機械采油系統能耗綜合分析與優化策略

張海春

摘 要：近年來，隨著國際油價持續低迷，采油行業形勢突變，油田企業效益持續下滑，倒逼企業降低采油生產成本提高效益。同時，持續開采使得油田進入高含水期，開采能耗有增大的趨勢。因此，油田企業必須改變過去粗獷的開發方式，加強節能降耗工作。在油田生產中，機械采油系統能耗占油田能耗的很大一部分，提高機械采油系統工作效率降低能耗越來越受到油田企業重視。文章分析了影響機采系統能耗的因數，提出了通過選擇合理生產設備、優化機采系統生產參數、提高機械采油系統管理水平等節能措施，提高機采系統效率，努力實現降本增效。

關鍵詞：機械采油系統；節能降耗；生產參數；提高效益

隨著油價持續低迷，油田企業愈加重視降本增效，積極開展了機械采油系統節能降耗工作。文中分析了影響機械采油系統能耗的因素，對機械采油系統節能措施及效果進行了分析，為提升機采系統工作效率、降低能耗提供參考。

1 影響抽油機能耗的因素分析

1.1 抽油機載荷和工作狀態對機采系統能耗的影響

抽油機在工作時傳動系統從動力部分到懸點，要經過減速和換向等過程，在這個過程中，游梁式抽油機的平衡度對機采系統的能耗影響較大。平衡度較好的抽油機，機采系統工作效率高，反之，平衡度較差的抽油機，機采系統工作效率較低。除此之外，抽油機的平衡度不好會影響各部分工作狀態，使得抽油機連桿機構、減速箱等部件工作異常，縮短機采系統的工作壽命。因此，要時刻關注抽油機的平衡狀態，對于平衡狀態較差的抽油機要及時調整，通常抽油機能耗最小時平衡度最佳，通過平衡調節能夠降低能耗，提高機采系統工作效率。

1.2 電動機對機采系統能耗影響

抽油機的主要動力設備是電動機，其能耗的高低直接決定著機采系統效率的高低。評價電動機參數有電動機的負載率和功率因數。電動機的負載率指的是電動機實際輸出功率N 1 與額定功率 N 0 的比值，有如下計算公式：

相應的，電動機的功率因數計算公式如下：

電動機工作效率通常用 1 個周期內的平均輸入功率平均軸功率的比值來評價，具體公式如下，

式中：N 1m 為平均軸功率，單位 KW。

N 1m 為一個周期內的平均輸入功率，單位 KW。

電動機負載率與其功率因數及工作效率關系如圖 1 所示，電動機負載率過低時，其功率因數與系統工作效率均較低。目前使用較多的異步電機只有在額定功率運行時，其功率因數和工作效率才達到最佳狀態，負載率降低時，電動機的工作效率明顯降低。因此，必須提高電動機負載率，使用永磁同步電機能夠較好解決這個問題。

1.3 摩擦阻力對機采系統能耗的影響

（1）桿、管、柱的摩擦阻力。隨著油井持續開采，地層產出液中含水升高，由早期的油包水變為水包油，井內液體潤滑效果變差 ，同時井內出砂情況加劇，導致井下桿、管、柱在工作時摩擦阻力變大。井上部分四連桿機構工作時也會由摩擦導致能量損失，驢頭鋼絲形變等也會降低四連桿機構工作效率。

（2）光桿與盤根盒的摩擦阻力。光桿與盤根盒接觸部分容易產生摩擦阻力，直接影響抽油機工作效率。當盤根盒與光桿對中性不好時，會增加光桿上、下運動中的摩擦阻力，同時盤根盒密封過緊時，也會增大與光桿直接的摩擦阻力，從而導致系統工作效率降低，能耗增加，研究表明，光桿與盤根盒摩擦造成的抽油機功率損失可達 10%左右。

（3）減速箱的摩擦阻力。減速箱工作過程中產生的摩擦阻力主要是因為減速箱潤滑不好導致的。減速箱能耗損失主要表現在軸承和齒輪損失上，減速箱中有三對人字齒輪，潤滑不好，齒輪間摩擦阻力增大，導致系統效率下降。

1.4 生產參數對機采系統能耗影響

生產參數設置的合理如否直接影響機采系統工作效率。影響機采系統效率的生產參數較多，其中油井產量，懸點載荷、泵掛深度、抽油機沖次沖程最重要的幾項參數。當油井的設備與油井產量一定，同時泵掛深度確定，此時抽油機隨著沖次增加，舉升效率降低。若泵徑、沖程沖次一定時，泵掛深度由淺入深，油井產液量呈現先增加后減少的趨勢。因此，為了提高機械系統效率，要根據油井實際情況，合理選擇各項生產參數。

2 機械采油系統節能措施及效果分析

2.1 加強油井日常管理，提升機采系統運行效率

2.1.1 優化采油工藝設計，提高舉升效率

針對油井具體情況，選擇成熟的工藝技術，提升井下管柱的舉升效率。針對稠油井可以采取泵上摻水工藝技術，對于不具備注汽條件的稠油油藏，可以采用連續抽油桿與地面驅動螺桿泵結合的機采工藝技術。針對出砂井，不僅要做好前期防砂工作，還要采取攜砂采油相關的工藝技術。

2.1.2 優化抽油設備，提高采油效率

首先要提升電機的工作效率，使電機匹配更合理，提高電機負載率，同時提升電機功率因數，減少無功功率。其次要提升抽油機工作效率，從改善抽油機平衡度入手，減少扭矩波動幅度，還可以使用新型傳動方式的抽油機。再次，要提升泵的工作效率，對于供液較差的井，可采取間斷式生產、增加泵的下入深度、降低泵級等方式，實現供采平衡。

2.1.3 提升地面配套設備性能，減少能量損耗

要改善地面設備性能，首先是使用節能抽油機、節能電機，改造節能變頻控制裝置，同時要加強設備的維修和保養工作，使地面設備高效運轉，從而減少能耗。及時準確的分析油井工作狀態，調整相應的工作制度適應油井實際情況，能夠有效的降低機采系統能耗。

2.2 使用節能設備，提高機采系統效率

2.2.1 根據實際情況，使用新型抽油機

針對油井供液能力不足的情況，可以更換使用小型抽油機，使抽油機功率與油井負荷匹配效果更好，降低扭矩波動，達到節能效果。可以使用異相型游梁抽油機，該型抽油機在同樣井況條件下動載更小，平衡效果好，比常規抽油機工作效率高。還可以使用無游梁式抽油機，提高油井利用率。

2.2.2 使用新型電動機

異步電機存在功率因數低，無功功率高的情況，使用新型永磁同步電機能夠解決這一問題。永磁同步電機體積更小、重量較輕，使用維護方便，在性能方面，永磁同步電機具有啟動力矩大、過載能力強、負載率高、運行效率高的優勢，在機采系統中應用效果好，節能效果明顯。

2.2.3 使用變頻調速裝置

機采系統使用變頻調速控制裝置能夠極大提升系統工作效率。變頻調速控制裝置能夠方便任意調節抽油機沖程，可控制抽油機上沖程速度快從而減少油泵泄漏，控制下沖程速度慢從而提高泵的充滿系數，從而使泵工作效率更高。變頻調速控制裝置能夠實現軟啟動，極大的降低了啟動電流，可減少抽油機配備電機功率，從而提升電機的負載率。同時變頻調速控制裝置能夠提高功率因數，降低電機無功功率。

參考文獻：

[1] 提高機采井系統效率措施的探討[J]. 王雪坤. 中國石油和化工標準與質量. 2016（11）