張偉利（大慶油田有限責(zé)任公司第十采油廠）

優(yōu)化節(jié)能措施 降低機(jī)采井耗電

張偉利（大慶油田有限責(zé)任公司第十采油廠）

隨著油田開發(fā)時(shí)間的延長，低效井逐年增多，該區(qū)塊電能高消耗現(xiàn)象嚴(yán)重。通過對(duì)影響機(jī)采井耗電和系統(tǒng)效率的地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，找出影響系統(tǒng)效率的因素；根據(jù)產(chǎn)液量穩(wěn)定的基本原則，制定節(jié)能設(shè)計(jì)方案，采取可行的措施，提高抽油機(jī)系統(tǒng)效率，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。對(duì)新產(chǎn)能井地面拖動(dòng)裝置進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)老井采用新型節(jié)能電動(dòng)機(jī)及抽油機(jī)減速裝置，對(duì)檢泵井井下系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，取得了一定的節(jié)能效果。

機(jī)采井 優(yōu)化 效果

抽油機(jī)舉升是人工舉升的主要方式，采取有效的節(jié)能措施，提高其系統(tǒng)效率，可使投入產(chǎn)出比增加，在提高能效的同時(shí)獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。抽油機(jī)系統(tǒng)效率受多方面因素的影響，做節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)首先要對(duì)各種影響因素進(jìn)行研究，找出對(duì)系統(tǒng)效率影響最大的因素。根據(jù)產(chǎn)液量不降的基本原則，制定節(jié)能設(shè)計(jì)方案，采取可行性的措施，提高抽油機(jī)的系統(tǒng)效率，從而達(dá)到降低機(jī)采井耗電的目的。

1 影響系統(tǒng)效率及耗電因素

1.1 地面系統(tǒng)影響

1.1.1 沖速對(duì)系統(tǒng)效率及耗電的影響

抽油機(jī)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷變化較大，并且電動(dòng)機(jī)的平均輸出功率不但與電流有關(guān)，更重要的是與電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷變化周期有一定關(guān)系。沖次與電動(dòng)機(jī)負(fù)荷周期變化是相對(duì)應(yīng)的；能量在減速箱中的傳遞通過齒輪完成，一般情況下，1對(duì)齒輪傳動(dòng)功率損失約為2%，抽油機(jī)減速箱3對(duì)齒輪傳動(dòng)損失共為6%。抽油機(jī)的沖速每增加一次，能量經(jīng)過3對(duì)齒輪傳遞后，減速箱的機(jī)械效率會(huì)降低1.5%～2.0%；抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)的能量損失主要包括軸承損失，鋼絲繩的變形損失。通常情況下，抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)裝置能量損失為7.5%～12.5%，若增加1個(gè)沖速，能量在該處的損失會(huì)增加3.0%左右；光桿運(yùn)動(dòng)速度增大，功率損失也隨之增大，系統(tǒng)效率降低?？傊?，在確保產(chǎn)量的前提下盡可能地降低沖速，適當(dāng)增大沖程能有效提高系統(tǒng)效率。

1.1.2 不平衡度及負(fù)扭矩對(duì)系統(tǒng)效率的影響

由扭矩曲線可直接得到上下沖程中的高峰扭矩值和負(fù)扭矩值與曲柄轉(zhuǎn)角的范圍。抽油機(jī)不平衡狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)效率影響分析，通常是以上下沖程高峰扭矩峰值相等為標(biāo)準(zhǔn)來判斷抽油機(jī)的工作狀況，在實(shí)際生產(chǎn)中，不可能經(jīng)常保證上下沖程扭矩峰值完全相等，只要Mdmax/Mumax≥0.85，抽油機(jī)就能保持良好的平衡狀況，扭矩曲線可以求得減速箱的平均輸出功率，由于根據(jù)懸點(diǎn)載荷計(jì)算扭矩時(shí)，忽略了從懸點(diǎn)到曲柄的傳動(dòng)效率，所以，根據(jù)扭矩曲線求得的功率也就是光桿功率。將該功率除以抽油機(jī)效率可得電動(dòng)機(jī)輸出平均功率，通過實(shí)際計(jì)算可以得出抽油機(jī)在不平衡狀態(tài)下工作電動(dòng)機(jī)輸出功率會(huì)增大，系統(tǒng)效率降低。

1.1.3 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性不同直接影響系統(tǒng)效率

電動(dòng)機(jī)的損耗可分為兩大類：一是可變損耗，二是不變損耗。不同類型電動(dòng)機(jī)由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理不同損耗不同，直接影響機(jī)采井耗電和系統(tǒng)效率。電動(dòng)機(jī)的效率及功率因數(shù)都在額定功率附近時(shí)達(dá)到最大值，因此選用電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)使電動(dòng)機(jī)的容量與負(fù)載相匹配。

1.2 井下系統(tǒng)影響

抽油桿柱與液體間的黏滯摩擦功與下泵深度、原油黏度、抽油桿運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比。隨著下泵深度的增加，摩擦損失功率增大，導(dǎo)致系統(tǒng)效率的下降；原油黏度的變化主要體現(xiàn)在摩擦載荷和沿程壓力損失上，隨著原油黏度的增加，液體摩擦力增加，懸點(diǎn)的最大載荷增加而最小載荷減小，載荷變化幅度和示功圖面積都增大，功率消耗增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低[1]。

2 優(yōu)化節(jié)能措施，降低耗電

通過以上分析，可得知對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)效率影響的因素。對(duì)于抽油機(jī)井節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)來說，必須先對(duì)抽油機(jī)井的生產(chǎn)狀況及時(shí)分析，找出影響系統(tǒng)效率的因素，在不影響產(chǎn)量的前提下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，調(diào)整參數(shù)，優(yōu)化軟件得出合理的優(yōu)化方案。

2.1 根據(jù)優(yōu)化結(jié)果采用新型過渡輪裝置下調(diào)沖速

過渡輪裝置工作原理：在電動(dòng)機(jī)輪和抽油機(jī)皮帶輪中間安裝一個(gè)減速裝置，減速裝置有兩個(gè)同軸同步減速輪，電動(dòng)機(jī)輪直接帶動(dòng)大輪達(dá)到降低轉(zhuǎn)速的目的，減速器小輪帶動(dòng)抽油機(jī)皮帶輪，相當(dāng)于下調(diào)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，達(dá)到降低沖速的目的。該裝置分兩種型號(hào)，分別是400/200和300/180，可以把原井4 r/min和3 r/min的沖次下調(diào)到2 r/min，采用滑軌固定在抽油機(jī)底座，4 700 mm和2 300 mm雙皮帶傳動(dòng)，可定期注潤滑劑進(jìn)行保養(yǎng)。

過渡輪裝置選擇產(chǎn)液量在0.5 t以下、小層連通性相對(duì)較差、系統(tǒng)效率偏低的特低效井進(jìn)行安裝，取得了較好的節(jié)能效果，安裝前后對(duì)比，綜合節(jié)電率達(dá)到9.4%，平均單井日節(jié)電12.0 kWh，平均系統(tǒng)效率提高1.40個(gè)百分點(diǎn)。

2.2 優(yōu)選新型節(jié)能電動(dòng)機(jī)，提高系統(tǒng)效率

2.2.1 老井采用YCHD高轉(zhuǎn)差率雙速節(jié)能電動(dòng)機(jī)

隨著油田開發(fā)時(shí)間的延長，低效井逐年增加，老井產(chǎn)液量下降；作業(yè)過程中泵掛上提，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷降低。電動(dòng)機(jī)的效率及功率因數(shù)都在額定功率附近時(shí)達(dá)到最大值，因此，選用適當(dāng)電動(dòng)機(jī)使電動(dòng)機(jī)的容量與負(fù)載相匹配是非常重要的。YCHD225—12/8型高轉(zhuǎn)差率雙速節(jié)能電動(dòng)機(jī)采用兩種輸出轉(zhuǎn)速,分別為462/698（r/min），對(duì)應(yīng)額定功率分別為7.5/15（kW），更換配套電動(dòng)機(jī)輪可按要求調(diào)整沖速。因此，可以根據(jù)單井實(shí)際變化情況隨時(shí)調(diào)整適當(dāng)?shù)念~定功率和沖速，在控制箱內(nèi)直接轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速開關(guān)檔位，改變轉(zhuǎn)速時(shí)，必須停機(jī)后才能改變轉(zhuǎn)換開關(guān)“S”檔位，避免電流突變?cè)斐呻妱?dòng)機(jī)損傷。另外，電動(dòng)機(jī)具有7%的轉(zhuǎn)差率和2.75倍的堵轉(zhuǎn)力矩，有利于抽油機(jī)在啟動(dòng)和井下遇阻時(shí)減少減速箱和抽油桿所受的沖擊載荷，有利于降低抽油機(jī)故障率。

在老井選取電動(dòng)機(jī)消耗功率小于7.5 kW的低效井進(jìn)行安裝，到目前共更換安裝YCHD高轉(zhuǎn)差率雙速節(jié)能電動(dòng)機(jī)20臺(tái)套。更換前后對(duì)比，平均單井實(shí)耗功率由5.40 kW下降到4.80 kW，綜合節(jié)電率達(dá)到11.1%，平均單井日節(jié)電14.4 kWh，平均系統(tǒng)效率9.2%，提高2.3個(gè)百分點(diǎn)。

2.2.2 優(yōu)化產(chǎn)能井地面拖動(dòng)裝置

針對(duì)新產(chǎn)能井低效高耗這一問題采用新型節(jié)能拖動(dòng)裝置，起到了突出的節(jié)能效果。南區(qū)塊投產(chǎn)新井27口，采用TNM系列稀土永磁電動(dòng)機(jī)一體化裝置。該裝置采用電流無功補(bǔ)償技術(shù)，無功電流在電動(dòng)機(jī)處交換，能有效提高電動(dòng)機(jī)功率利用率，與普通Y系列異步電動(dòng)機(jī)比較有較高的節(jié)電率。統(tǒng)計(jì)27口新井，單井平均實(shí)耗功率4.40 kW，和老井平均實(shí)耗功率5.50 kW對(duì)比，平均單井日節(jié)電26.4 kWh，節(jié)電率20.0%，平均系統(tǒng)效率10.1%，提高3.1個(gè)百分點(diǎn)。

北區(qū)塊投產(chǎn)新井115口，采用LP/CJT一體化節(jié)能拖動(dòng)裝置，該裝置是由JFD系列控制箱與CJT系列電動(dòng)機(jī)組成，具有兩種功率輸出形式，通過高低速轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)輸出功率形式交換，高檔轉(zhuǎn)速700 r/min，對(duì)應(yīng)沖速是4次，輸出功率為17 kW；低檔轉(zhuǎn)速450 r/min，對(duì)應(yīng)沖速是3次，輸出功率為12 kW；該裝置裝有補(bǔ)償電容，可有效降低電動(dòng)機(jī)本身銅損、鐵損，達(dá)到節(jié)能和提高系統(tǒng)效率的目的。統(tǒng)計(jì)115口新井，單井平均實(shí)耗功率5.0 kW，和老井平均實(shí)耗功率5.5 kW對(duì)比，平均單井日節(jié)電12.0 kWh，節(jié)電率9.1%，平均系統(tǒng)效率8.6%，提高1.6個(gè)百分點(diǎn)。

2.3 優(yōu)化井下系統(tǒng)，降低油井負(fù)荷

2.3.1 上提泵掛深度

影響油井負(fù)荷的井下因素主要包括泵掛深度和井筒阻力。下泵深度越深，桿柱及液柱重量增大，功率消耗增加，抽油桿柱與液體間的黏滯摩擦功與下泵深度、原油黏度成正比，原油黏度的變化主要體現(xiàn)在摩擦載荷和沿程壓力損失上，應(yīng)用摩擦載荷計(jì)算和壓力分布計(jì)算分析研究，隨著原油黏度的增加，液體摩擦力增加，懸點(diǎn)的最大載荷增加而最小載荷減小。某地區(qū)井底流壓均低于飽和壓力，當(dāng)壓力降低到一定界限，井底附近油層原油脫氣嚴(yán)重，黏度升高。通過對(duì)油井最低允許流動(dòng)壓力公式得出上提泵掛靠近合理流壓，降低原油黏度，從而降低桿柱及液柱重量，減少摩擦阻力，降低油井負(fù)荷。老井根據(jù)實(shí)際情況泵掛上提頂界20～50 m，目前老井已完成泵掛上提工作，平均理論載荷下降1.4 kN，平均最大載荷下降2.2 kN，收到明顯效果。

2.3.2 高黏度井采用強(qiáng)磁防蠟技術(shù)

工作原理：原油是抗磁物質(zhì)，當(dāng)以一定的流速通過特殊磁路設(shè)計(jì)的強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，分子產(chǎn)生透導(dǎo)磁矩，此磁矩與外磁場(chǎng)相反，因而使原油進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)克服磁場(chǎng)力。由于原油中各種組成的分子質(zhì)量和磁矩不同，進(jìn)動(dòng)角速度也不同，磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，進(jìn)動(dòng)角速度越高，使不同分子間距離拉大，作用力減小，有利于降黏。同種蠟分子的進(jìn)動(dòng)角速度相近，在磁場(chǎng)力的作用下，沿磁場(chǎng)方向排成分子串，相鄰分子串由于排列方向相同，極性相同，互相排斥，當(dāng)各分子串分別結(jié)晶后，由于分子中的束縛電荷被“中和”，靜電引力大大削弱，分子串間就不易再結(jié)合成大網(wǎng)絡(luò)狀晶體大蠟晶，不再吸附到油管壁上形成蠟層，從而達(dá)到防蠟的效果。強(qiáng)磁防蠟降黏器有效期10年，單價(jià)1.9×104元，資金投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于日常加藥維護(hù)費(fèi)用。

3 優(yōu)化節(jié)能措施效果

1）過渡輪平均單井年節(jié)電3 066 kWh。

2）高轉(zhuǎn)差率雙速節(jié)能電動(dòng)機(jī)平均單井年節(jié)電3 679.2 kWh。

3）稀土永磁電動(dòng)機(jī)一體化裝置平均單井年節(jié)電6 745.2 kWh。

4）利普一體化節(jié)能拖動(dòng)裝置平均單井年節(jié)電3 066 kWh。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）通過優(yōu)化地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)可有效提高油井系統(tǒng)效率，達(dá)到降低耗電的目的。

2）高黏度、大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的井點(diǎn)可采取特殊防蠟降黏的井下工具，達(dá)到降低負(fù)荷的目的。

[1]徐國民,孫慧峰.抽油機(jī)井節(jié)能設(shè)備優(yōu)化配置研究[J].節(jié)能技術(shù),2001，19（106）：4-9.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.09.020

張偉利，畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，助理工程師，從事安全管理工作，E-amil：dull_1@petrochina.com.cn，地址：大慶油田第十采油廠第五油礦，166405。

2011-10-08)