楊建華 曹新彩（中原油田分公司采油二廠）

提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率技術(shù)及應(yīng)用

楊建華 曹新彩（中原油田分公司采油二廠）

針對(duì)濮城油田抽油機(jī)井系統(tǒng)效率低、浪費(fèi)能源這一問題，通過系統(tǒng)能耗分析，找出了抽油機(jī)井系統(tǒng)效率低的原因和影響系統(tǒng)效率的主要因素；提出并實(shí)施了抽油機(jī)拖動(dòng)節(jié)能裝置、抽油泵革新配套、地面節(jié)能及機(jī)采提液管理等提高機(jī)采系統(tǒng)效率相關(guān)配套技術(shù)，使抽油機(jī)井平均機(jī)采系統(tǒng)效率提高了3.89%,年節(jié)電23.14×105k W h，累計(jì)增油18363 t，在抽油機(jī)生產(chǎn)中，見到了明顯節(jié)能降耗效果。

抽油井 系統(tǒng)效率 能耗分析 技術(shù) 效果

濮城油田抽油機(jī)井系統(tǒng)效率低的主要原因是：地面設(shè)備影響（如電動(dòng)機(jī)老化，運(yùn)行效率低，不平衡等）；負(fù)荷不匹配；井下效率低（如井下系統(tǒng)的摩擦，動(dòng)液面、氣體影響，泵、管漏失等）；產(chǎn)液量低。

濮城油田共有1140V高壓電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)512口，380V低壓電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)204口。對(duì)抽油機(jī)井進(jìn)行能量平衡測(cè)試表明，單井日均產(chǎn)液量達(dá)17.71 t，單井平均動(dòng)液面1177m，平均單井日耗電量259.2k W h，平均系統(tǒng)效率為19.08%。日耗電量大于300k W h的井472口，單機(jī)系統(tǒng)效率低于17.3%的井124口，占被測(cè)井的13.2%；電流平衡度低于80%的井為120口，占被測(cè)井的16.76%。這部分井有較大的節(jié)能潛力，只要采取相應(yīng)的措施，合理優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)，綜合治理，系統(tǒng)效率會(huì)有較大幅度的提高，對(duì)油田的節(jié)能降耗、原油增產(chǎn)及提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 系統(tǒng)效率

機(jī)械采油方式的目的是將電能從地面?zhèn)鬟f給井下液體，從而把井下液體舉升到井口。整個(gè)機(jī)械采油系統(tǒng)的工作，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。從地面供入系統(tǒng)的能量扣除系統(tǒng)的各種損失以后，就是系統(tǒng)所給液體的有效能量，該有效能量與系統(tǒng)輸入能量之比稱為機(jī)械采油系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。

1.1 系統(tǒng)效率的分解[1]

根據(jù)抽油機(jī)井系統(tǒng)工作的特點(diǎn)，可將抽油機(jī)系統(tǒng)分為兩部分，即地面效率和井下效率。一般情況下，以光桿懸繩器為界，懸繩器以上機(jī)械傳動(dòng)效率和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率的乘積為地面效率，而懸繩器以下到抽油泵，再由抽油泵到井下的效率為井下效率。

地面部分的能量主要損失在電動(dòng)機(jī)、三角帶、減速箱、抽油機(jī)的連桿機(jī)構(gòu)上；井下部分的能量主要損失在盤根盒、抽油桿、抽油泵、管柱的摩擦中，故抽油機(jī)井系統(tǒng)效率又可分解表示為：

式中：

k——有效載荷數(shù)，與四連桿機(jī)構(gòu)效率及井下

液柱質(zhì)量和抽油桿質(zhì)量之比有關(guān)；

η電、η皮、η減、η連、η盤、η桿、η泵、η管——系統(tǒng)各分效率。

抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率主要由以上8個(gè)分效率組成，各個(gè)分效率的大小，也就是說各部分能量損失的多少，主要取決于油井井況系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、設(shè)備運(yùn)行狀況、操作條件及生產(chǎn)管理等。

1.2 系統(tǒng)效率的能耗分析

系統(tǒng)效率的總損失ΔP損可表示為：

電動(dòng)機(jī)的功率損失ΔP電：由于常規(guī)抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭矩特性和特殊的使用環(huán)境，使抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)兩種工作狀態(tài)，匹配電動(dòng)機(jī)容量大，負(fù)荷率低，造成電動(dòng)機(jī)效率降低，損耗增大，特別是不平衡時(shí)，效率更低?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中電動(dòng)機(jī)損耗有的高達(dá)30%~40%。由此可見，它對(duì)系統(tǒng)效率影響最大，節(jié)能潛力較大。為了減少損耗，在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)該適應(yīng)拖動(dòng)系統(tǒng)的扭矩特性（如高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)等）或改變拖動(dòng)系統(tǒng)的特性（如節(jié)能抽油機(jī)）。

皮帶功率損失ΔP皮：以彎曲損失和負(fù)載有關(guān)的彈性滑動(dòng)損失為主。

減速箱功率損失ΔP減：主要是軸承與齒輪傳動(dòng)損失。

四連桿機(jī)構(gòu)的功率損失ΔP連：主要是摩擦損失與驢頭鋼絲變形損失。

盤根盒的功率損失ΔP盤：主要是摩擦損失。抽油桿的功率損失ΔP桿：主要是抽油桿與油管內(nèi)壁的摩擦損失。

抽油泵的功率損失ΔP泵：主要是抽油泵的摩擦損失、容積損失及水力損失。

管柱的功率損失ΔP管：主要是容積損失與水力損失。

就一般的生產(chǎn)井而言，在正常情況下地面設(shè)備的效率不會(huì)太低，其能量損失主要是電動(dòng)機(jī)，大多數(shù)低效井的功率損耗主要在井下。因此，提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的關(guān)鍵在于降低井下的能量損耗，從而提高井下效率。井下的能量損耗主要有：抽油桿與盤根盒之間的摩擦損耗；抽油桿與油管之間的摩擦損耗；柱塞與襯套之間的摩擦損耗；抽油桿與液體的摩擦損耗（主要在下沖程）；液柱與油管之間的摩擦損耗；深井泵、油管等的漏失及容積損失[2]。

1.3 提高系統(tǒng)效率的有效途徑

抽油機(jī)井系統(tǒng)效率是指抽油系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)（一個(gè)或幾個(gè)沖程周期）用于舉升液體所消耗的有用功功率P有與電動(dòng)機(jī)輸入功率P輸入的比值。在一定的輸入功率下要提高系統(tǒng)效率，必須降低無(wú)用功率ΔP損；在消耗有功功率一定的情況下，要提高系統(tǒng)效率，必須降低系統(tǒng)的輸入功率，即通過降低系統(tǒng)能耗來實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)效率的計(jì)算公式為：

式中：

P有——抽油機(jī)井的有效功率，即水力功率，k W；P輸入——電動(dòng)機(jī)輸入功率，k W；

α——排量系數(shù)；

H——有效揚(yáng)程，m；

Qt——理論排量，m3/d；

ρ——液體密度，t/m3；

g——重力加速度，m/s2。

從式（1）、式（2）可以看出，提高系統(tǒng)效率要提高有效功率P有，即降低系統(tǒng)的各項(xiàng)損耗，主要是電動(dòng)機(jī)損耗、摩擦損耗和非正常漏失損耗；要提高產(chǎn)液量，提高排量系數(shù)，確定最佳的有效揚(yáng)程，降低抽油機(jī)井的井下功率損失。

2 提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率技術(shù)的應(yīng)用及效果

2.1 抽油機(jī)拖動(dòng)裝置節(jié)能技術(shù)

2.1.1 寬帶式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)

該機(jī)具有電氣與機(jī)械兩套安全保護(hù)系統(tǒng)，安全性好，沖程可在不停機(jī)狀態(tài)下無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；因此，調(diào)沖程特別方便，同時(shí)也減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，寬帶機(jī)比常規(guī)游梁式抽油機(jī)平均節(jié)電20%~40%，系統(tǒng)效率提高5%~9%。沖程越長(zhǎng)，沖速越低，節(jié)電效果越明顯。

相繼推廣實(shí)施15臺(tái)，平均單井日節(jié)電59.5 k W h，年累計(jì)節(jié)電3.5×105k W h，系統(tǒng)效率提高6.4%。

2.1.2 900型MODE1900節(jié)能抽油機(jī)[3]

900型MODE1900抽油機(jī)是沈陽(yáng)機(jī)械廠生產(chǎn)的新型節(jié)能抽油機(jī)，此型抽油機(jī)屬于非對(duì)稱循環(huán)機(jī)構(gòu)抽油機(jī)，懸點(diǎn)上沖程所用時(shí)間長(zhǎng)于下沖程所用時(shí)間；通過對(duì)機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)后，其動(dòng)力性能明顯優(yōu)于常規(guī)型抽油機(jī)。在相同工況下與常規(guī)型抽油機(jī)相比，節(jié)能效果顯著。

相繼推廣實(shí)施4臺(tái)，平均單井日節(jié)電58.9 k W h，年累計(jì)節(jié)電8.6×104k W h，系統(tǒng)效率提高5.9%。

2.1.3 高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)

高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)是通過增加轉(zhuǎn)子電阻來提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，具有堵轉(zhuǎn)電流小、轉(zhuǎn)差率高、機(jī)械特性軟等特點(diǎn)，轉(zhuǎn)速可隨負(fù)載的變化減緩對(duì)抽油機(jī)的沖擊力，同時(shí)也減少了抽油機(jī)的彈性變形，實(shí)現(xiàn)了抽油桿運(yùn)行中負(fù)載的自我削峰填谷；有利于提高抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率，增加原油產(chǎn)量，降低產(chǎn)液?jiǎn)魏?；因而可以有效地改善抽油機(jī)的啟動(dòng)狀況，較大幅度地降低電動(dòng)機(jī)的額定容量，提高抽油機(jī)井的負(fù)載率。

相繼推廣實(shí)施Y QCH 1.14k V高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)52臺(tái)，平均單井日節(jié)電49.4 k W h，年累計(jì)節(jié)電9.38×105k W h，產(chǎn)液量上升2.1%，系統(tǒng)效率提高3.9%。

2.1.4 抽油機(jī)專用永磁同步電動(dòng)機(jī)

永磁同步電動(dòng)機(jī)的額定效率可達(dá)到94%，高于普通異步電動(dòng)機(jī)約4%；通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，輕載時(shí)在一定范圍內(nèi)的效率可高于額定值，最高可達(dá)到96%左右，大大地提高了整個(gè)沖程內(nèi)的平均運(yùn)行效率。

相繼推廣實(shí)施TNY C系列抽油機(jī)專用永磁同步電動(dòng)機(jī)10臺(tái)，在產(chǎn)液量相同的條件下，平均有功節(jié)電率為21.82%，無(wú)功節(jié)電率為57.6%；平均運(yùn)行電流下降43.27%，平均功率因數(shù)由0.57提高到0.90；10臺(tái)永磁電動(dòng)機(jī)年累計(jì)節(jié)電2.07×105k W h，系統(tǒng)效率提高5.4%。

2.1.5 實(shí)施窄V型聯(lián)組帶

窄V型聯(lián)組帶與普通三角帶雖然都是靠摩擦力來傳遞動(dòng)力，但由于窄V型聯(lián)組帶的傳動(dòng)尺寸小，較C型三角帶窄得多，因此質(zhì)量輕，配組性能好，摩擦損失??；并且較窄V型聯(lián)組帶其承載能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，滑差率小，丟轉(zhuǎn)數(shù)少，相同工作條件下比普通帶平均提高0.45次/min。而且，窄V型聯(lián)組帶傳動(dòng)效率比普通三角帶高，不但節(jié)能而且不易損皮帶，保證抽油機(jī)生產(chǎn)時(shí)效率的提高。相繼更換窄V型聯(lián)組帶64套，年累計(jì)節(jié)電1.12×105k W h，系統(tǒng)效率提高0.4%。

2.1.6 改制盤根盒

抽油桿與盤根盒之間存在滑動(dòng)摩擦，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)示功圖測(cè)試，盤根盒太緊與正常松緊時(shí)相比，抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)載荷會(huì)增加1~2t；盤根盒太緊，還會(huì)造成光桿發(fā)熱磨損，引起摩擦阻力的進(jìn)一步增大?，F(xiàn)場(chǎng)通過對(duì)盤根盒改制，由原來的直徑1.5 i n（1 i n=25.4 mm）改制成1.2i n以下，并采用機(jī)油潤(rùn)濕法取得了較好的效果。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，節(jié)電率達(dá)2.4%，系統(tǒng)效率提高0.3%。

2.1.7 玻璃鋼抽油桿

玻璃鋼抽油桿具有質(zhì)量輕、彈性好、抗腐蝕性能強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度與D級(jí)鋼桿相當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)，尤其適宜于深抽提液的要求，并能降低抽油機(jī)扭矩。通過合理組合、優(yōu)化工作參數(shù)，還可產(chǎn)生超行程效應(yīng)，充分發(fā)揮玻璃鋼桿的增產(chǎn)節(jié)能效果。

通過實(shí)施的46口井前后效果對(duì)比，在泵徑增加1.9mm的情況下，平均泵掛加深255 m，泵效提高8.9%；單井日增液5.0t，日增油2.0t，累計(jì)增液11040t，累計(jì)增油3680t；單井電流下降8.5 A，載荷降低16.2k N，累計(jì)節(jié)電6.21×105k W h，系統(tǒng)效率提高6.3%。

2.2 抽油泵配套新技術(shù)

為了克服砂卡、氣體、摩擦等影響，提高排量系數(shù)，使油井參數(shù)與供液能力相匹配，提高系統(tǒng)效率，引進(jìn)了防砂泵、防氣泵、新型固定閥罩等新技術(shù)，取得了明顯效果。

2.2.1 防砂抽油泵

隨著油田的開發(fā)及各種作業(yè)措施的實(shí)施，地層出砂現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。為此，應(yīng)用了防砂抽油泵，這對(duì)降低活塞上行阻力、減少砂卡起到了積極作用。相繼實(shí)施防砂抽油泵79井次，無(wú)一井因砂卡造成躺井；前后對(duì)比，平均泵效提高3.6%，年累計(jì)增液9408t，累計(jì)增油329t，系統(tǒng)效率提高1.8%。

2.2.2 防氣抽油泵

防氣抽油泵泵筒的中部開有排氣孔并使用了雙柱塞，上沖程時(shí)，游動(dòng)閥關(guān)閉，固定閥打開，油管內(nèi)的油、氣被吸到尾管與泵筒內(nèi)；當(dāng)上沖程活塞下端通過下排氣孔時(shí)，固定閥關(guān)閉；此時(shí)，套管環(huán)形空間的油可以通過上下進(jìn)排流孔進(jìn)入泵筒內(nèi)，而原來從固定閥進(jìn)入泵筒內(nèi)的氣體也可從進(jìn)排流孔排到套管環(huán)形空間去，由于排氣孔的作用提高了沖程中的充滿度，防止了氣鎖，因而提高了泵效。通過15口井的實(shí)施對(duì)比，平均單井日增液3.5 t，累計(jì)增液2038t，日增油1.2 t，累計(jì)增油656 t，泵效由29.5%提高40%，系統(tǒng)效率提高5.7%。

2.2.3 固定閥罩的改進(jìn)

新型固定閥罩是在不減少油流通過的情況下，使閥球?qū)η蛐牡囊苿?dòng)距離從原來的45 mm縮短到12mm，由直進(jìn)油孔改為閥罩邊上3個(gè)傾斜的過油通道，使進(jìn)入泵腔的原油一面貼于泵腔內(nèi)壁，有效地減少氣體和氣蝕影響。通過42口井的實(shí)施對(duì)比，平均單井日增液4 t，日增油0.7t，累計(jì)增液8480t，累計(jì)增油482t，系統(tǒng)效率提高4.4%。

2.3 地面節(jié)能管理技術(shù)

2.3.1 定期保養(yǎng)潤(rùn)滑，減少地面磨損[3]

地面部分的能量損失除電動(dòng)機(jī)外，還有三角帶、減速箱、抽油機(jī)的連桿機(jī)構(gòu)。因此，電動(dòng)機(jī)變速箱、皮帶輪、光桿應(yīng)及時(shí)保養(yǎng)、更換、扶正，并加強(qiáng)對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)的潤(rùn)滑，減少連桿機(jī)構(gòu)的磨損，以免造成不必要的傳遞能量損失，降低傳動(dòng)效率。

2.3.2 搞好抽油機(jī)的平衡

抽油機(jī)運(yùn)行不平衡會(huì)造成電流、功率因數(shù)波動(dòng)太大，少量電機(jī)出現(xiàn)負(fù)功現(xiàn)象，而且平均運(yùn)行電流升高8.0%左右，造成不必要的耗電；因此，要保證抽油機(jī)的平衡度要求，抽油機(jī)工作時(shí)平衡度應(yīng)調(diào)整在85%~120%。

2.3.3 低效電動(dòng)機(jī)強(qiáng)制檢修

由于電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行和特殊的使用環(huán)境（如機(jī)械磨損、三相電壓不平衡運(yùn)行），造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與定子間空隙度增大，磁阻增大，漏磁嚴(yán)重，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率降低，損耗增加，并且在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中不容易被發(fā)現(xiàn)。為此，在工作中，加強(qiáng)對(duì)抽油機(jī)井調(diào)參跟蹤測(cè)試，對(duì)能耗高、效率低的井及時(shí)更換電動(dòng)機(jī)、變速箱，調(diào)平衡及工作參數(shù)。

2.4 機(jī)采提液管理技術(shù)

油井生產(chǎn)是一個(gè)相對(duì)不穩(wěn)定的過程，隨著地下能量的變化，油井供液能力將發(fā)生變化，因此抽油參數(shù)只有和油井供液能力相匹配，才能更多地采出液量和油量。為此，通過應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件、宏觀控制圖、功圖診斷及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)跟蹤并調(diào)整設(shè)計(jì)，相繼通過泵升級(jí)、泵加深、下大泵、嚴(yán)防非正常漏失等機(jī)采提液管理技術(shù)，保持合理的沉沒度，使油層供液能力和抽汲參數(shù)相協(xié)調(diào)，變間隙出油為連續(xù)出油，系統(tǒng)效率得到了大大提高。從實(shí)施的85口油井生產(chǎn)情況來看，平均單井日增液12.9t，日增油2.7t，累計(jì)增液126857t，累計(jì)增油13216t；平均單井泵效由46.7%提高到50.6%，泵效提高3.9%，系統(tǒng)效率提高2.3%。

總之,通過抽油機(jī)拖動(dòng)節(jié)能裝置、抽油泵革新、地面節(jié)能及機(jī)采提液管理等配套技術(shù)，抽油機(jī)井平均機(jī)采系統(tǒng)效率提高了3.89%，年節(jié)電23.14×105k W h，累計(jì)增油18363t。但影響抽油機(jī)系統(tǒng)效率的因素及環(huán)節(jié)較多，提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率涉及面廣，它除了與抽油設(shè)備及抽汲參數(shù)有關(guān)外，還受井況和油井管理水平的影響，需要做大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與研究工作。另外，抽油機(jī)系統(tǒng)各部分的耗能又存在一定差異，所以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)油井不同情況確定提高其系統(tǒng)效率的具體措施。

[1]崔振華,余國(guó)安,安錦高,等.有桿抽油系統(tǒng)［M］.北京:石油工業(yè)出版社,1994:453-477.

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10.3969/j.issn.2095-1493.2012.04.006

楊建華，1987年畢業(yè)于重慶石油學(xué)校，工程師，從事采油技術(shù)管理工作，E-mail：Yangyang8058@sina.com，地址：河南省范縣采油二廠工藝研究所，457532。

2012-01-05）