能耗節(jié)點(diǎn)分析在抽油機(jī)井節(jié)能降耗中的應(yīng)用

胡全偉（中國石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心）

能耗節(jié)點(diǎn)分析在抽油機(jī)井節(jié)能降耗中的應(yīng)用

胡全偉（中國石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心）

機(jī)械采油系統(tǒng)能耗約占油田總能耗的60%左右，是油田生產(chǎn)能耗重要組成部分，而抽油機(jī)采油系統(tǒng)是機(jī)采系統(tǒng)的主要方面，因此提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率對(duì)降低機(jī)采系統(tǒng)能耗，提升油田綜合效益具有重要意義。通過對(duì)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程，找出影響抽油機(jī)井能耗的主要節(jié)點(diǎn)所在，分析系統(tǒng)效率不合格原因，針對(duì)主要能耗節(jié)點(diǎn)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際采取優(yōu)化措施，可實(shí)現(xiàn)年197×104kWh的節(jié)電量，有效降低機(jī)采系統(tǒng)能耗。

抽油機(jī)井；能耗節(jié)點(diǎn)；節(jié)能降耗

系統(tǒng)效率是反映抽油機(jī)井運(yùn)行情況的一個(gè)綜合指標(biāo)，提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率對(duì)降低機(jī)采系統(tǒng)能耗具有重要意義[1]。節(jié)能監(jiān)測(cè)是了解掌握機(jī)采井系統(tǒng)效率，推動(dòng)能源合理利用的有效手段，某油田結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，利用節(jié)能監(jiān)測(cè)技術(shù)手段對(duì)抽油機(jī)井等重點(diǎn)耗能設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)掌握機(jī)采井運(yùn)行效率情況，為今后節(jié)能改造提供依據(jù)。

2016年對(duì)某油田4000多口抽油機(jī)井進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，系統(tǒng)效率合格率為68.59%，系統(tǒng)效率指標(biāo)良好，對(duì)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率情況進(jìn)行分析，找到影響系統(tǒng)效率的主要因素，通過對(duì)能耗節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，查找影響抽油機(jī)井能耗的主要因素，采取有針對(duì)性的優(yōu)化措施提高抽油機(jī)井整體系統(tǒng)效率。

1 系統(tǒng)效率分布情況

2016年監(jiān)測(cè)的抽油機(jī)井中系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)不合格井1373口，占可評(píng)價(jià)數(shù)量的31.41%，不合格井平均系統(tǒng)效率為10.06%。

系統(tǒng)效率是機(jī)采系統(tǒng)的關(guān)鍵考核指標(biāo)，依據(jù)2016年某油田機(jī)采井監(jiān)測(cè)情況將機(jī)采系統(tǒng)效率劃分為理想系統(tǒng)效率區(qū)、高系統(tǒng)效率區(qū)、平均系統(tǒng)效率區(qū)、較低系統(tǒng)效率區(qū)和特低系統(tǒng)效率區(qū)。對(duì)各區(qū)間影響系統(tǒng)效率的主要因素進(jìn)行分析，抽油機(jī)井各區(qū)間，見表1。

2 能耗節(jié)點(diǎn)分析

動(dòng)液面和產(chǎn)液量是影響抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的主要因素，動(dòng)液面越深、產(chǎn)液量越高，系統(tǒng)效率也就越高；同時(shí)，抽油機(jī)井的平均功率利用率也隨著系統(tǒng)效率分布區(qū)間的增大而增高。根據(jù)能耗節(jié)點(diǎn)控制的理念，結(jié)合抽油機(jī)井運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)抽油機(jī)井能耗流向進(jìn)行研究分析，提升抽油井系統(tǒng)效率可從地面及井下2個(gè)要素8個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行。

2.1 系統(tǒng)效率影響因素

影響抽油機(jī)系統(tǒng)效率的地面因素主要有變壓器、電動(dòng)機(jī)、抽油機(jī)井等設(shè)備的效率及其他輔助生產(chǎn)設(shè)備；井下因素主要有泵效、摩擦力、油桿彈性、地層滲透率等因素。抽油機(jī)采油系統(tǒng)工作的過程就是一個(gè)能量不斷傳遞和轉(zhuǎn)化的過程，能量的每一次傳遞和轉(zhuǎn)化都會(huì)有一定的損失，根據(jù)抽油機(jī)的組成，可把系統(tǒng)的能量損失分為8部分，其能量損失[2]見圖1。

表1 2016年某油田抽油機(jī)井系統(tǒng)效率分布

圖1 抽油機(jī)采油系統(tǒng)能量傳遞與損失流程

在最優(yōu)的理想狀態(tài)下，普通游梁式抽油機(jī)井的最大系統(tǒng)效率為63.60%，但在實(shí)際生產(chǎn)中系統(tǒng)效率最大一般不超過55%。30kW電動(dòng)機(jī)理想狀況下，抽油機(jī)系統(tǒng)的能量損失和傳動(dòng)效率統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 理想狀況下抽油機(jī)系統(tǒng)的能量損失和傳動(dòng)效率統(tǒng)計(jì)

由表2可知，提高抽油機(jī)系統(tǒng)效率的措施可以具體到相關(guān)設(shè)備，有針對(duì)性的進(jìn)行提升改造。

2.2 提高系統(tǒng)效率措施

提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率可針對(duì)各個(gè)影響因素采取措施，結(jié)合某油田抽油機(jī)井系統(tǒng)現(xiàn)狀主要有以下建議。

2.2.1 電動(dòng)機(jī)損失

常用電動(dòng)機(jī)最佳運(yùn)行效率在額定負(fù)載（0.7～1.1）附近，因此需要根據(jù)抽油機(jī)井工作狀況，對(duì)負(fù)載率低的抽油機(jī)井采取更換小功率電動(dòng)機(jī)或安裝節(jié)能電動(dòng)機(jī)、節(jié)能配電箱等措施提高負(fù)載率，提升電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)；同時(shí)要合理匹配井用變壓器抽油機(jī)井、電動(dòng)機(jī)、變壓器盡量合理匹配，避免載荷過低的現(xiàn)象發(fā)生[3]，造成不必要的能源浪費(fèi)。

2.2.2 皮帶傳動(dòng)損失

抽油機(jī)傳動(dòng)部分損失主要有兩類，一類是與載荷無關(guān)的損失，主要是繞皮帶輪的彎曲損失，進(jìn)入與退出輪槽的摩擦及風(fēng)阻損失，多條皮帶傳動(dòng)時(shí)，由于皮帶長(zhǎng)度誤差及輪槽誤差造成的功率損失。另一類是與載荷有關(guān)的損失，包括彈性滑動(dòng)損失，打滑損失，皮帶與輪槽間徑向滑動(dòng)摩擦損失等。工程常用的皮帶傳動(dòng)效率都比較高，最高可達(dá)98%，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，傳動(dòng)部分效率的調(diào)高潛力很小。對(duì)采油廠來說，需要做好的是皮帶的管理工作，研究合理的皮帶量化測(cè)試方法，確定符合生產(chǎn)工況的皮帶松緊度，對(duì)磨損的皮帶做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)更換。標(biāo)準(zhǔn)井固定工況下皮帶松緊度對(duì)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率影響見表3。

表3 抽油機(jī)井皮帶松緊度對(duì)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率影響

2.2.3 減速箱損失

減速箱的損失主要是軸承損失和齒輪損失，一般傳動(dòng)效率為90%以上。從工程角度上看，這基本是目前減速箱傳動(dòng)效率的最高值。因此，采油廠只需按照要求及時(shí)更換潤滑油，做好減速箱的管理和維護(hù)工作。

2.2.4 換向損失

對(duì)游梁式抽油機(jī)來說，其換向部分主要是四連桿機(jī)構(gòu)，損失主要包括軸承摩擦損失和驢頭鋼絲繩變形損失。在目前不改變換向結(jié)構(gòu)的情況下，該部分的效率不會(huì)有太大的提升，需做好日常的潤滑保養(yǎng)工作；通過合理調(diào)節(jié)抽油機(jī)井平衡度，是油井保持在90%左右的經(jīng)濟(jì)區(qū)可以節(jié)約電能，提高系統(tǒng)效率。

2.2.5 盤根盒損失

主要是光桿和盤根盒間的摩擦損失。正常情況下，盤根盒的功率損失是光桿與填料間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦，損失與光桿運(yùn)動(dòng)速度和摩擦力呈正比。正常情況下，盤根盒能量損失很小，但如果盤根過緊，或者光桿安裝不對(duì)中，光桿與盤根盒的摩擦力將成倍增加。日常管理中需要各采油廠做好盤根調(diào)節(jié)工作，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，盤根調(diào)整至不漏油最松狀態(tài)下緊30～50N·m（1～1.5圈），此時(shí)抽油機(jī)理論上應(yīng)達(dá)到最佳節(jié)電和管理效果。

2.2.6 抽油桿損失

該部分損失主要是抽油機(jī)在上下沖程工作過程中與油管和井液間的摩擦損耗，抽油桿與液柱間的摩擦損耗與下泵深度、原油黏度成正比；與油管間的摩擦跟井筒斜度和彎曲程度有關(guān)，井筒的斜度或彎曲程度越大，摩擦耗功越大。該部分能效在日常工作中提高的潛力不大，可操作性較低。

2.2.7 抽油泵損失

抽油泵的功率損失包括機(jī)械功率損失、容積功率損失和水力功率損失。機(jī)械功率損失是柱塞與泵筒（襯套）之間的機(jī)械摩擦損失，一般情況下較小；容積功率損失是柱塞與泵筒（襯套）之間漏失及泵閥關(guān)閉不嚴(yán)造成的漏失產(chǎn)生的功率損失；水力功率損失是原油流經(jīng)泵閥時(shí)由于水力阻力引起的功率損失。抽油泵損失的主要形式是容積損失和水力損失，其次是抽油桿彈性伸縮引起的沖程損失。由表2可知，抽油泵損失在抽油機(jī)能量損耗中占的比重很大。在日常工作中，減小抽油泵損失需要做好以下工作：

1）經(jīng)常關(guān)注油井地下參數(shù)的變化情況，對(duì)出現(xiàn)泵漏失等情況要及時(shí)進(jìn)行解決，做好檢泵工作。

2）對(duì)供液量不足的抽油機(jī)井要及時(shí)進(jìn)行調(diào)參，調(diào)節(jié)沖程沖速，或者考慮進(jìn)行間抽，合理調(diào)節(jié)沉沒度，提高泵效；但同時(shí)需注意泵效并不是越高，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率也越高，一般情況下泵效低于40%的抽油機(jī)井采取措施后，系統(tǒng)效率提升較明顯。

3）降低抽油機(jī)的沖程損失也是提高泵效的重要方面，沖程損失與泵活塞及油管截面積、抽油桿長(zhǎng)度及截面積、動(dòng)液面深度、液體密度等有關(guān)，這需要對(duì)抽油桿及抽油泵等的選用進(jìn)行優(yōu)化組合。

2.2.8 抽油管柱損失

主要包括容積損失和水力損失。管柱水力損失與管柱內(nèi)表面的粗糙度及井液向上流動(dòng)速度的平方成正比[4]。因此對(duì)于井液腐蝕性較強(qiáng)或者易結(jié)垢的油井需對(duì)油管采取防腐或防結(jié)垢措施；選擇抽汲參數(shù)時(shí)盡量選大泵徑、長(zhǎng)沖程、低沖速，降低液體上升速度，減少水力損失，提高泵效；減少容積損失主要是在油管螺紋處加裝密封件，做好油管密封。

以上是提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率幾項(xiàng)措施，目前從管理及技術(shù)上講減少電動(dòng)機(jī)損失、皮帶傳動(dòng)損失及抽油泵損失是最有可操作性，也是應(yīng)用較多見效較快的措施。

3 應(yīng)用效果

由于節(jié)能具有相對(duì)性，因此實(shí)際計(jì)算分析過程中需要根據(jù)不同的需要采用不同的節(jié)能量計(jì)算方法。在計(jì)算抽油井節(jié)能量方面，主要采用技措法，即抽油機(jī)井采取節(jié)能技術(shù)措施前后能耗水平的比較，以系統(tǒng)效率提高為依據(jù)計(jì)算節(jié)能量[5]。

式中：ΔE——節(jié)能量，kWh；

Eh——技術(shù)措施后消耗量，kWh；

ηh——改造后系統(tǒng)效率，%；

ηq——改造前系統(tǒng)效率，%。

以某采油區(qū)塊抽油機(jī)為例，2016年機(jī)采系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中該區(qū)塊系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)不合格抽油機(jī)井393口。通過對(duì)抽油機(jī)井能耗節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，采取相應(yīng)經(jīng)濟(jì)上合理，技術(shù)上可行的整體優(yōu)化技術(shù)對(duì)抽油機(jī)井運(yùn)行過程進(jìn)行優(yōu)化[6]，使抽油機(jī)井系統(tǒng)效率每提高1%，抽油機(jī)井全年運(yùn)行時(shí)間取300天，按照上述公式計(jì)算，每年可實(shí)現(xiàn)節(jié)約有功電量約為197×104kWh。因此抓住抽油機(jī)井能耗節(jié)點(diǎn)的主要因素采取優(yōu)化措施，在提高系統(tǒng)效率方面，該油田還是有很大的節(jié)能潛力可以挖掘。

4 結(jié)論

通過對(duì)相關(guān)指標(biāo)及影響因素進(jìn)行分析可知，采取正確合理的措施可有效提高機(jī)采井系統(tǒng)效率。目前該油田抽油機(jī)井系統(tǒng)效率還有較大的提升空間，因此，通過加強(qiáng)節(jié)能監(jiān)測(cè)工作及時(shí)了解機(jī)采井系統(tǒng)效率情況，針對(duì)存在的問題進(jìn)行及時(shí)改進(jìn)可有效降低機(jī)采系統(tǒng)能耗，對(duì)降低油田生產(chǎn)成本，提升效益具有重要意義。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2017.09.006

胡全偉，2011年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院（電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)），從事節(jié)能監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作，E-mail：228563836@qq.com，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)西賓路552號(hào)，163453。

2017-08-01

（編輯鞏亞清）