李國(guó)清（吉林油田公司新民采油廠）

新民油田機(jī)采節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

李國(guó)清（吉林油田公司新民采油廠）

人工舉升系統(tǒng)是生產(chǎn)井實(shí)現(xiàn)有效開采的必要手段，在油田開發(fā)中占能耗比例較大。針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)采耗電方面存在的問題，進(jìn)行了稀土電動(dòng)機(jī)改進(jìn)試驗(yàn)、低產(chǎn)液井系統(tǒng)試井、平衡度挖潛試驗(yàn)及電容補(bǔ)償技術(shù)研究。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，年節(jié)電290×104kW·h，效果顯著。

抽油機(jī)井 稀土永磁電動(dòng)機(jī) 參數(shù)優(yōu)化 節(jié)能降耗 技術(shù)研究

新民油田屬低滲透、低產(chǎn)能、非均質(zhì)、裂縫性砂巖油藏。隨著開發(fā)的深入、機(jī)采井?dāng)?shù)的增加、單井產(chǎn)液量的下降和綜合含水的持續(xù)上升，機(jī)采設(shè)備能耗比例不斷上升。探索適合新民油田機(jī)采系統(tǒng)的新型節(jié)能工藝技術(shù)，對(duì)進(jìn)一步提高油田開發(fā)效益具有十分重要的意義。

1 影響機(jī)采能耗的主要因素

影響機(jī)采能耗的主要因素是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率、生產(chǎn)參數(shù)、抽油機(jī)平衡度和功率因數(shù)[1]。

1.1 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率的影響

根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率利用率與電動(dòng)機(jī)效率的關(guān)系曲線，當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率利用率低于20%時(shí)，隨著功率利用率的提高，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率上升幅度較大；當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率利用率高于20%時(shí)，隨著功率利用率的提高，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率上升緩慢；當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率利用率高于40%時(shí)，隨著功率利用率的提高，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率基本穩(wěn)定在90%。根據(jù)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況特點(diǎn)，確定20%～40%為電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)負(fù)載率。新民油田電動(dòng)機(jī)功率利用率小于20%的油井占油井總數(shù)的22%，這部分電動(dòng)機(jī)通過降低電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率、提高電動(dòng)機(jī)功率利用率、減少電動(dòng)機(jī)空耗產(chǎn)生的無功功率損失來降低耗電量。電動(dòng)機(jī)功率利用與電動(dòng)機(jī)效率關(guān)系見圖1。

1.2 油井生產(chǎn)參數(shù)的影響

油井工作參數(shù)泵徑、泵深、沖程、沖速的大小對(duì)桿柱和液體的慣性載荷、泵閥球的運(yùn)動(dòng)、柱塞的有效行程及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都起著決定作用，直接影響機(jī)采系統(tǒng)能耗，參數(shù)越大，能耗越高。新民油田為低產(chǎn)區(qū)塊，生產(chǎn)參數(shù)相對(duì)偏大，需要優(yōu)化工作參數(shù)，降低能耗。

圖1 電動(dòng)機(jī)功率利用率與電動(dòng)機(jī)效率的關(guān)系

1.3 抽油機(jī)平衡度的影響

新民油田抽油機(jī)的平衡方式為機(jī)械平衡。機(jī)械平衡是在曲柄或游梁尾部加裝平衡重。在懸點(diǎn)下沖程時(shí)，平衡重從低處抬到高處，從而增加了平衡重的位能。為了抬高平衡重，除了依靠抽油桿柱下落所放出的位能外，還需要電動(dòng)機(jī)作功，以消除下沖程中電動(dòng)機(jī)發(fā)電運(yùn)行的現(xiàn)象。在懸點(diǎn)上沖程時(shí)，平衡重由高處下落，把下沖程時(shí)儲(chǔ)存的位能釋放出來，幫助電動(dòng)機(jī)提升抽油桿柱和油柱，從而減少電動(dòng)機(jī)在上沖程所需要給出的能量。如果平衡重或平衡方式選得合適，不僅可以使電動(dòng)機(jī)上沖程和下沖程給出的能量相等，使曲柄軸扭矩值變化很小，而且使電動(dòng)機(jī)、減速箱的載荷均勻，改善系統(tǒng)的工作狀態(tài)，減少能耗，提高效率。抽油機(jī)不平衡不僅影響連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電動(dòng)機(jī)的效率和壽命，而且會(huì)加大電動(dòng)機(jī)內(nèi)耗，使油井耗能大大增加。油井生產(chǎn)一段時(shí)間后，由于產(chǎn)量、液面、參數(shù)等的變化，平衡就會(huì)發(fā)生變化，抽油機(jī)調(diào)平衡已經(jīng)成為一項(xiàng)最基礎(chǔ)、最重要的日常工作。

1.4 功率因數(shù)的影響

線路無功損耗大，功率因數(shù)低，耗電量高。新民油田平均功率因數(shù)0.5，處于較低水平，降低無功損耗提高功率因數(shù)從而降低機(jī)采系統(tǒng)耗電量是今后研究的主要方向。

2 節(jié)能挖潛探索與實(shí)踐

針對(duì)影響新民油田機(jī)采能耗的主要因素，開展了四方面的研究與試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了較好效果[2]。

2.1 稀土電動(dòng)機(jī)改進(jìn)試驗(yàn)提高效率優(yōu)化參數(shù)

目前，新民油田現(xiàn)場(chǎng)在用電動(dòng)機(jī)主要是高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)和稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)。兩類電動(dòng)機(jī)工作原理不同，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用各有優(yōu)缺點(diǎn)。

高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率大，消耗在轉(zhuǎn)子中的銅損比普通電動(dòng)機(jī)的大。高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)應(yīng)用較小容量電動(dòng)機(jī)和變壓器代替較大容量電動(dòng)機(jī)和變壓器，解決了“大馬拉小車”問題,變壓器和電動(dòng)機(jī)的損耗均有所降低，改變了抽油機(jī)工作狀況，使電動(dòng)機(jī)與抽油機(jī)的配合得到改善，減少了抽油機(jī)的內(nèi)應(yīng)力損耗。但缺點(diǎn)是受電動(dòng)機(jī)包角限制最小沖速為4.3次/min，功率因數(shù)較低。

稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)其轉(zhuǎn)子中鑲稀土永磁材料，在經(jīng)過外界磁場(chǎng)預(yù)先充磁后，可以在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持很強(qiáng)的磁場(chǎng)。在運(yùn)行中其轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)差率為零），無銅損，節(jié)能效果好，電動(dòng)機(jī)效率高，功率因數(shù)高，啟動(dòng)力矩大，過載能力強(qiáng)。但稀土電動(dòng)機(jī)對(duì)電壓的要求比較高，不適合供電半徑大的末端抽油機(jī)，啟動(dòng)電流比較大，雖然可以降低裝機(jī)功率，但變壓器的容量不能減少，只適合一口油井一個(gè)變壓器的應(yīng)用。

為進(jìn)一步提高適應(yīng)性，對(duì)可充磁稀土永磁電動(dòng)機(jī)進(jìn)行五項(xiàng)改進(jìn)試驗(yàn)，取得了一定的應(yīng)用效果，見圖2～圖3。①解決了退磁問題，優(yōu)選永磁釹鐵硼，安放高溫探頭，采取隔磁設(shè)計(jì)，退磁后可充磁；②解決了發(fā)熱問題，沖片轉(zhuǎn)子，提高抗退磁能力，合理設(shè)計(jì)空載反電勢(shì)；③解決了低壓?jiǎn)?dòng)問題，不同電壓自動(dòng)切換來實(shí)現(xiàn)；④改變了啟動(dòng)特性,導(dǎo)條對(duì)數(shù)盡量多，槽盡量深，端環(huán)盡量薄，變頻啟動(dòng)；⑤提高了功率因數(shù)，選用內(nèi)置轉(zhuǎn)子體，增多導(dǎo)條極對(duì)數(shù)，選用優(yōu)質(zhì)硒鋼片。

2010年，單井開展可充磁電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)98口，平均沖速由4.25次/min降到3.43次/min，沖速每分鐘降低0.8次，平均功率因數(shù)由0.55提高到0.95，電動(dòng)機(jī)功率利用率由19%提高到25%，平均單井日節(jié)電20.2 kW·h，提高了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率，降低了能耗，見表1。

圖2 原稀土電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子

圖3 改進(jìn)后稀土電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子

表1 新民油田應(yīng)用稀土電動(dòng)機(jī)前后各種參數(shù)變化對(duì)比

2.2 低產(chǎn)液井系統(tǒng)試井試驗(yàn)確定合理間抽制度

針對(duì)沖程、沖速、泵徑等生產(chǎn)參數(shù)均已最小，供液能力仍然很差的油井進(jìn)行間抽生產(chǎn)，在不影響產(chǎn)量的前提下，減少日耗電。開展系統(tǒng)試井，進(jìn)行產(chǎn)量、液面監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，確定合理間抽制度。

試驗(yàn)過程是首先停井監(jiān)測(cè)液面，然后開抽進(jìn)行綜合測(cè)試（錄取液面與開、停井關(guān)系數(shù)據(jù)），最后綜合分析、錄取參數(shù)確定間抽制度。如民+57-015井，通過對(duì)停井監(jiān)測(cè)液面數(shù)據(jù)，見表2，并繪制開停抽與液面關(guān)系曲線，見圖4，可以確定日停井8 h、開16 h是該井產(chǎn)量、效率和能耗的最佳點(diǎn)。

通過上述方法分析，對(duì)日產(chǎn)液在1.5～2 t的油井，停井時(shí)間8 h較為合理；日產(chǎn)液在0.7～1.5 t的油井，停井時(shí)間在12 h較為合理；日產(chǎn)液在0.1～0.7 t的油井，停井時(shí)間在16 h較為合理。間抽后開井6 h計(jì)量，計(jì)量時(shí)間不低于30 min。2010年對(duì)131口低產(chǎn)液井進(jìn)行間抽生產(chǎn)，其間抽前后液面及供液能力均有所改善，平均單井日節(jié)電27 kW·h。

表2 民+57-015井停井液面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖4 民+57-015系統(tǒng)試井液面變化情況

2.3 油井平衡度挖潛試驗(yàn)提高平衡指數(shù)

抽油機(jī)不平衡時(shí)，上沖程中電動(dòng)機(jī)承受著極大的負(fù)荷，下沖程中抽油機(jī)反而帶著電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，造成電動(dòng)機(jī)功率的浪費(fèi)。抽油機(jī)平衡越差，電動(dòng)機(jī)輸入功率越大，耗電量越高。根據(jù)油田實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，一般情況下，游梁機(jī)平衡率在80%～100%時(shí)抽油機(jī)耗電最低。與80%時(shí)相比，當(dāng)平衡率達(dá)120%以上時(shí)，1 h多耗電0.25 kW·h，平衡率低于70%時(shí)，1 h多耗電約0.15 kW·h，見圖5。

圖5 游梁式抽油機(jī)平衡率與耗能的關(guān)系

2010年開展了平衡微調(diào)實(shí)驗(yàn)，調(diào)平衡285井次，其中平衡微調(diào)125井次，使已平衡井平衡度接近100%，拓寬了節(jié)能降耗空間，效果顯著，單井平均日節(jié)電8.5 kW·h，見圖6。

圖6 民+38-9平衡指數(shù)微調(diào)試驗(yàn)

2.4 實(shí)施無功補(bǔ)償試驗(yàn)提高功率因數(shù)

經(jīng)供電公司測(cè)試，新民油田10 kV線路的功率因數(shù)為0.5左右，線路末端甚至在0.3左右，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)0.9有很大差距，線損率高達(dá)15%～26%，造成了電能浪費(fèi)。

網(wǎng)損原因分析表明，電源供給負(fù)載的電流中含有有功電流和無功電流，有功電流不斷地被負(fù)載消耗掉，用于做功；無功電流不斷地與電源交換能量，用于感性負(fù)載建立必要的磁場(chǎng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。因無功電流的存在，增加了電能損耗，使電網(wǎng)末端電壓下降。

降低網(wǎng)損是從電網(wǎng)末端開始，本著“先低壓、后高壓”的原則，在單井、變壓器低壓端、中轉(zhuǎn)站和10 kV高壓線路端逐步安裝無功補(bǔ)償器。通過安裝補(bǔ)償電容器，感性負(fù)載就可以和電容器相互交換能量，不用再向電源索取額外的能量，使導(dǎo)線上的電流減少，能耗降低，電網(wǎng)末端的電壓升高。單井安裝電容補(bǔ)償效果對(duì)比見表3。

表3 單井安裝電容補(bǔ)償效果對(duì)比

2010年新民油田共安裝隨機(jī)補(bǔ)償器149臺(tái)、隨器補(bǔ)償器90臺(tái)和10 kV線路高壓電容補(bǔ)償器4臺(tái)。線路末端功率因數(shù)由0.45提高到0.85，網(wǎng)損由15%降到8%，線路實(shí)現(xiàn)年節(jié)電168×104kW·h。

3 結(jié)論

新民油田開展優(yōu)化工作參數(shù)、系統(tǒng)試井、平衡微調(diào)、實(shí)施無功補(bǔ)償?shù)仍囼?yàn)，取得較好的節(jié)能效果。2010年平均單井日耗電89 kW·h，比2009年降低3.5 kW·h，機(jī)采系統(tǒng)年累計(jì)節(jié)電290×104kW·h。

[1]陳濤平,胡靖邦.石油工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2000:275-276.

[2]李穎川.采油工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2008:120-121.

Study and Application of Energy-Saving Technologies on Suck Rod Pumping System in Xinmin Oilfield

Li Guoqing

Pumping well，Oil recovery，Energy-saving，Technology research

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.02.005

2011-03-02)

李國(guó)清，2000年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，工程師，現(xiàn)從事油田開發(fā)研究工作，E-mail：littlegreentrees@163.com，地址：吉林省松原市吉林油田公司新民采油廠工藝所，138009。

Artificial lift system is the key equipment for production well.The energy consumption of artificial lift is also the largest in an oilfield.To solve rod pumping power efficiency problems in production， several test are studied， including RE motor field test， low liqiud wells system test，balanced potential test and electric capacity compensation application technique etc.290×104kW·h power is saved in field application.New energy-saving technologies are effective ways to reduce cost and improve efficiency.