賈永生

摘 要：針對抽油機(jī)井機(jī)采系統(tǒng)效率低、單井年耗電量高的問題，廣泛收集統(tǒng)計了抽油機(jī)井系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)，分析影響抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的因素，并提出了提高機(jī)采系統(tǒng)效率的方法，達(dá)到了提高機(jī)采系統(tǒng)效率、節(jié)電降耗，降低生產(chǎn)成本的目的。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)；系統(tǒng)效率；舉升工藝；功率；沖程；沖次；泵掛深度；

文章編號：1674-3520（2015）-06-00-02

一、引言

第六采油廠采注三隊2014年共開采油井135口，其中抽油機(jī)井開井93口，占開井總數(shù)的68.9%，其產(chǎn)量占80.4%，所以抽油機(jī)舉升工藝在我隊占有舉足輕重的地位。因此應(yīng)用各種技術(shù)提高機(jī)采系統(tǒng)效率對節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本對我廠可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

二、機(jī)采系統(tǒng)效率的影響因素

根據(jù)抽油機(jī)的工作特點，油井本身條件對機(jī)采系統(tǒng)效率有以下幾種影響因素：

（一）地面損失功率：地面抽油機(jī)和電機(jī)所損耗的功率稱為地面損失功率。

（二）粘滯損失功率：即原油在井筒中向上舉升過程中，由于油井原油粘度引起的抽油桿與原油之間、油管和原油之間磨擦而引起的電功率損失。

（三）滑動損失功率：即因井斜等原因引起的抽油桿和油管之間產(chǎn)生磨擦，而引起的能量損耗。

（四）溶解氣膨脹功率：即當(dāng)井底壓力或油氣混合物壓力低于原油的飽和壓力時，原油中的溶解氣析出對原油有一個向上舉升的作用，其作用實際上是增加了系統(tǒng)的能量。

（五）有效功率：真正用于舉升原油的功率。

由此可見，有桿抽油系統(tǒng)的效率與油井本身的條件有密切關(guān)系。在油井條件一定的情況下，則主要有以下三種因素的影響：

1、技術(shù)裝備：采用較先進(jìn)的、節(jié)能型的技術(shù)裝備對于提高系統(tǒng)效率是必須的。如節(jié)能抽油機(jī)、適應(yīng)抽油機(jī)工況的拖動裝置、降低抽油桿摩擦的技術(shù)和高效抽油泵等。

2、機(jī)、桿、泵的設(shè)計：抽汲參數(shù)（S、n、D），特別是沖次（n）對有桿抽油系統(tǒng)效率有明顯影響，要想提高其運行效率，必須對抽汲參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。

3、管理工作：管理工作水平，例如抽油機(jī)的平衡度、驢頭與井口的對中情況、傳動皮帶的張緊程度等等都會影響有桿泵抽油系統(tǒng)效率。

從以上可以看出系統(tǒng)效率不僅反映了機(jī)采井的節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益，而且也綜合地反映了油田的技術(shù)裝置、技術(shù)管理水平。

三、機(jī)采系統(tǒng)效率存在的主要問題

（一）技術(shù)裝備水平有待進(jìn)一步提高

1、存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，導(dǎo)致電機(jī)效率低，系統(tǒng)效率低。所謂“大馬拉小車”，就是指抽油機(jī)所配電機(jī)的額定功率大，而抽油機(jī)負(fù)載量小，造成電機(jī)的負(fù)載率低，而電機(jī)負(fù)載率的大小直接關(guān)系到系統(tǒng)效率的高低。電機(jī)的負(fù)載率及其特性曲線見圖1。當(dāng)電機(jī)負(fù)載率為40～50%時為正常工作，負(fù)載率大于50%時為過載，而負(fù)載率不足40%時，電機(jī)效率隨負(fù)載率的下降很快，進(jìn)而影響了地面效率和系統(tǒng)效率。

通過對測試井電參數(shù)的分析，目前我隊電機(jī)的平均負(fù)載率為27.7%，負(fù)載率在正常區(qū)域（25-35%）的僅占21.4%，在過載區(qū)域（>45%）的占9.5%，在低效率區(qū)域（<15%）的占69.1%，電動機(jī)容量沒有被充分利用，造成電機(jī)功率因數(shù)低、效率低。分析“大馬拉小車”這一現(xiàn)象，首先，選擇電機(jī)功率考慮了電機(jī)發(fā)熱、過載能力和啟動能力三個因素，對抽油機(jī)來講，按抽油機(jī)平均負(fù)荷考慮電機(jī)發(fā)熱確定的電動機(jī)，啟動能力不能滿足抽油機(jī)啟動的要求，選用普通電機(jī)就要增大電機(jī)容量以增大啟動能力，這是“大馬拉小車”的主要原因。其次，為防止井下異常工況如砂蠟卡等造成停抽，修井后油井負(fù)荷一般大幅增加而盡量不更換電機(jī)等。因此，抽油機(jī)的負(fù)荷特點決定了選用普通異步電機(jī)不可避免地形成了“大馬拉小車”現(xiàn)象，從電機(jī)選配上看其具有一定的合理性，這一現(xiàn)象不可能完全根除，但我們可以通過采取措施來改善這一狀況。

對于抽油機(jī)的電動機(jī)，節(jié)能的關(guān)鍵是提高其負(fù)載率。目前為了提高電動機(jī)的負(fù)載率和功率因數(shù)，已安裝應(yīng)用了超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)、變頻調(diào)速電機(jī)、雙功率電機(jī)、永磁同步電機(jī)等節(jié)能拖動裝置。

2、在用抽油機(jī)新度系數(shù)低、能耗大。在用的新型抽油機(jī)均為新井投產(chǎn)時投入使用的設(shè)備，抽油機(jī)新度系數(shù)低，由于抽油機(jī)服役年限長，機(jī)械性能變差，運行部件不靈活或磨損，抽油機(jī)地面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)的效率損失增大，進(jìn)而降低地面效率和整體系統(tǒng)效率。我隊使用年限在15年以上的老型抽油機(jī)占20.4%，節(jié)能型抽油設(shè)備占抽油機(jī)總數(shù)的70.3%，也存在一定的節(jié)能挖潛空間。

（二）抽汲參數(shù)有待進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計

抽汲參數(shù)對有桿抽油效率影響較大。在油井產(chǎn)量要求一定的情況下，不同抽汲參數(shù)，抽油機(jī)的系統(tǒng)效率可相差5個百分點以上。

1、沖程：沖程的增減與理論排量的增減成正比關(guān)系，亦與桿柱慣性力增減成正比關(guān)系，但沖程對懸點載荷和交變載荷的影響相對最小，另外沖程長則沖程損失變小。綜合這兩個因素，應(yīng)用長沖程成為一種趨向，因此應(yīng)首先考慮使用抽油機(jī)具有的最大沖程。

2、沖次：桿柱慣性力的增值與沖次的平方成正比，沖次對懸點載荷的影響比沖程的影響大很多，同時當(dāng)沖次高到某一程度時對扭矩的影響也會超過沖程，所以沖次不宜過高。尤其對于稠油井，由于大多數(shù)產(chǎn)量較低，如選擇較小泵徑的抽油泵，則易造成桿柱下行滯后、凡爾球下落滯后等不利因素，因此應(yīng)相對放大泵徑、縮小沖次；同時對于供液不足井也應(yīng)適當(dāng)降低沖次。目前為了滿足生產(chǎn)需要，在抽油機(jī)所配備的最低沖次檔次基礎(chǔ)上應(yīng)用各種方法再降低沖次。同時隨著沖次的降低，對延長抽油桿柱壽命具有積極的作用。

3、泵徑：在滿足油井產(chǎn)量的情況下，較大抽油泵徑配以合理的沖程、沖次，可以使能耗最低，即系統(tǒng)效率最高。其原因是大直徑泵可以在較低抽汲速度下得到所要求的產(chǎn)液量，從而使水力損失和摩擦損失減小，因此可得到較高的系統(tǒng)效率。但是大直徑抽油泵的使用，往往要受到套管尺寸、油管尺寸以及抽油桿強(qiáng)度的限制，因此存在一個經(jīng)濟(jì)合理范圍問題。

在同等產(chǎn)液量，桿柱等級、管徑基本保持不變的前提下，應(yīng)用提高系統(tǒng)效率優(yōu)化設(shè)計軟件對抽汲參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化預(yù)測結(jié)果顯示，平均單井輸入功率可由8.447kW降低到5.02kW，平均單井年減少耗電（8.447-5.02）*24*350=28786kW.h，平均系統(tǒng)效率可提高到35%，提高11.1個百分點。盡管井下效率的挖掘潛力較大，但由于需綜合考慮產(chǎn)量、電機(jī)改造費用、作業(yè)成本等多種因素，因此挖潛難度也大。

4、泵掛深度。目前我隊仍有12口井沉沒度大于500米，共具有提淺泵掛2000米的潛力。不合理的沉沒度，也是造成系統(tǒng)效率低的一個重要因素。

（三）技術(shù)管理工作有待進(jìn)一步加強(qiáng)

管理工作水平，例如抽油機(jī)的平衡度、驢頭與井口的對中情況、傳動皮帶的張緊程度等等都會影響有桿泵抽油系統(tǒng)效率。尤其是游梁式抽油機(jī)的平衡率對抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率影響較大，平衡差的油井能耗大，系統(tǒng)效率低，同時直接影響抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電機(jī)的效率與壽命，對抽油桿的工作狀況也影響很大。

目前在抽油機(jī)管理中，通常用于判斷平衡與否的一個常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)是平衡度，即抽油機(jī)上行最大電流與下行最大電流之比。平衡率與耗能的關(guān)系曲線見圖2，從圖中看出，平衡率在80%～100%時抽油機(jī)耗能最低，當(dāng)平衡率達(dá)120%以上時，比80%時每小時多耗電0.25kw.h，平衡率低于70%時，比80%時每小時多耗電0.15kw.h。

由此可見，游梁式抽油機(jī)的平衡率對抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率影響較大，平衡差的油井能耗大，系統(tǒng)效率低，同時直接影響抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電機(jī)的效率與壽命，對抽油桿的工作狀況也影響很大。

目前，因電流曲線易獲取，現(xiàn)場主要采用電流法調(diào)平衡。但電流平衡不能保證抽油機(jī)一定平衡，電流不平衡也不能肯定抽油機(jī)不平衡，這從理論和現(xiàn)場都能得到了證實。

從理論上講，由于電機(jī)與變壓器不同，抽油機(jī)空載時的電流就達(dá)額定電流30～40%，在負(fù)載開始增加時，電流變化并不大，而是功率因數(shù)在變化，所以對于大馬拉小車的抽油機(jī)就算是不平衡從電流上也看不出來。其次是電流分不出正負(fù)，發(fā)電與用電都產(chǎn)生電流，一些嚴(yán)重不平衡的井在發(fā)電時產(chǎn)生一個很大的電流峰，但從電流上看還相當(dāng)平衡。所以說電流如果不平衡，抽油機(jī)肯定不平衡，電流平衡了抽油機(jī)也不一定平衡。因此，用電流法調(diào)平衡不一定合理。

在現(xiàn)場測試中，也驗證了這種問題。對孔104-3井我們進(jìn)行了測試，從電流曲線上來看，平衡率為27.6/30.9=89%，在抽油機(jī)平衡區(qū)域內(nèi)（85%-115%）。但從功率法測試結(jié)果為68.5%，實際上抽油機(jī)并不平衡。因此想真正看出抽油機(jī)的平衡情況，只有查看電功率曲線。

四、提高機(jī)采系統(tǒng)效率主要工作及成果

（一）舉升工藝的優(yōu)化與調(diào)整

針對采注三隊系統(tǒng)效率低的狀況，在舉升工藝設(shè)計中，應(yīng)用 “大泵徑、長沖程、低沖次”的優(yōu)化設(shè)計思路，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，合理優(yōu)化工作參數(shù)，大大提高了系統(tǒng)效率。2014年我隊共優(yōu)化了15井次，累計提淺泵掛應(yīng)用了抽油機(jī)530米，降低沖次20次，通過優(yōu)化設(shè)計，平均單井系統(tǒng)效率可提高5%以上。由此可見，工藝參數(shù)是影響系統(tǒng)效率的主要因素之一。

同時，為了防止稠油井打架和減少注聚井偏磨現(xiàn)象，減少抽油桿柱的斷脫事故和有利于柱塞下行及打開游動凡爾，提高經(jīng)濟(jì)效益，在抽油桿下部使用了一定數(shù)量的加重桿。使用后，有助于抽油桿的下行，有效地減緩了抽油桿的偏磨。

系統(tǒng)效率優(yōu)化設(shè)計實施效果對比表

（二）節(jié)能型設(shè)備的推廣應(yīng)用

1、節(jié)能抽油機(jī)的應(yīng)用：為提高機(jī)采系統(tǒng)效率，降低運行能耗，目前產(chǎn)能井應(yīng)用的抽油機(jī)基本配套應(yīng)用了節(jié)能型抽油機(jī)。2014年安裝應(yīng)用下偏杠鈴式等新型節(jié)能抽油機(jī)12臺次，達(dá)到了節(jié)能的目的。同時新機(jī)提高了油田在用抽油機(jī)的新度系數(shù)，可以降低維修保養(yǎng)費用，為下一步提高采油廠整體的舉升工藝技術(shù)水平與經(jīng)濟(jì)效益奠定了基礎(chǔ)。

節(jié)能抽油機(jī)試驗測試電參數(shù)對比表

2、節(jié)能電機(jī)的應(yīng)用：近年來，推廣應(yīng)用了各種節(jié)能電機(jī)，主要有雙功率電機(jī)、永磁同步電機(jī)等都取得了較好的節(jié)能效率，尤其突出的是永磁同步電機(jī)，電機(jī)效率較其他電機(jī)高5-10個百分點。且具有以下優(yōu)點：①起動力矩大，過載能力強(qiáng)，裝機(jī)功率降低；②運行效率高，尤其是在低負(fù)載率下，稀土永磁電機(jī)效率遠(yuǎn)高于異步電機(jī)。

項目 啟動轉(zhuǎn)矩 與普通異步電機(jī)比節(jié)電率 負(fù)載率低于50%的效率 額定

效率

普通異步電機(jī) 1.8（倍） —— 30%-50% 80%

永磁同步電機(jī) 3.6（倍） 9.6%-27% >90% 94%

實踐證明，同磁同步電機(jī)配套變頻控制柜，節(jié)電率可達(dá)到78%。2014年共應(yīng)用12口，累計節(jié)電7.5萬KW·h。

3、中頻控制柜的應(yīng)用：針對稠油井由于原油粘度大，流動性差的問題，應(yīng)用了電加熱桿舉升工藝，同時配套應(yīng)用了ZPDY-1型中頻電源控制柜，通過測試，安裝后，節(jié)電率達(dá)到了30.2%。

（三）平衡度的調(diào)整

抽油機(jī)井平衡度是否合理直接影響著油井系統(tǒng)效率的高低，影響著設(shè)備能耗的高低。按照考核制度，堅持每月對采油班站抽油機(jī)平衡度進(jìn)行抽檢，對抽查中平衡度不合格的油井，限期進(jìn)行整改，并納入月度績效考核，有效提高了采注三隊的設(shè)備管理水平。2014年共調(diào)整抽油機(jī)平衡度120井次，抽油機(jī)平衡度合格率由89.3%達(dá)到了95.5%。通過以上幾項工作的開展，系統(tǒng)效率從原來的23.6%提高到了目前的29.6%。

五、結(jié)論及建議

1、提高機(jī)采井系統(tǒng)效率是一項涉及面廣、復(fù)雜程度較高的系統(tǒng)工程，只有高度重視、系統(tǒng)組織、整體聯(lián)動，才能達(dá)到預(yù)期的效果。

2、樹立長遠(yuǎn)效益觀念和創(chuàng)新意識，節(jié)能裝備與優(yōu)化舉升工藝設(shè)計并舉是不斷提高機(jī)采系統(tǒng)效率的有效途徑。

3、在強(qiáng)化技術(shù)配套的同時，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)采系統(tǒng)效率精細(xì)管理工作。

4、針對抽油機(jī)負(fù)荷時常變化的特點，細(xì)化抽油機(jī)電機(jī)調(diào)劑制度，使各井配備的電機(jī)更加合理，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬仁溥，采油工程手冊，北京：石油工業(yè)出版社，2000：599。

[2]朱云杰 劉慶敏：抽油桿柱組合設(shè)計方法，中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。SY/T 5903—93，1-25。

[3]李穎川：抽油桿柱設(shè)計方法，西南石油學(xué)院學(xué)報：1993；75-79。