率因數為0.5左右，線路末端甚至在0.3左右，與國家標準0.9有很大差距，線損率高達15%～26%，造成了電能浪費。

網損原因分析表明，電源供給負載的電流中含有有功電流和無功電流，有功電流不斷地被負載消耗掉，用于做功；無功電流不斷地與電源交換能量，用于感性負載建立必要的磁場進行能量轉換。因無功電流的存在，增加了電能損耗，使電網末端電壓下降。

降低網損是從電網末端開始，本著“先低壓、后高壓”的原則，在單井、變壓器低壓端、中轉站和10 kV高壓線路端逐步安裝無功補償器。通過安裝補償電容器，感性負載就可以和電容器相互交換能量，不用再向電源索取額外的能量，使導線上的電流減少，能耗降低，電網末端的電壓升高。單井安裝電容補償效果對比見表3。

表3 單井安裝電容補償效果對比

2010年新民油田共安裝隨機補償器149臺、隨器補償器90臺和10 kV線路高壓電容補償器4臺。線路末端功率因數由0.45提高到0.85，網損由15%降到8%，線路實現年節電168×104kW·h。

3 結論

新民油田開展優化工作參數、系統試井、平衡微調、實施無功補償等試驗，取得較好的節能效果。2010年平均單井日耗電89 kW·h，比2009年降低3.5 kW·h，機采系統年累計節電290×104kW·h。

[1]陳濤平,胡靖邦.石油工程[M].北京:石油工業出版社,2000:275-276.

[2]李穎川.采油工程[M].北京:石油工業出版社,2008:120-121.

Study and Application of Energy-Saving Technologies on Suck Rod Pumping System in Xinmin Oilfield

Li Guoqing

Pumping well，Oil recovery，Energy-saving，Technology research

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.02.005

2011-03-02)

李國清，2000年畢業于大慶石油學院，工程師，現從事油田開發研究工作，E-mail：littlegreentrees@163.com，地址：吉林省松原市吉林油田公司新民采油廠工藝所，138009。

Artificial lift system is the key equipment for production well.The energy consumption of artificial lift is also the largest in an oilfield.To solve rod pumping power efficiency problems in production， several test are studied， including RE motor field test， low liqiud wells system test，balanced potential test and electric capacity compensation application technique etc.290×104kW·h power is saved in field application.New energy-saving technologies are effective ways to reduce cost and improve efficiency.