吳存金+楊世東+高三保

[摘 要]通過(guò)對(duì)中原油田分公司部分機(jī)械采油井耗能設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的分析，找出了影響機(jī)械采油系統(tǒng)效率的諸因素。在做好參數(shù)優(yōu)化工作的同時(shí)，針對(duì)影響系統(tǒng)效率的主要因素，堅(jiān)持“系統(tǒng)優(yōu)化、綜合配套”的原則，將油藏與工程、地面與地下有機(jī)結(jié)合起來(lái)，積極采用國(guó)內(nèi)外成熟有效的新工藝、新技術(shù)，進(jìn)一步提高了抽油機(jī)井系統(tǒng)效率。

[關(guān)鍵詞]抽油機(jī)井；系統(tǒng)優(yōu)化；綜合配套；系統(tǒng)效率

中圖分類號(hào)：TE933.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）14-0063-01

1 前言

目前，中原油田分公司普遍使用的是抽油機(jī)機(jī)械采油法。應(yīng)用抽油機(jī)井生產(chǎn)系統(tǒng)采油的目的是將地面能量通過(guò)抽油機(jī)—抽油桿—抽油泵傳遞給井筒中的生產(chǎn)流體將其舉升到地面，整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程就是能量不斷傳遞與轉(zhuǎn)化的過(guò)程，而在能量傳遞和轉(zhuǎn)化的每一環(huán)節(jié)均會(huì)產(chǎn)生能量損失。從地面供入系統(tǒng)提供的能量扣除系統(tǒng)中的各種損失，就是系統(tǒng)給井筒流體的有效能量，其與系統(tǒng)輸入能量之比即為抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率。

2 影響抽油機(jī)系統(tǒng)效率的因素分析

2.1 抽油機(jī)工作狀態(tài)和載荷特性對(duì)系統(tǒng)效率的影響

抽油機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)從動(dòng)力端到懸點(diǎn)，一般經(jīng)過(guò)減速、換向兩個(gè)階段，如果換向機(jī)構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)速與懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)周期的比等于1，如現(xiàn)在廣泛使用的游梁式抽油機(jī)，則減速系統(tǒng)的傳動(dòng)比就較大，要實(shí)現(xiàn)低沖次就較為困難。然而在油藏開發(fā)中后期，二類儲(chǔ)量動(dòng)用程度不斷上升，油稠造成摩擦阻力增大，稠油井需要低沖次運(yùn)行來(lái)提高泵效和降低能耗，游梁式抽油機(jī)不經(jīng)過(guò)改造和其它配套很難實(shí)現(xiàn)低沖次。

游梁式抽油機(jī)的平衡率對(duì)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(shí)抽油機(jī)平衡狀況的好壞，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(duì)抽油桿的工作狀況也影響很大。因此，對(duì)于抽油機(jī)平衡狀況的判斷和及時(shí)調(diào)整，必須給予重視。在旋轉(zhuǎn)平衡或復(fù)合平衡方式的抽油機(jī)上，調(diào)整平衡最方便的方法是調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)平衡塊的平衡半徑。實(shí)踐表明，通過(guò)合理地調(diào)整平衡，每口油井可減少有功功率0.3-1.5Kw，平均節(jié)電0.5Kw，節(jié)電效果顯著。

2.2 電動(dòng)機(jī)的工作特性對(duì)系統(tǒng)效率的影響

電動(dòng)機(jī)是油田抽油機(jī)井的主要?jiǎng)恿υO(shè)備，也是油田主要的耗能設(shè)備之一，機(jī)采系統(tǒng)的耗電量最終也體現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)耗電上。所以對(duì)電機(jī)的節(jié)能效果的要求越來(lái)越高，因此電動(dòng)機(jī)及其相關(guān)改造是提高機(jī)采系統(tǒng)效率項(xiàng)目中不可回避的問(wèn)題。

電機(jī)負(fù)載率是指運(yùn)行中電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率N2與額定功率的比值。

電機(jī)的負(fù)載率及功率因數(shù)越低，電動(dòng)機(jī)的效率越低。

3 提高抽油機(jī)系統(tǒng)效率的對(duì)策探討

3.1 應(yīng)用小型抽油機(jī)

由于目前油井供液能力比較強(qiáng)，導(dǎo)致油井的負(fù)荷較輕，大部分油井負(fù)荷都在60kN以下，采用6型抽油機(jī)就能維持油井的正常生產(chǎn)。而中原油田分公司大部分抽油機(jī)是6型以上的大抽油機(jī)，而且老化比較嚴(yán)重。為此，加大了抽油機(jī)更換力度，根據(jù)油井負(fù)荷情況，將負(fù)荷小的普通抽油機(jī)更換為6型抽油機(jī)。6型機(jī)采用雙驢頭結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)利用變徑原理，做到上沖程平衡扭矩大，下沖程平衡扭矩小，從而更好的與驢頭負(fù)荷相匹配，降低電機(jī)負(fù)荷扭矩波動(dòng)量，使負(fù)荷扭矩更平穩(wěn)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3.2 應(yīng)用新型電機(jī)

3.2.1 應(yīng)用永磁同步電機(jī)

稀土永磁電動(dòng)機(jī)是一種新型節(jié)能電機(jī)，其轉(zhuǎn)子主要由稀土永磁體構(gòu)成，所以不用勵(lì)磁，從而省去了勵(lì)磁功率，當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子既無(wú)銅耗，又無(wú)鐵耗，提高了效率，降低了耗損，因無(wú)功功率很小，其功率因數(shù)很高。

電機(jī)的效率與其功率利用率有較大的關(guān)系，電機(jī)是以磁場(chǎng)為媒體進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的以一種機(jī)電產(chǎn)品。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能等于氣隙內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，原因在于必須在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。為使轉(zhuǎn)子繞組上有電流流過(guò)，除感生方式外，也可以采用傳導(dǎo)方式，即同步電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電流的方法。為建立機(jī)電能量轉(zhuǎn)換所需的磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)的磁路需要一定的磁勢(shì)源進(jìn)行勵(lì)磁，有電勵(lì)磁和永磁兩種方式，前者需外接電源供給能量進(jìn)行勵(lì)磁，如交流勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)和一部分同步電動(dòng)機(jī)；后者是采用永磁材料的固有特性，經(jīng)預(yù)先磁化后不需外加能量就能建立起永久磁場(chǎng)，這就是同步永磁電機(jī)（圖1、圖2）。

抽油機(jī)用永磁同步電機(jī)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起動(dòng)力矩大、過(guò)載能力強(qiáng)、效率高、功率因數(shù)高、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，集中了異步電機(jī)和同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，克服了兩者的缺點(diǎn)。同普通電機(jī)相比具有以下特點(diǎn)：

效率高：采用永磁材料代替電勵(lì)磁，減少了勵(lì)磁損耗；采用同步工作方式，轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)完全同步，無(wú)轉(zhuǎn)差率損耗（普通電機(jī)轉(zhuǎn)差率2%～5%，高轉(zhuǎn)差率電機(jī)8～12%）；普通電機(jī)額定效率為90%，永磁同步電機(jī)額定效率可達(dá)94%，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)使高效區(qū)得到延寬，可大幅度提高整個(gè)沖程內(nèi)的平均運(yùn)行效率，平均效率一般可提高12%以上。

功率因數(shù)高：永磁電機(jī)的功率因數(shù)通過(guò)轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)決定，因此可獲得較高的功率因數(shù)，可以達(dá)到0.90，輕載時(shí)還高于此值，一般運(yùn)行在0.9以上，無(wú)功節(jié)電效果相當(dāng)顯著。共安裝18臺(tái)，安裝后平均單井日節(jié)電36.2kWh/d，系統(tǒng)效率提高2.9%。變速器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明普通電機(jī)+變速器可以替代電磁調(diào)速電機(jī)實(shí)現(xiàn)稠油井的小參數(shù)運(yùn)行。

3.4 應(yīng)用變頻節(jié)能裝置

根據(jù)部分油井供液能力的變化規(guī)律，當(dāng)油井供液不足或是熱采井轉(zhuǎn)周中后期，泵效就開始明顯衰減，系統(tǒng)效率減低。游梁式抽油機(jī)的啟動(dòng)電流為其正常工作時(shí)最大電流的5～6倍，而變頻調(diào)速后抽油機(jī)啟動(dòng)電流接近抽油機(jī)正常工作時(shí)的最大電流，功率因數(shù)由使用游梁式抽油機(jī)時(shí)的0.3～0.5上升到0.95以上。

軟啟動(dòng)功能。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)電流大幅度降低。啟動(dòng)抽油機(jī)時(shí)，速度可以從零慢慢升至給定速度，時(shí)間長(zhǎng)至120秒，啟動(dòng)電流不超過(guò)電機(jī)的額定電流，這樣可減少抽油機(jī)配備電機(jī)功率30%，提高了電機(jī)負(fù)載率。

降低無(wú)功功率。變頻器工作為交-直-交方式，首先將交流電整流成直流電，直流電的電能是單向輸送的，所以理論上功率因數(shù)應(yīng)為1.0，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中都在0.95以上。

4 優(yōu)化調(diào)整應(yīng)用效果

調(diào)查表明，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率由2015年的26.0%提高到2016年的31.2%。通過(guò)系統(tǒng)效率優(yōu)化，累計(jì)年節(jié)電120萬(wàn)KWh；同時(shí)，提高機(jī)械采油的技術(shù)管理水平，使抽油機(jī)井機(jī)采系統(tǒng)效率顯著提高，設(shè)備配套能力增強(qiáng)，同時(shí)減少作業(yè)井次，節(jié)約成本，同時(shí)保持較高時(shí)率，減少作業(yè)占產(chǎn)，效益顯著，有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)探索出一條系統(tǒng)的、成熟的提高機(jī)采系統(tǒng)效率配套技術(shù)為其他區(qū)塊的類似改造提供成熟、有效的配套技術(shù)和管理運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙華，畢新忠等，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率測(cè)試及應(yīng)用研究.石油和化工節(jié)能，2010.1.