利用測(cè)試分析提高螺桿泵井系統(tǒng)效率

趙海麟（大慶油田工程有限公司）

螺桿泵是油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中僅次于有桿泵的一種重要機(jī)械采油設(shè)備。螺桿泵由于排量相對(duì)較低、能耗低，主要用于供液不足、動(dòng)液面深、產(chǎn)量低的油井。隨著油田的深入開(kāi)發(fā)，高品質(zhì)的整裝區(qū)塊日益減少，低滲透低效率區(qū)塊的比例逐漸增加，油井存在嚴(yán)重的供液不足問(wèn)題。油井液面逐年下降，產(chǎn)液量降低，電耗增加，特別是對(duì)稠油井造成油井系統(tǒng)效率低、能耗高、開(kāi)采成本高、能源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題[1]。為提高開(kāi)發(fā)效率和降低能耗，各油田普遍采用油井螺桿泵采油工藝取代傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)生產(chǎn)工藝，但不少油井特別是稠油井仍不能滿足螺桿泵抽油裝置的生產(chǎn)工藝要求，存在油泵空抽、能耗高、系統(tǒng)效率低等諸多問(wèn)題，如何提高螺桿泵系統(tǒng)效率成為一個(gè)重要的研究課題。勝利油田孤東采油廠在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，提出了“利用測(cè)試分析提高螺桿泵井系統(tǒng)效率”這一攻關(guān)課題。

1 螺桿泵井系統(tǒng)效率測(cè)試情況

目前，勝利油田孤東采油廠共有螺桿泵井85臺(tái)，平均產(chǎn)液量為19.34 t/d，油井平均動(dòng)液面為654 m，泵掛平均深度為1 162.3 m，油管吸入口平均深度為1 174.1 m，平均泵理論排量為35.7 m3/d，所配電動(dòng)機(jī)絕大多數(shù)為4極、6極和8極三相異步電動(dòng)機(jī)，其額定功率以22 kW為主（共60臺(tái)，）占總數(shù)的70.6%，其余電動(dòng)機(jī)額定功率為30 kW、18.5 kW和15 kW（共15臺(tái)，占總數(shù)的29.4%），電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式主要采用變頻控制運(yùn)行方式。

2012年，勝利油田孤東采油廠共完成螺桿泵井系統(tǒng)效率專項(xiàng)測(cè)試35臺(tái)，螺桿泵井系統(tǒng)效率測(cè)試率達(dá)到41.78%，平均系統(tǒng)效率為28.66%，平均功率因數(shù)為0.703。根據(jù)《孤東采油廠質(zhì)量監(jiān)督考核細(xì)則》，在測(cè)試的35口螺桿泵井中，單井效率不合格井有9口，單井功率因數(shù)不合格井有16口。表1為孤東采油廠2012年螺桿泵井系統(tǒng)效率測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。

表1 孤東采油廠螺桿泵井系統(tǒng)效率測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2 影響螺桿泵井系統(tǒng)效率因素分析

螺桿泵采油系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、螺桿泵、抽油桿柱、皮帶減速箱以及井口裝置等部件組成。系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)機(jī)將地面的電能傳遞到井下，從而將井下流體舉升到地面。螺桿泵采油系統(tǒng)的工作過(guò)程就是一個(gè)能量不斷傳遞轉(zhuǎn)化的過(guò)程，而在能量的每次傳遞過(guò)程中都會(huì)造成能量損失。螺桿泵采油系統(tǒng)舉升流體所必須的有效功率與輸入功率的比值為螺桿泵采油井的系統(tǒng)效率[2]，即

式中 P 為電動(dòng)機(jī)的輸入功率，kW；P 為有效功率，即在某一揚(yáng)程下，將一定量的井下流體舉升到地面所需要的功率，kW。

式（1）中P 和P 分別可以表示為

式中 U 為電動(dòng)機(jī)的工作電壓，V； I 為電動(dòng)機(jī)的工作電流，A； λ 為功率因數(shù)； H 為泵的揚(yáng)程，m；q 為泵的實(shí)際排量，m3/h。根據(jù)螺桿泵舉升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，按部件在系統(tǒng)中所處的位置，以盤(pán)根盒為界將系統(tǒng)分為地面效率和井下效率兩部分，則有

2.1 井下效率分析

螺桿泵井下效率可以表示為

式中 η1為抽油桿效率，%；η2為螺桿泵效率，%； η3為管柱效率（油管錨錨定時(shí)， η3=100%），%。

抽油桿柱效率η1為光桿功率與泵排出口效率的比值，即

式中 P 為光桿功率，kW；P 為桿液之間摩擦損失功率，kW；式（6）中桿柱與井下流體黏滯摩擦損失功率P 可表示為

式中 M 為桿管之間的摩擦扭矩，kN· m；ω 為螺桿的自轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

1）螺桿泵泵效低。表2為采油廠2012年螺桿泵油井泵效分布情況統(tǒng)計(jì)，可以看出，目前采油廠螺桿泵效低于30%的井有46口，占螺桿泵油井總井?dāng)?shù)的54.12%。從抽油泵效分布情況看，低泵效井多數(shù)是產(chǎn)液量較低的螺桿泵井，由于供液差，動(dòng)液面深，油井產(chǎn)液量低，因而泵效較低，螺桿泵泵效低是造成螺桿泵井系統(tǒng)效率低的一個(gè)重要原因。

表2 85口螺桿泵油井泵效分布情況

從以上分析可看出影響井下效率最主要的因素是螺桿泵泵效低。

2）抽汲參數(shù)偏小。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，有11口油井抽汲參數(shù)偏小，轉(zhuǎn)速低，因而造成產(chǎn)液量低，均小于10 t/d。由于油井排量低，有效功率小，造成油井系統(tǒng)效率低。

3）供排不協(xié)調(diào)。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，全廠35口螺桿泵井平均動(dòng)液面為551 m，而平均泵掛為1 102.3 m，平均沉沒(méi)度超過(guò)600 m，沉沒(méi)度過(guò)大，能耗增加，嚴(yán)重影響井下效率。

2.2 地面效率分析

地面部分由電動(dòng)機(jī)、減速箱和皮帶組成，因此地面效率可以表示為

式中 η4為電動(dòng)機(jī)效率，%；η5為減速箱和皮帶的效率，%。

1）電動(dòng)機(jī)配置過(guò)大。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，35口油井平均輸入功率僅為4.73 kW，而電動(dòng)機(jī)裝配平均功率為21.73 kW，電動(dòng)機(jī)配置功率高，而運(yùn)行功率低，電動(dòng)機(jī)功率因素低，造成自身耗電增加，影響電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率。

2）電動(dòng)機(jī)效率低。電動(dòng)機(jī)使用時(shí)間長(zhǎng)，或者是經(jīng)修復(fù)后使用，電動(dòng)機(jī)效率降低。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況來(lái)看，有5臺(tái)電動(dòng)機(jī)是修復(fù)電動(dòng)機(jī)，這些電動(dòng)機(jī)效率低，電動(dòng)機(jī)自身發(fā)熱損耗嚴(yán)重，其效率相對(duì)較低。

3）油井電動(dòng)機(jī)功率因素低。從2012年測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，所測(cè)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)在0.7以下的有20臺(tái)，占所測(cè)比例的57.14%，最低的為0.241，造成功率因數(shù)低的原因是部分電動(dòng)機(jī)沒(méi)有安裝補(bǔ)償電容，或者補(bǔ)償量不合適。

4）皮帶傳動(dòng)效率差。造成傳動(dòng)效率低的主要原因是皮帶帶滑過(guò)松，兩輪對(duì)正度低；此外還與皮帶質(zhì)量、皮帶防滑劑的使用和使用效果等因素有關(guān)。

3 措施與效果

3.1 提升井下效率措施

1）應(yīng)用螺桿泵井優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。該軟件是在系統(tǒng)研究地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油系統(tǒng)的工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，以螺桿泵產(chǎn)量和泵效作為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化螺桿泵采油系統(tǒng)工作參數(shù)。建立了螺桿泵定向井桿柱動(dòng)力學(xué)模型和桿柱空間三維運(yùn)動(dòng)模型，可以計(jì)算桿柱在任意時(shí)刻、位置的軸向力、側(cè)向力、扭矩，以及桿管間的接觸程度。

2）推廣應(yīng)用油井生產(chǎn)參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油井生產(chǎn)參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)在線自動(dòng)查詢。實(shí)現(xiàn)機(jī)采螺桿泵油井電參數(shù)、壓力、產(chǎn)液量等參數(shù)自動(dòng)采集，數(shù)據(jù)自動(dòng)處理，并建立采油廠螺桿泵油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，具備停機(jī)自動(dòng)報(bào)警功能等。

3）上提泵掛。隨著泵掛深度的增加，泵效先增加后下降，在泵掛深度達(dá)到一定深度時(shí)泵效最高，因此，采用此深度作為該井的設(shè)計(jì)泵掛深度。沉沒(méi)度過(guò)大，能耗增加，嚴(yán)重影響井下效率，建議將油井泵掛沉沒(méi)度控制在200 m左右。

4）改進(jìn)泵的質(zhì)量，強(qiáng)化產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督。嚴(yán)格控制下泵質(zhì)量，做好井下工具的產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督，嚴(yán)禁不合格產(chǎn)品流入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)加強(qiáng)測(cè)試。開(kāi)井后若發(fā)現(xiàn)因質(zhì)量問(wèn)題泵效較低和泵漏嚴(yán)重，應(yīng)立即進(jìn)行檢泵測(cè)試。

5）針對(duì)孤東油田油井出砂嚴(yán)重的問(wèn)題，積極推廣應(yīng)用防砂新技術(shù)、新工藝，提高油井防砂的成功率。

3.2 提升地面效率措施

1）合理匹配電動(dòng)機(jī)，降低電動(dòng)機(jī)額定功率。針對(duì)部分電動(dòng)機(jī)額定功率過(guò)大現(xiàn)象，有針對(duì)性地更換小功率電動(dòng)機(jī)，降低額定功率。對(duì)電動(dòng)機(jī)不匹配的低效井進(jìn)行優(yōu)化匹配，解決負(fù)荷不足問(wèn)題。

2）淘汰低效電動(dòng)機(jī)，推廣永磁同步節(jié)能電動(dòng)機(jī)。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁體的作用，其有較強(qiáng)的啟動(dòng)力矩，與異步電動(dòng)機(jī)相比具有很好的節(jié)能降耗效果，可有效降低一級(jí)功率的使用。

3）采用終端無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)。推廣動(dòng)態(tài)無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償控制柜，降低無(wú)功損耗，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，提高油井的功率因數(shù)。

4）選用高效傳動(dòng)帶。采用窄形聯(lián)組帶或齒形同步帶，克服因震動(dòng)、打滑現(xiàn)象造成的損失；使用普通三角帶，以每組5根為最佳組合。

3.3 其他管理措施

1）建立動(dòng)態(tài)分析機(jī)制。將采油廠螺桿泵井用能分析納入采油廠月度生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)制度中，做到每月組織一次用能分析，每季度組織一次現(xiàn)場(chǎng)能耗監(jiān)測(cè)，找出影響油井低效的主要因素，制定“一井一策”措施方案。

2）建立檢查考核機(jī)制，加強(qiáng)監(jiān)督考核。

3）建立螺桿泵井定期系統(tǒng)效率跟蹤監(jiān)測(cè)制度。對(duì)效率低于10%的低效井實(shí)行重點(diǎn)系統(tǒng)調(diào)整，做到油井綜合治理同系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)相結(jié)合；對(duì)高效井繼續(xù)加大跟蹤測(cè)試力度，及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，確保螺桿泵井在生產(chǎn)條件變化的情況下始終在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行。

通過(guò)以上措施的實(shí)施和跟蹤分析，孤東采油廠機(jī)采系統(tǒng)螺桿泵井效率得到明顯提高，低效井比例有效下降。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全廠平均螺桿泵井系統(tǒng)效率達(dá)30.89%，油井平均功率因數(shù)達(dá)到0.829，與2012年相比，分別提高了2.23%和0.126，取得理想的措施效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，從影響螺桿泵井系統(tǒng)效率的諸因素入手，加強(qiáng)測(cè)試分析，有針對(duì)性地提出改進(jìn)措施，推廣應(yīng)用新技術(shù)、新工藝是提高螺桿泵井系統(tǒng)效率的重要手段。對(duì)低效井實(shí)行重點(diǎn)系統(tǒng)調(diào)整，建立螺桿泵井定期系統(tǒng)效率跟蹤監(jiān)測(cè)制度是提高螺桿泵井系統(tǒng)效率的重要途徑。

[1]朱益飛,張士杰,何衛(wèi)兵.變頻調(diào)速控制技術(shù)在油田螺桿泵井上的應(yīng)用[J].變頻技術(shù)應(yīng)用,2010,5（2）:95-96,113.

[2]呂彥平,吳曉東,李遠(yuǎn)超,等.螺桿泵井系統(tǒng)效率分析模型及應(yīng)用[J].石油鉆采工藝,2006,28（1）:64-68.