抽油機節能技術應用和常見問題的分析及應對策略

王斌 趙聚豪 焦曉明 何國珍（青海油田公司采油四廠）

機械采油是我國陸上油田生產原油的重要手段之一。而長期、無間斷的運行采油設備，會造成設備以及電能大量消耗，對抽油機所帶動的抽油泵能否有效做功提出了較高的能耗要求。因此，必須要加強對傳統抽油機采油技術能耗的優化和技術完善，用以滿足社會發展對石油資源的實際需求。

1 高轉差率電動機的應用

抽油機由于其特殊的運行要求，所匹配的拖動裝置必須同時滿足三個“最大”的要求，即最大沖程、最大沖次、最大允許掛重。另外，還須具有足夠的堵轉轉矩，以克服抽油機啟動時的靜態不平衡。為了可靠、快速地計算出抽油機系統臨界點，引用了電動機功率裕度的定義，為抽油機提供高于輸出功率的后備能力[1-2]。

1.1 應用優勢

據統計，抽油機絕大部分負載的電動機額定功率（輸出功率）為20%～30%。對普通電動機而言，該運行效率和功率因數特別低。對高轉差率多速電動機來講，由于曲線平坦，在負載變化的情況下，其值變化不大，且由于機械效率和功率因數高于普通電動機，致使有功功率降低，功率因數提高。抽油機具有啟動平穩、節電效果明顯、減小抽油機減速箱扭矩等優勢。就節能方面而言，抽油機匹配高轉差率電動機是合理的。

高轉差率電動機的機械特性造就了抽油機懸點最大負荷降低，抽油泵上行速度緩慢，抽油桿的彈性變形減小，從而使抽油泵的填充系數增加，吸液量增大，每沖次來油量增加，使單位液耗電能降低[3-4]。

1.2 存在問題

青海油田自2010年自主生產并批量投產抽油機設備以來，基本配套安裝了YCCH系列高轉差率電動機。電動機在使用中也存在一些問題，主要表現在以下方面：

1）高轉差率電動機存在較多轉矩接線形式，對接線人員要求較高，須由專業人員進行接裝。

2）高轉差率電動機由于其自身特性，轉子電阻損耗功率發熱后散熱困難，導致轉子軸承易磨損，造成非機械性損壞。

3）高轉差率電動機作為抽油機的拖動裝置，所匹配抽油機必須具備最大沖程、最大沖次、最大允許掛重三個基本要求。要想發揮其節能作用，對抽油機工作參數的調配要求較高。

4）受供電穩定性影響較大。供電不穩定或短暫波動，極易造成超高轉差率電動機的繞組燒壞，維修成本高。

1.3 應對策略

針對高轉差率電動機使用中存在的問題，建議采取相應策略：安排專人負責對電動機的拆裝及調整管理；定期維護檢修轉子軸承，加注專用的高溫潤滑脂，以保障軸承工作環境；最大可能匹配抽油機工作參數，發揮高轉差率電動機的功效；提升管理，定期開展供電系統的檢查檢修。

2 低壓變頻啟動柜的應用

在青海油田現場，近千臺RD167系列低壓變頻器裝置配置安裝在相應的啟動柜中，通過改變工作電源頻率的方式來控制抽油機電動機運行。

2.1 應用優勢

1）調節抽油機電動機功率。主要體現在當抽油機電動機受載荷影響不能滿負荷運行時，多余的力矩增加了電動機有功功率的消耗，造成電能浪費。傳統方法是通過調整電動機傳動輪的直徑大小來改變電動機轉速，從而實現功率調整，費時耗力；現在通過使用變頻裝置，只需調整輸出頻率即可滿足電動機轉速調整的需求。據統計通過該方法，節電量在75%以上。

2）有功功率得到提升，功率因數補償節能。傳統抽油機電動機無變頻控制，受生產的影響，電動機無功功率大，增加了線損和電動機的發熱，功率因數降低導致了供電有功功率的降低。大量無功電能消耗了設備的使用功率，電能浪費嚴重。通過使用變頻裝置，減少了無功損耗[6-8]。

3）軟啟動節能。電動機硬啟動對供電沖擊較大，硬啟動時過大電流對電動機設備沖擊大，對設備使用壽命不利，因此對供電容量要求較高。通過使用變頻裝置后，利用變頻器軟啟動功能，啟動電流從0開始，最大值也不會超過額定電流，減輕了啟動大電流對供電和設備的沖擊。

2.2 存在問題

盡管抽油機井采用變頻器裝置節能效果明顯，但在現場使用中仍然存在較多問題，主要有以下方面：

1）變頻器安裝維護要求高。變頻器作為專門的設備控制裝置，通過一系列電力半導體控件的通斷作為電能控制裝置，現場安裝及后續維護對于技術人員的專業能力要求較高。

2）受供電或電網穩定性影響大?，F場所采用的變頻裝置受其處理單元的要求，過流、過壓、過載保護功能完備，受供電或電網穩定性影響較大，變頻器工作不正常比較常態。如極速過電壓、母線過壓、恒電流保護等故障頻發，現場解除故障困難。

3）受工作環境影響大。油田采油現場大多為自然條件惡劣的開放式環境，變頻裝置基本以模塊元件構成，開放環境下的粉塵等顆粒物質和高溫對模塊的損害不可逆，導致變頻裝置更換成本高。

2.3 應對策略

針對變頻器在現場應用中存在的問題。提出的應對策略為：依托專業機構對裝置進行維護。與此同時在維護過程中培養自主人員，以緩解變頻器受制不能正常工作，從而造成電能的過渡浪費和消耗。通過現場試驗控制柜加裝網格過濾裝置，解決變頻裝置密閉與散熱的矛盾，從而實現變頻裝置長期持續運行的狀態。

3 其他節能技術的應用

3.1 調整合適的沖程

油田常見的游梁式抽油機運轉時，曲柄運轉帶動游梁、驢頭做上下往復運動，從而帶動抽油桿、抽油泵不斷抽吸原油，經泵和桿將原油帶出地面的過程。而沖程就是抽油機運轉過程中，光桿運行到上死點和下死點之間的距離。

3.1.1 調整優勢

對抽油機合適沖程的調整是制定抽油井“工作制度”的重要內容之一。在對抽油井管理中，最常見的是通過對沖程的調整，控制油井的產液量，從而控制開發速度。假定地層供液充足的情況下，如果調大沖程，油井的產液量就會增加；反之油井的產液量就會減少。當地層的供液能力不足時，通過調小沖程，可以減少油井產液量，通過控制適當液面深度，使深井泵有一定的沉沒度，從而保證一定的泵效[9-10]。

3.1.2 效果分析

結合高轉差電動機和變頻裝置在油田的推廣應用，對油井“工作制度”沖程、沖次進行適度調整，能夠有效起到節能效果。例如，自2018年以來，對南翼山油田75口抽油機井進行調整。調整前，單井日用電量40kWh，單井產液量為1.4～3.2m3/d，抽油泵平均泵效36.4%。結合單井產液量調整后，變頻器頻率調整為28～35Hz時，單井日用電量30kWh，節約用電量達25%，與此同時，油井單井產液量為0.9～2.8m3/d，抽油泵平均泵效34.2%。較之調整前產液量下降，平均泵效下降。在此情況下，對抽油機沖程進行了調整，將其中71口抽油機沖程調整至4.2m最大沖程。通過錄取數據可以看到，油井單井產液量為1.25～3.2m3/d，抽油泵平均泵效36.2%，達到了調整目的，并且取得了較好的節能效果。

3.2 抽油機的合理選型與適配

根據《能耗最低機采系統設計理論》，應用能耗最低機采系統設計10個步驟，從預測油井目標產液量、含水率、動液面入手，測定地面脫氣原油黏度和原油析蠟溫度，獲取油井底層原油物理參數，測定油層中部溫度和地表溫度，選取抽油機機型。

通過理論分析，初定機采系統中的油管管徑，抽油泵泵徑，下泵深度，抽油桿材質，桿柱結構，抽油機沖程、沖次的范圍，找出能夠達到產液量目標的全部組合，對新投油井進行優化管柱配置，優選抽油機機型，實現設備的合理選型和適配。

2020年12月開始，在南翼山油田選出4口新投油井進行試驗，通過設計優選CYJB5-2.7-18HPF型抽油機作為試驗機型，單從抽油機能耗分析取得了良好的節能效果。

優化前平均單井實測功率為13.66kW，優化后平均單井實測功率為6.32kW，平均單井節省功率7.34kW，平均單井年節電32149.2kWh，平均節電率53.73%。

3.3 間抽器在油井中的應用

隨著油井壓裂后產量逐漸降低，僅采用優化生產參數或降低電動機生產頻率，存在著油井沖次過低和電動機發熱的現象，針對這部分油井現場采用外裝間抽設備（LBJC-22間抽器），油井間抽的生產制度。

油井間抽不但可以提高單井泵效，同時可以提高單井的系統效率，降低桿管干磨時間，可以延長油井的免修期。截止2021年4月份，在南翼山油田調整間抽制度生產78井次。抽取12口間抽井對其泵效和系統效率進行統計分析。間抽井效率統計分析見表1。

表1 間抽井效率統計分析

測試結果顯示，調整后平均泵效由24.83%提高到27.04%，系統效率由20.39%提高到22.07%。通過對比分析得出，78井次間抽制度調整前日均產液186.9m3，日均產油58.09t，調整后日均產液185.86m3，日均產油57.81t，產液量與產油基本持平，調整后單日生產時間較調整前減少142h，單井日生產時間減少11.8h/井次。

4 應用評價

通過以上論述，不論應用高轉差率電動機，還是選用低壓變頻啟動柜，以及采用抽油機沖程調整技術和抽油機的合理選型與適配技術分析，各項節能新技術現場應用效果都比較顯著，單一應用都有技術的優勢與薄弱點。因此，通過對抽油機井管、桿、泵及地面參數進行設計優化，地面配套設備進行綜合節能項目優化改造，才是節能技術現場應用的最優解。2019年油井優化節能技術節能測試綜合情況統計見表2。從表2可以看出，綜合應用節能技術，能夠達到大幅度提高油田機采井系統效率，降低生產能耗的目的。

表2 2019年油井優化節能技術節能測試綜合情況統計

5 結束語

我國陸上油田應用有桿泵往復抽汲采油方式應用廣泛，體量較大（92%的油井采用）。在采油工藝上應用節能技術是油田企業適應國家和企業自身發展的必然要求。僅僅依賴一種或兩種節能技術遠遠不能滿足企業效益發展的要求，而且通過分析不難得出，一種或兩種獨立的節能技術在應用中都存在較多的問題，各項技術各有優劣。只有將各種技術有效結合，共同發揮各自的優勢，摒棄劣勢，才能真正做到節能降耗，提高整體產業優勢。