潛油電泵節能降耗措施應用及效果分析

吳秋詩（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

1 現狀

電動潛油離心泵采油系統由多級潛油離心泵、潛油電動機、保護器、油管柱及附屬部件、動力電纜、地面控制裝置（包括變頻器、控制屏、接線盒等）及輔助裝置（包括井口裝置）組成[1]。電動潛油離心泵采油系統與其他機械采油方式相比，具有排量大、揚程范圍廣、生產壓差大、井下工作壽命長、地面設備簡單等特點，也是一種應用較廣的無桿式采油系統。當油井日產液量較大時，系統效率較高。一般油井產液量在100 m3/d 以上時，多采用電動潛油離心泵采油。

某油田現有潛油電泵1 113 口，占總井數的1.5%左右。隨著油田進入高含水開發階段，油井生產情況出現較大變化，潛油電泵出現不適用于中低產量井、維護工作量增加、偏離高效區不能在理想工況點下工作等問題。為了解決上述問題，通過優化潛油電泵井參數，應用自動補償控制技術、永磁同步電動機技術、電泵變頻調速技術，以及推廣應用成熟管理技術，強化電泵井的日常管理，改善工作狀況，提高經濟運行能力，實現電泵井節能降耗的目的。

2 潛油電泵節能降耗措施

2.1 自動補償控制柜技術

通過對345 口潛油電泵井進行節能監測，功率因數分布在0.5 以下的潛油電泵井有3 口，占總井數的0.87%；分布在0.5～0.7 有118 口，占總井數的34.20%，在0.7 以上潛油電泵井有224 口，占總井數的64.93%。潛油電泵功率因數監測分布統計見表1，監測的潛油電泵井有超過30%功率因數不合格，主要原因是潛油電泵井生產是變負載過程，由于產液量變化導致電動機功率利用率降低，進而導致功率因數降低。

表1 潛油電泵功率因數監測分布統計Tab.1 Distribution statistics of power factor monitoring for submersible electric pumps

針對功率因數不合格情況，在潛油電泵井上應用自動補償控制柜，該技術主要是應用動態補償技術[2]。動態補償是相對于靜態補償而言，新發展起來的一種先進的補償裝置。動態補償與靜態補償最主要的區別就是補償的速度不同，響應速度大于5 s的補償裝置即為靜態補償；能在2 s 內對負荷變化作出反應并開關的補償裝置則為動態補償。動態補償的優勢主要為響應速度很快、補償效果較好，適用于負荷變化較大的場合，還可以有效補償不平衡負載。但其應用成本相對較高，若負載負荷穩定則沒必要選擇動態補償。

對某采油廠25 口功率因數不合格潛油電泵井采用自動補償控制技術，改造前功率因數平均為0.652 0，改造后功率因數平均為0.810 4，無功節能率為38.26%，年可實現節電10.25×104kWh，潛油電泵應用自動補償控制技術效果見表2。

表2 潛油電泵應用自動補償控制技術效果Tab.2 Effect of applying automatic compensation control technology for submersible electric pumps

2.2 永磁同步電動機技術

潛油電泵用潛油電動機主要是三相異步電動機，可適應油田潛油電泵井的交變負載特性。但作為異步電動機，由于需要外部電源供電進行勵磁才能建立轉子磁場，因此損耗較大[3]。由于產液量較生產之初產生較大變化，導致潛油電泵低負載運行，對于異步電動機，在低負載下運行，其電動機效率、功率因數都比較低，產生了能源浪費。為了改變異步電動機低效、高耗的問題，應用永磁同步電動機拖動潛油電泵。由于永磁同步電動機轉子磁場是永磁體，無須外部電源勵磁，而且在25%～120%負載下均可保持較高的效率和功率因數，因此與異步電動機相比效率可以提高2%～8%，線路損耗也將大幅降低[4]。

通過對某采油廠20 口潛油電泵井應用永磁同步電動機，結合參數優化和裝機功率優選，改造后潛油電泵井綜合節能率達到了26.75%，可實現年節電量37.35×104kWh，潛油電泵應用永磁電動機節能效果見表3。

表3 潛油電泵應用永磁電動機節能效果Tab.3 Energy conservation effect of applying permanent magnet motor for submersible electric pumps

潛油電泵應用永磁電動機在生產過程中具有以下優點：效率高，無須勵磁電源，損耗小，且在25%～120%的負載下均持較高的效率，在輕載時效率遠高于普通異步電動機；功率因數高，運行電流小，配電網損耗小。永磁電動機的功率因過永磁體磁場的強弱來決定，經過優化設計，平均運行功率因數可達0.9 上。由于異步電動機的平均運行功率因數在0.4 左右，因此無功節電效身顯著，平均運行電流能降低50%以上，配電網損耗可以降低75%；起動力矩大、過載能力強，最大起動轉矩倍數達到3，解決了電動機功率匹配過大的問題。

2.3 潛油電泵變頻調速技術

電泵機組合理的排量效率應為80%～120%。目前，油田進入三次采油階段，電泵井產液量與投產初期產生了較大變化，生產負荷下降導致電泵機組生產運行過程中處于不合理運行狀態，對設備能耗及機組壽命產生較大影響[5]。同時，僅依靠油嘴調整產液的運行方式滿足不了油井產液量變化的需要，電泵機組較高的投入費用導致更換電泵會增加生產成本。因此，為了匹配潛油電泵生產實際，降低生產能耗，同時延長潛油電泵井的檢泵周期，保證正常生產，可采用變頻調速技術。

潛油電泵變頻調速技術是運用變頻控制柜和普通的潛油電泵機組配套調速的工藝技術，通過變頻控制屏內的變頻系統和微機控制系統，根據電泵井生產負荷變化自動跟蹤改變電源頻率，改變電動機的轉速，從而調節多級離心泵的排量，使潛油電泵的特性和油井生產能力相匹配、電泵機組在最佳工作區內工作，達到減少機械及電氣故障、延長電泵井壽命、增產及節能的目的[6]。

對某采油廠6 臺潛油電泵井應用變頻控制技術，電泵井安裝變頻控制柜前均為工頻50 Hz 運行平均運行電流為32.18 A， 平均有功功率為34.03 kW，平均系統效率為25.30%。安裝變頻控制柜后以變頻45～49 Hz運行，平均運行電流為26.83 A，平均系統效率為28.76% 。 運行電流降低了16.62%，平均綜合節能率為11.85%。可實現年節電量23.76×104kWh。潛油電泵應用變頻調速技術節能效果見表4。

表4 潛油電泵應用變頻調速技術節能效果Tab.4 Energy conservation effect of applying variable frequency speed regulation technology for submersible electric pumps

2.4 潛油往復泵采油技術

潛油往復泵結構見圖1，潛油往復泵采油系統主要由地面控制裝置、往復泵、電纜、直線電動機等組成。該技術將數控往復泵潛入油井套管內的油層底部，以直線電動機作為動力源，通過電動機帶動柱塞泵做往復運動，將油液舉升。由于傳動鏈短，節能效果較好，系統效率大大提高[7]。該技術對低產井具有降低能耗、消除偏磨、維護簡單、安全環保等優勢，尤其適用于大斜度井、低洼井和環境敏感區井。以定型了永磁直線電動機、往復式抽油泵、地面控制系統三項主體技術。

圖1 潛油往復泵結構Fig.1 Structure of submersible reciprocating pump

針對外圍采油廠產液量、滲透率低等實際情況更換潛油往復泵，目前已實施250 口井（直井69口，定向井178 口，水平井3 口），開井238 口，有效時率91.2%；平均免修期731 d，40 口井免修期超過1 000 d，其中8 口井超過2 000 d，最長2 695 d；與同排量抽油機相比，系統效率提高3.8 個百分點，節能率54.5%。

由于直線電動機直接驅動往復泵的柱塞運動而不需要任何中間傳動環節，能夠有效提升系統運行效率，節能效果顯著，與有桿泵相比可節能30%以上[8]。同時，應用數控方式調整系統的運行參數，提高了油井數字化和智能化管理水平，降低了后期運行維護成本和勞動強度。

2.5 電潛螺桿泵采油技術

通過研制系列專用螺桿泵、低速大扭矩潛油電機和地面控制系統，主體技術基本成熟，形成了一套適用于排量10～80 m3/d、揚程1 200 m 電潛螺桿泵舉升工藝技術。“潛油螺桿泵+玻璃鋼敷纜復合連續油管”是井下機組與地面設備通過玻璃鋼敷纜復合連續油管相連接，電纜一端與潛油電動機相連，另一端與控制柜相連。地面變頻控制柜通電后，動力通過電纜傳送到潛油電動機，潛油電動機通過減速器、保護器、聯軸器（擾性軸）驅動螺桿泵的轉子轉動，從而將井筒流體舉升至地面[9]。

投撈電纜式潛油螺桿泵工藝和“潛油螺桿泵+玻璃鋼敷纜復合連續油管”舉升工藝相比，主體舉升原理不變，改變的是電纜下入的方式。將潛油電動機及其他組件通過油管下人預定位置，在潛油電動機的上部設置對接插頭，再用特殊的承荷潛油電纜連接對接頭，從油管內下入，在井內實現插接和密封。該技術的核心部位是電纜插頭組件，必須確保其具有良好的密封性和穩定性，以實現電纜的井下對接。

目前在用22 口井，平均日產液64.1 m3，動液面428 m，平均轉速265 r/min，與同區塊抽油機相比，節電率17.5%，系統效率提高3.1 個百分點，檢泵周期511 d。

2.6 其它措施

除采取相應的技術改造措施外，在技術及生產管理方面采取搞好供排關系的協調，使潛油電泵排量特性與油井的供液能力相匹配，及根據油井的產液、壓力、液面、電流、電壓等參數的變化，及時調整電泵井生產參數，減少停機故障，通過加強電泵井的動態管理，提高其運行效率。

主要包括以下幾個方面內容：①優化生產工作制度。對于潛油電泵排量較大，而油井產量相對較小的情況，可以采取間歇生產工作制度。②在潛油電泵機組中使用的控制屏，應調整到欠載電流，當運行電流低于這個值時，機組會自動停機。一段時間后，當井中液面恢復到一定的高度，機組又會自動啟動繼續生產。③保證潛油電泵在特性曲線最佳排量范圍內工作，達到連續生產的目的。有時還可以從油套環形空間輸入一部分液體，以便增加被舉升液體，保持電泵在高效點工作。④優化電泵下泵深度要充分考慮油井靜壓、流壓等基礎資料的準確可靠及油井的復雜狀況。⑤應在檢泵作業時進行優化措施實施。由于潛油電泵系統的設備投資高，應在現有設備的基礎上，根據各油井的具體情況進行如電動機型號、下泵深度、電泵揚程等參數的優化和選擇，實現節約資金又節能的目的[10]。

3 結束語

隨著油田進入單井產能降低及高含水開發后期，原有傳統潛油電泵出現與生產實際不匹配，能耗高、不適用于中低產量井、檢泵費用高等問題。結合油井生產實際，通過管理措施與技術改造措施并用，針對原有電泵井采取優化參數設計、自動補償控制柜技術、永磁同步電動機技術、變頻調速技術等電泵節能降耗技術；對低產井推廣應用電動潛油柱塞泵技術，中等產量井采用舉電動潛油螺桿泵技術等措施。相關措施的應用可有效提高潛油電泵井在新的生產情況下的適應能力，解決電泵揚程偏大、能耗偏高、運行效率降低等問題，提高安全環保性能，進一步拓展潛油電泵井的應用空間。