應用多節點節能組合技術提高系統效率

陳超（大慶油田有限責任公司第一采油廠）

應用多節點節能組合技術提高系統效率

陳超（大慶油田有限責任公司第一采油廠）

針對影響抽油機系統效率的主要因素，開展了井下高效氣液分離、降低抽油桿運動阻力、電動機能量補償和全周期平衡抽油機的技術研究。在抽油泵、抽油桿柱、抽油機電動機和減速箱上，采取了多節點節能組合技術，提高了抽油機系統效率，降低了舉升單耗。為“十二五”期間突破抽油機井應用復合節能措施瓶頸，進一步提高系統效率提供了依據。

抽油機：多節點節能組合技術：系統效率

D O I:10.3969/j.i ssn.2095-1493.2011.04.010

1 問題的提出

“十一五”以來，隨著油田節能資金投入的增加，第一采油廠先后采取更換節能電動機、采用節能抽油機、抽油機下偏杠鈴改造等措施，使該廠的抽油機井節能設備覆蓋率逐步提升，與2006年對比上升40.81個百分點，系統效率上升至29.41%。然而與注水效率（51.51%）和集輸效率（46.20%）相比，還需要進一步提高抽油機井系統效率，降低能耗。

抽油機井系統效率偏低的影響因素主要包括：①氣體影響，降低柱塞泵的充滿程度；②結蠟增加了抽油桿和油管之間的摩擦阻力；③為保證抽油機順利啟動，裝機功率大于實際運轉功率，降低了電動機工作效率；④抽油機運轉過程中減速箱扭矩呈不均衡波動狀態，導致電動機工作效率低。

在抽油機—柱塞泵系統中，氣體是影響抽油泵充滿程度、泵效的主要原因之一。統計大慶長垣沉沒度150～400 m范圍內正常生產的抽油機井，平均泵效只有38.7%。流體在進入抽油泵之前如果能夠實現氣體的有效分離，將會大幅度地提高抽油機井泵效，進而提高系統效率。

抽油機井結蠟后，會增加抽油桿與油管之間的摩擦力，使抽油機載荷增大。統計1 240口抽油機井熱洗前后的載荷變化，結蠟后抽油機上載荷上升增幅2.15%，交變載荷增幅4.68%，結蠟造成抽油機能耗增加幅度為4.2%。如果能實現油井免清蠟生產，將會提高抽油機泵效和系統效率。

抽油機的電動機在配置過程中，為了克服啟動瞬間載荷的突然增加，裝機功率一般為實際運轉功率的3倍以上。現場測試的1口機型為CYJ10-3-37HB的抽油機井，裝機功率為37 kW，最大啟動功率為66.44 kW，運轉時平均有功功率為13.43 kW。如果能夠降低抽油機電動機裝機功率，解決“大馬拉小車”的問題，則能提高抽油機系統效率。

目前抽油機的平衡方式是加裝平衡塊來消減抽油機上下沖程的負載差異，但由于平衡塊產生的扭矩不能完全消除負載扭矩，抽油機存在扭矩不平衡現象（統計30口CYJ10-3-37HB型抽油機井，平均最大扭矩32.45 kN·m，平均最小扭矩9.87 kN·m），并由此造成抽油機減速箱輸出軸扭矩波動大，電動機輸出功率處于波動狀態。如果能減少電動機輸出功率的波動，使電動機大部分工作時間處于高效區，將能提高系統效率。

為此，針對抽油機井節能降耗采取了以下技術措施：應用井下高效氣液分離技術提高泵效和系統效率；應用降低抽油桿運動阻力技術減小能耗；應用抽油機電動機能量補償技術降低裝機功率；應用全周期平衡抽油機技術降低舉升單耗，使電動機大部分時間在高效區運轉。

2 多節點節能配套技術

2.1 井下高效氣液分離技術[1]

2.1.1 工作原理

在傳統沉降式氣錨中，若想使氣錨的效果好，必須使采出液在氣錨內向下流動的速度V1小于氣泡在液體中的上升速度V2。

根據斯托克公式，氣泡在液相中的最終上升速度可用下式表達：

式中：

V2——氣泡上浮速度，m/s；

K——黏度系數；

D——氣泡直徑，m；

Δρ——液體與氣體的密度差，kg/m3；

μ——液體的黏度，Pa·s。

從公式（1）可以看出，對1口井而言，上述各參數都是常數，因此V2也是一個常數，很難人為改變。同時，液體的黏度越高，氣液分離效果越差。若想進一步提高井下油氣的分離效果，只能減小液體在氣錨中的下降速度V1：

式中：

Q——抽油機井上沖程過程中的產液量；

A——氣錨內外管之間的環形面積。

從公式（2）可以看出，雖減少Q或增加A都可以減少液體在氣錨中的下降速度V1，但減少抽油機井上沖程過程中的產液量Q會直接影響油井產量，不能被接受。同時，受井筒尺寸的限制也很難增加A，因此原來各種類型的氣錨很難降低V1。多杯等流型氣錨的設計關鍵就是要降低V1。

2.1.2 結構設計

井下高效氣液分離裝置由中心管、沉降杯和定壓洗井凡爾組成。中心管上安裝有多個沉降杯，中心管在每個靠近沉降杯內側底部的位置鉆有若干個進液孔，中心管下部接洗井閥。通過近幾年應用和改型，驗證皇冠型沉降杯效果更好。

2.1.3 應用效果

皇冠型井下高效氣液分離技術應用近300口井，平均單井日產液增幅34.58%，日增油增幅21.98%，沉沒度降幅52.98%；系統效率增幅23.95%，噸液百米耗電降幅19.33%。

2.2 降低抽油桿運動阻力技術[2]

2.2.1 原油流動改進劑有效防蠟濃度

與不加藥相比，當加藥濃度為150 mg/L時，凝油黏壁量平均降低幅度為93%，可以有效起到防蠟作用（圖1）。

2.2.2 保持有效防蠟濃度的加藥方法

為保證井下藥劑濃度連續穩定，提出了純藥劑量不變，增加藥劑稀釋液量的點滴加藥方法。通過現場試驗得出，1.5 m3/d以上的藥劑溶液量可以使采出液藥劑濃度穩定在100～150 mg/L之間（圖2）。

2.2.3 米字流程井摻水管線加藥工藝

為實現米字流程井增加藥劑稀釋液量的目的，現場利用油井地面摻水管線將藥劑和清水混合加至井下。加藥流程為：中轉站加藥泵將純藥劑加入摻水匯管，與站內摻水混合后經摻水泵輸送到計量間，藥劑溶液通過過濾器后，由單井流量控制裝置定量分配到井口，最終將藥劑加入油套環空。

2.2.4 冬季摻水管線加藥最低流量界限

通過建立摻水管線及回油管線熱導數學模型和理論計算證明，當摻水管線中摻水量由以往的30 m3/d降為3 m3/d井下加藥量后，摻水管線、回油管線不會發生凍堵。

2.2.5 應用效果

降低抽油桿運動阻力技術累計現場試驗近900口井，平均免清蠟周期已達746 d。由于原油流動改進劑改善了抽油泵的生產狀況，措施井見到較好節能效果，系統效率增幅4.42%，噸液百米耗電降幅4.31%，同時中轉站見到較好節電、節氣效果。

2.3 抽油機電動機能量補償技術

2.3.1 工作原理

抽油機啟動時，離合器將驅動部分與抽油機斷開。電動機先帶動飛輪運轉，當飛輪運轉平穩后，其具有一定的轉動慣量即動能。再閉合離合器，使驅動部分與抽油機相連，由電動機和飛輪的動能共同啟動抽油機。以飛輪的動能補償降低電動機裝機功率的能量差，來達到降低裝機功率、節約能源的目的。

2.3.2 結構設計

抽油機電動機能量補償裝置主要包括減速器皮帶輪、離合器、飛輪、軸承座、聯軸器和普通Y系列電動機。

2.3.3 應用效果

能量補償裝置累計現場應用25口井，將10-3-37型抽油機裝機功率由37 kW降至18.5 kW時，通過星角轉換，將18.5 kW電動機的運轉功率降至10.68 kW，降低幅度為71.13%，消除了“大馬拉小車”的現象。同時，由于電動機與抽油機工作趨于合理，系統效率提高幅度12.77%，噸液百米耗電下降幅度11.39%，有功節電率11.85%，無功節電率66.74%，綜合節電率14.53%。

2.4 全周期平衡抽油機技術

2.4.1 工作原理

通過增加轉速是原抽油機2倍，平衡重是原抽油機1/6二次平衡裝置，對減速箱輸出軸扭矩進行“削峰填谷”，從而降低抽油機系統扭矩波動率、電動機有功功率，提高電動機效率和系統效率。

2.4.2 結構設計

二次平衡裝置包括曲柄銷、隨動曲柄、增速器、二次曲柄、剎車操縱裝置、筒體和底座等部分。

2.4.3 應用效果

全周期平衡抽油機技術現場試驗3口井，減速箱輸出軸扭矩波動下降幅度28.06%，電動機效率提高幅度20.22%，有功節電率7.08%，系統效率提高幅度9.09%。

3 現場試驗實施過程及效果評價

在對井下高效氣液分離技術、降低抽油桿阻力技術、抽油機電動機能量補償技術和全周期技術研究的基礎上，開展了節能組合配套技術現場試驗。

措施前后對比表明，系統效率由22.96%上升至37.55%，提高14.59個百分點，提高幅度達到63.55%；噸液百米耗電由1.17 kW·h下降至0.71 kW·h，下降0.46 kW·h，下降幅度38.85%，有功節電率達到38.85%，綜合節電率40.19%（表1）。

表1 高效節能組合配套技術試驗效果統計

通過對各項節能技術平均節能效果與組合技術分項節能效果進行對比，組合技術各節點節能效果均好于各項節能技術平均節能效果（表2）。

表2 各項節能技術平均節能效果與組合技術節能效果對比

4 結論

節能舉升配套組合技術的現場應用表明，抽油機系統效率顯著提高。

（1）應用節能組合技術后，系統效率提高幅度63.55%，噸液百米耗電降低幅度38.85%，綜合節電率40.19%。

（2）四項節能技術分別針對抽油泵、抽油桿、減速箱和電動機，可在1口井同時應用，且總的節能效果是各自節能效果的累加值。

［1］朱榮杰，徐俊玲，李學敏.多杯等流型氣錨研究與應用[J].石油石化節能，2009（4）.

［2］劉志慶.利用地面摻水管線添加原油流動改進劑的可行性[J].油氣田地面工程，2009（5）.

陳超，1996年畢業于大慶石油學院（學士），2007年畢業于大慶石油學院（碩士），工程師，從事抽油機井節能技術工作，E-mail：langway100@sina.com，地址：大慶市薩爾圖區中七路114號第一采油廠工技大隊機械采油室，163001。

2010-05-05）