抽油機井系統效率影響因素分析及提高措施

劉爽（大慶油田有限責任公司第一采油廠）

機械采油方式是油田開采進入中后期的必要舉升手段[1]。其中，由于抽油機井井數多、占比高，是油田生產的耗電大戶，對機采井系統效率影響也最大，是節能工作的重點。因此，要實現油田節能降耗、降低生產成本、提高經濟效益一個重要且有效的途徑就是提高抽油機井系統效率。

1 抽油機井系統效率概論

1.1 概念

抽油機井系統效率是指將地面電能轉化為機械能傳遞給井下液體，將井內液體舉升到地面的有效做功能量與系統輸入能量之比。油井系統效率不僅反映用電損耗，更是衡量整個抽油系統運行過程中的綜合效率，是節能管理中必須重視的參數[2]。2018年6月，薩中開發區抽油機井系統效率為32.16%，但與國外先進水平（系統效率36%左右）相比還存在著一定差距，仍然具有較大的提升空間。

1.2 影響因素

抽油機輸入能量在傳遞和轉換過程中，總會發生不可避免的功率損失，功率損失是影響抽油機井系統效率的主要原因[3]。在油井儲層條件一定的情況下，制約抽油機井系統效率因素可分為地面因素、井下因素和管理因素三大方面，三者之間是相互關聯、相互制約的。

1.2.1 地面因素

根據地面驅動設備組成情況，地面能量損失可分為電動機、皮帶、齒輪減速器和四連桿機構四部分能量損失之和。地面設備能量損失越小，地面效率越高；反之，地面效率越低。

電動機對系統效率的影響主要是熱損失和機械損失。其中，電動機類型、設備性能和匹配是影響電動機效率的主要因素。①電動機類型。針對普通型電動機存在啟動電流大、能耗高和噪聲大等問題，近幾年薩中開發區加大了雙速雙功率電動機、超高轉差電動機和雙功率電動機等高效節能電動機的應用力度，取得了較好的節能降耗效果。②設備性能。由于電動機長時間運行，造成內部線圈老化，機械磨損增加，降低了電動機的輸出功率。③匹配。從動力角度講，為了保證抽油機的正常運轉，峰值扭矩高，勢必要選用較大的電動機，這種大電動機、大峰值電流的配套方案，必將導致電動機自身損耗和電路損耗的增加[4]，電動機功率利用率普遍偏低，對抽油機井系統效率影響較大。

皮帶對系統效率的影響主要是皮帶彈性滑動損失、打滑損失和皮帶與輪槽間徑向滑動的摩擦損失，其中，皮帶松緊度是影響皮帶傳動效率的最重要因素。

減速箱對系統效率的影響主要是軸承損失和齒輪損失。軸承和齒輪是否潤滑是影響減速箱傳送效率的最重要因素。

四連桿對系統效率的影響主要是相對運動部件間的摩擦損失和鋼絲繩的變形損失。軸承是否潤滑，鋼絲繩變形程度大小是影響四連桿效率的最重要因素。

1.2.2 井下因素

根據井下驅動設備組成情況，井下能量損失可分為盤根盒、抽油桿、抽油管柱和抽油泵四個部分能量損失之和。井下設備能量損失越小，井下效率越高；反之，井下效率越低。

盤根盒對系統效率的影響主要是光桿與盤根間的摩擦損失，其中，盤根松緊度是影響盤根效率的最重要因素。

抽油桿對系統效率的影響主要是抽油桿與油管間、井液間產生的摩擦功率損失和抽油桿的彈性變形損失。其中，沖程、沖速、泵徑匹配不合理和抽油桿及油管的彎曲是影響抽油桿傳送效率的最重要因素。

抽油管柱對系統效率的影響主要是油管漏失引起的功率損失和井液在油管內流動引起的水力損失。其中，油管漏失是影響抽油管柱效率的最重要因素。

抽油泵對系統效率的影響主要是機械摩擦損失功率、抽油泵容積損失功率和抽油泵水力損失功率[5]。其中，抽油泵泵效及漏失量是影響抽油管柱效率的最重要因素。

1.2.3 管理因素

產液量對系統效率的影響。以抽油機井產液量為橫坐標，抽油機井系統效率為縱坐標，做散點圖進行回歸（圖1）。由圖1可知，隨著產液量的升高，抽油機井系統效率逐步提高，產液量在40 t/d以下時系統效率偏低。

圖1 抽油機井產液量與系統效率關系

泵效對系統效率的影響。以抽油機井泵效為橫坐標，抽油機井系統效率為縱坐標，做散點圖進行回歸（圖2）。由圖2可知，隨著泵效的升高，抽油機井系統效率逐步升高后下降，泵效在50%以下時系統效率偏低。

沉沒度對系統效率的影響。以抽油機井沉沒度為橫坐標，抽油機井系統效率為縱坐標，做散點圖進行回歸（圖3）。由圖3可知，隨著沉沒度升高，抽油機井系統效率逐步升高后下降。為了提高系統效率，就必須確定一個合理的舉升高度，即確定合理的沉沒度[6]。當沉沒度在300～400 m時，抽油機井系統效率最高。

圖2 抽油機井泵效與系統效率關系

圖3 抽油機井沉沒度與系統效率關系

平衡度對系統效率的影響。以抽油機井平衡度為橫坐標，抽油機井系統效率為縱坐標，做散點圖進行回歸（圖4）。由圖4可知，隨著平衡度增加，抽油機井系統效率逐步升高后下降，平衡度在80%～100%時系統效率最高。

圖4 抽油機井平衡度與系統效率關系

2 提高抽油機井系統效率方法

2.1 優化組合地面節能設備

提高抽油機工作效率。推廣應用下偏杠鈴抽油機、雙驢頭抽油機和塔架式抽油機等高效節能抽油機。通過對抽油機四連桿結構的優化設計和平衡方式的完善來改變抽油機曲柄軸凈扭矩曲線的形狀和大小，使其波動平坦，減少負扭矩，從而減少抽油機的周期載荷系數，提高電動機的工作效率，達到節能的目的。強化抽油機日常維護保養，做到“五及時”，即及時調整抽油機平衡、及時調整光桿對中率、及時調整盤根和皮帶松緊度、及時潤滑保養軸承和齒輪等部件和及時緊固地面設備部件。

提高電動機工作效率。推廣應用高效節能電動機。常規游梁式抽油機設計使用傳統異步電動機驅動，電動機的平均負載率很低，電能浪費巨大，通過應用高效節能電動機，降低了能量損耗，提高了電動機輸出效率。推廣應用抽油機井多功能調速控制箱。該控制箱具有軟啟動功能，可有效降低啟動功率及電流，同時具有無級調節沖速功能，能夠使參數無法下調井實現供采平衡。在應用過程中體現出調參方便，可節省大量的人力物力。

2.2 合理調整井下工作參數

提高抽油泵泵效。提高抽油泵質量，主要措施是改進抽油泵結構、提高柱塞和泵筒的表面處理工藝、提升材料強度等級，降低柱塞和泵筒的間隙等。加強生產管理，對于供液嚴重不足的抽油機井，在保證產液量不降前提下，應通過完善注采關系、調小生產參數、加深泵掛和改變工作制度等措施提高抽油泵泵效；對于非正常漏失嚴重的油井，需要及時檢換抽油泵來提高抽油泵泵效。

優化油井沉沒度。加強低沉沒度井治理，治理措施包括加強注水、調小生產參數、檢換小泵、油層壓裂酸化和加深泵掛等；加強高沉沒度井治理，治理措施包括連通水井控水、調大生產參數、檢換大泵、堵水和上提泵掛等。

優化抽汲參數及桿、管選型配套。優化抽汲參數方面，按照“大泵徑、長沖程、低沖速、合理沉沒度”組合原則優化生產參數；優化抽油桿選型配套方面，采取連續抽油桿、高強度抽油桿和添加抽油桿扶正裝置等措施，提高抽油桿傳送效率；優化油管選型配套方面，通過油管及螺紋處添加密封脂、選用摩擦系數低的內襯管增加油管表面光滑度和油管錨定等措施，提高油管傳送效率。

2.3 提高節能技術管理水平

針對以往抽油機節能潛力界限劃分不明確、判斷方法單一的情況，依據產液量和百米日耗電關系，建立了抽油機井能耗管理控制圖（圖5）。該控制圖可以直觀地反映抽油機井用電是否合理，通過制定針對性的治理措施，指導抽油機井節能管理工作。

抽油機井能耗管理控制圖可分為4個不同的區域。專項治理區：這一區域的抽油機井系統效率小于18%，位于該區域的抽油機井由于注采關系較差、生產參數調整不合理等原因導致系統效率較低，采取改善供液能力、調小抽汲參數、檢換小泵和加深泵掛等工藝措施，可使抽油機井系統效率達到管理挖潛區指標。管理挖潛區：該區域的抽油機井系統效率在18%～31%之間，位于該區域的抽油機井雖然供液能力比專項治理區要好，但由于方案設計或管理上的問題，井筒及地面配套還存在較大的優化空間，挖潛潛力較大，采取改善供排關系、調整抽汲參數和優化井筒桿管泵組合等工藝措施，可使抽油機井系統效率達到高效運行區指標。高效運行區：該區域的抽油機井系統效率在31%～65%之間，位于該區域的抽油機井注采關系完善，參數調整合理，其系統效率反映工作狀態合理。資料核實區：這一區域的抽油機井系統效率大于65%，位于該區域的抽油機井由于計量設備故障造成讀數不準、個別井泵效高造成連抽帶噴生產等原因導致系統效率偏高，采取檢修計量設備、換大泵、調大生產參數排液、關停個別自噴井或高含水井等工藝措施，可使抽油機井系統效率達到高效運行區指標。

圖5 抽油機井能耗管理控制

2017年12月，薩中開發區抽油機測試井數7562口，上圖率95.25%，系統效率統計數據如表1所示。對736口井采取相應措施處理后，到2018年7月，系統效率統計數據如表2所示。可以看出，合理區從44.23%上升至52.32%，其他區域均有不同程度的下降，系統效率分布狀況大大改觀。

表1 治理前(2017年12月25日)抽油機井分布統計

表2 治理后(2018年7月15日)抽油機井分布統計

3 結論

1）按照抽油機井系統能耗節點組成，研究和分析了影響系統效率的主要因素，同時依據統計學原理，得出系統效率與產液量、沉沒度和泵效等生產參數之間的關系。

2）制定提高抽油機井系統效率相應的措施和方法，即優化組合高效地面設備、合理調整井下工作參數、提高節能技術管理水平，達到了節能降耗、降低采油成本的目的。

3）通過繪制抽油機井能耗管理控制圖，對挖潛目標內的單井逐一查找原因，并制定出治理措施，提高了抽油機井系統效率。