提高機(jī)采井系統(tǒng)效率節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用與探討

李飛（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

1 影響機(jī)采井系統(tǒng)效率主要原因

1.1 沉沒度對(duì)系統(tǒng)效率的影響

隨著舉升高度H 的增加，系統(tǒng)效率增加。試驗(yàn)得知，無論使用什么機(jī)型以及抽汲參數(shù)大小，隨著舉升高度的增加，系統(tǒng)效率都增加。當(dāng)然，它們之間并非線性關(guān)系，隨著舉升高度的增加，系統(tǒng)效率增加的趨勢(shì)逐漸變緩，直到達(dá)到最大。這是因?yàn)椋?dāng)下泵深度一定時(shí)，隨著舉升高度的增加，而抽油泵的沉沒度逐漸變小，導(dǎo)致抽油泵的排量系數(shù)下降，使抽油泵產(chǎn)量減少，影響系統(tǒng)效率的提高，所以舉升高度并非越高越好。為了提高系統(tǒng)效率，就必須確定一個(gè)合理的舉升高度[1]。因此，通過建立系統(tǒng)效率與沉沒壓力的關(guān)系式，在確定合理沉沒壓力的條件下，得出一個(gè)合理舉升高度H0的計(jì)算公式，即

式中：L 為泵深，m；K 為油氣比，t/m3；fw為含水率，%；Po為油壓，MPa；H 為舉升高度，m。

舉升高度與液面的關(guān)系可由公式（2）表示：

式中：H 為舉升高度，m；H液為液面高度，m；P油、 P套為油井的油壓和套壓，MPa；ρ 為混合液密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2。

利用舉升高度可以得到動(dòng)液面，進(jìn)而計(jì)算出沉沒度。因此，采取相應(yīng)的措施，使沉沒度保持在合理值附近，系統(tǒng)效率達(dá)到較高水平。表1 為葡9-8-48 井系統(tǒng)效率隨沉沒度變化表。由表1 可知，油井的系統(tǒng)效率首先隨著沉沒度的上升而增加，到達(dá)一定的高度后又開始下降。

表1 葡9-8-48 井沉沒度和系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)變化

1.2 泵效對(duì)系統(tǒng)效率的影響

泵效是影響系統(tǒng)效率的重要因素，對(duì)于各種不同的泵徑，泵效越低，系統(tǒng)效率就越低。通過分析葡112-57 井?dāng)?shù)據(jù)，證實(shí)泵效變化對(duì)系統(tǒng)效率變化的影響。由表2 可知，對(duì)抽油泵泵效下降的井，應(yīng)檢查抽油泵的工作狀態(tài)，及時(shí)采取化清、檢泵或者隨檢換泵等治理措施。

表2 葡112-57 井?dāng)?shù)據(jù)變化

1.3 抽汲參數(shù)對(duì)系統(tǒng)效率的影響

抽油機(jī)在長沖程、低沖速下運(yùn)行，隨著沖速降低，最小載荷上升，下行阻力減少，抽油桿收縮量減少，有效沖程增加，增加泵排量；沖速降低，可增加油層液體向泵筒內(nèi)流動(dòng)時(shí)間，泵筒充滿程度增加，提高油井的泵效，增加油井的產(chǎn)量，進(jìn)而提高油井的系統(tǒng)效率。

水力模型試驗(yàn)表明：對(duì)于同一有效揚(yáng)程H ，抽汲參數(shù)（沖程S 、沖速n）不同，抽油機(jī)系統(tǒng)效率η 不同（圖1），而且差別很大；同一沖程下，系統(tǒng)效率隨沖速的增加而降低，沖速過高縮短抽油桿壽命，增加能耗，降低泵效和系統(tǒng)效率。

圖1 抽油機(jī)系統(tǒng)效率隨沖程、沖速變化情況統(tǒng)計(jì)

對(duì)沖速下調(diào)的14 口抽油機(jī)井進(jìn)行了調(diào)參前后能耗對(duì)比，由對(duì)比數(shù)據(jù)可知，沉沒度由36.0 m 提高到138.3 m，系統(tǒng)效率由21.50%提高到22.76%。結(jié)果表明，噸液百米耗電由2.22 kWh 降至2.10 kWh，節(jié)電率為5.78%。

通過以上分析認(rèn)為，充分利用沖程、降低沖速可減少抽油桿彎曲及運(yùn)動(dòng)次數(shù)，從而減少桿管偏磨及桿管斷裂，延長抽油泵使用壽命，提高檢泵周期；長沖程、低沖速增加了泵筒充滿程度，提高了系統(tǒng)效率。

1.4 設(shè)備對(duì)系統(tǒng)效率的影響

有桿抽油系統(tǒng)效率可表示為

式中：η 為系統(tǒng)效率，%；P1為輸入功率，kW；ΔP 為損失功率，kW。

由式（3）可知，有桿抽油系統(tǒng)效率值取決于損失功率與輸入功率之比，即在輸入功率一定的條件下，損失功率越大，有桿抽油系統(tǒng)效率越低，反之系統(tǒng)效率就越高。根據(jù)有桿抽油系統(tǒng)組成情況，可以把有桿抽油系統(tǒng)的功率損失分為八部分，分別用ΔP2～ΔP9表示，因此有

式中：ΔP2為電動(dòng)機(jī)損失，包括電動(dòng)機(jī)熱損失和機(jī)械損失；ΔP3為皮帶損失，主要是皮帶傳動(dòng)中的摩擦損失；ΔP4為減速箱損失，主要是減速箱傳動(dòng)中的摩擦損失；ΔP5為四連桿損失，主要是軸承摩擦損失和鋼絲繩變形損失；ΔP6為盤根盒損失，主要是盤根盒的摩擦損失；ΔP7為抽油桿損失，主要是抽油桿摩擦損失和彈性變形損失；ΔP8為抽油泵損失，包括抽油泵的機(jī)械損失、容積損失與水力損失；ΔP9為管柱損失，主要為管柱的水力損失。

2 提高機(jī)采井系統(tǒng)效率的主要方法

2.1 節(jié)點(diǎn)分析提高系統(tǒng)效率

通過對(duì)影響系統(tǒng)效率主要原因分析，找出影響系統(tǒng)效率的主要因素，細(xì)化能耗節(jié)點(diǎn)（圖2），提出下步治理措施進(jìn)行調(diào)整，主要從沉沒度、平衡率和日常管理三個(gè)方面進(jìn)行治理。

圖2 節(jié)點(diǎn)分析

例如，葡70-斜712 措施前系統(tǒng)效率僅為15.7%，對(duì)該井影響系統(tǒng)效率部位進(jìn)行分析，確定沉沒度和平衡率為影響該井系統(tǒng)效率的主要因素。對(duì)該井制定了調(diào)大沖速和調(diào)整平衡率的調(diào)整措施，措施后該井沉沒度下降了397.4 m，平衡率上升了26%，系統(tǒng)效率上升了16.2%（表3）。

針對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行部位對(duì)系統(tǒng)效率的影響程度，分別對(duì)2534 口井5044 節(jié)點(diǎn)分析和調(diào)整，平均系統(tǒng)效率由16.64%上升到19.64% （表4），提高3個(gè)百分點(diǎn)，年可節(jié)電662.6 kWh，取得了良好的節(jié)電效果。

表3 葡70-斜712 井措施前后對(duì)比

2.2 采用塔架式抽油機(jī)

低滲透、特低滲透油藏開發(fā)過程中，油層埋藏深，泵掛深度長，地層能量不足，動(dòng)液面深；舉升高度高，抽油泵沉沒度低；系統(tǒng)運(yùn)行效率低，單機(jī)耗電量大；油田開發(fā)成本增加，不能適應(yīng)節(jié)能降耗的發(fā)展要求。為此，開展塔架式抽油機(jī)（圖3）節(jié)能試驗(yàn)。

圖3 塔架式抽油機(jī)

2.2.1 主要結(jié)構(gòu)

塔架式抽油機(jī)由基礎(chǔ)、塔架、上平臺(tái)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。動(dòng)力系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、彈性緩沖器及鋼絲繩、前后動(dòng)滑輪、平衡配重等部件組成；控制系統(tǒng)由伺服控制箱、上下限位開關(guān)、中位傳感器及手持遙控器等組成，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備各種功能的控制[1]。

2.2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

用齒輪、聯(lián)軸器傳動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少皮帶和連桿直接的動(dòng)能損失，機(jī)械效率高；采用動(dòng)滑輪提升光桿，減少一半的舉升載荷，降低了電動(dòng)機(jī)功率；采用天平平衡方式，平衡可精調(diào)到95%以上，無功損耗大幅降低；采用變頻技術(shù)，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，電壓是隨井下載荷變化而變化，降低電動(dòng)機(jī)的功率消耗，與普通游梁抽油機(jī)對(duì)比，綜合節(jié)電率可達(dá)33.47%。

2.2.3 應(yīng)用效果

在葡172-24 井上進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，有功功率降低了1.1 kWh，無功功率降低了14.6 kvar，系統(tǒng)效率提升了1.5%，日節(jié)電27.4 kWh，綜合節(jié)電率達(dá)29.8% （表5），起到了良好的節(jié)能效果。

表5 塔架式抽油機(jī)應(yīng)用效果對(duì)比

綜合節(jié)電率可按中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的SY/T 6422—2008《石油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測(cè)定》計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

表4 2014年機(jī)采井系統(tǒng)效率節(jié)點(diǎn)分析效果對(duì)比

式中：ξj為綜合節(jié)電率，%；W1為應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品前噸液百米提升高度有功耗電量，kWh；W2為應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品后噸液百米提升高度有功耗電量，kWh；Q1為應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品前噸液百米提升高度無功耗電量，kWh；Q2為應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品后噸液百米提升高度無功耗電量，kWh；Kq為無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，kW/kvar。 Kq取值應(yīng)符合GB/T12497 的規(guī)定，宜取0.03[2]。

2.3 應(yīng)用智能化多功能調(diào)速裝置

對(duì)于地層條件差、供液能力不足、單井產(chǎn)量低、舉升能耗高的抽油機(jī)井，可應(yīng)用智能化多功能調(diào)速裝置（圖4），動(dòng)態(tài)分配功率，在降低抽油機(jī)井舉升能耗的同時(shí)，方便機(jī)采參數(shù)動(dòng)態(tài)管理。

圖4 多功能調(diào)速裝置

2.3.1 工作原理

在智能化多功能調(diào)速裝置上，根據(jù)抽油機(jī)交變工作載荷的特點(diǎn)，內(nèi)置了專用的矢量變頻裝置及控制程序，采用優(yōu)化節(jié)能控制軟件，利用負(fù)荷傳感器，適時(shí)檢測(cè)抽油桿（或電動(dòng)機(jī)）在每個(gè)沖程的負(fù)荷變化；根據(jù)負(fù)荷變化，通過自動(dòng)設(shè)定并調(diào)整上下沖程速度，使抽油機(jī)工況達(dá)到最佳，提高運(yùn)行系統(tǒng)效率，達(dá)到節(jié)能的目的[3]。

2.3.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

該裝置具有軟啟動(dòng)功能，啟動(dòng)扭矩大；具有無極調(diào)參功能，無需更換皮帶輪；變頻控制，功率動(dòng)態(tài)分配，節(jié)電效果明顯。

2.3.3 應(yīng)用效果

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用232套，有功功率平均單井降低1.22 kW，無功功率降低3.68 kvar，系統(tǒng)效率提升3.7%，日耗電減少29.21 kWh，綜合節(jié)電率達(dá)24.24%（表6），起到了良好的節(jié)能效果。

表6 智能化多功能調(diào)速裝置應(yīng)用效果對(duì)比

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）機(jī)采井系統(tǒng)效率的主要影響因素有沉沒度、抽汲參數(shù)、泵效、桿管組合、平衡率和地面設(shè)備等，通過對(duì)機(jī)采井沉沒度、平衡率和日常管理等方面的綜合治理，可提高機(jī)采井的系統(tǒng)效率，達(dá)到節(jié)能的目的。

2）長沖程、慢沖速可改善抽油桿受力狀況，減少抽油桿斷裂概率，提高系統(tǒng)效率，降低能耗。

3）應(yīng)用塔架式抽油機(jī)和智能化多功能調(diào)速裝置等節(jié)能設(shè)備，可在一定程度上提高機(jī)采井的系統(tǒng)效率，減少單井的日耗電量。

[1]關(guān)運(yùn)忠.有關(guān)塔架式抽油機(jī)的應(yīng)用分析[J].石油石化物資采購,2013(12):87-89.

[2]鄭剛銳.SY/T 6422—2008 石油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測(cè)定[S]北京:石油工業(yè)出版社,2008.

[3]閆靜.智能化多功能調(diào)速裝置的應(yīng)用與評(píng)價(jià)[J].石油石化節(jié)能,2014(4):28-29.