提高抽油机井系统效率技术及应用

杨建华 曹新彩（中原油田分公司采油二厂）

提高抽油机井系统效率技术及应用

杨建华 曹新彩（中原油田分公司采油二厂）

针对濮城油田抽油机井系统效率低、浪费能源这一问题，通过系统能耗分析，找出了抽油机井系统效率低的原因和影响系统效率的主要因素；提出并实施了抽油机拖动节能装置、抽油泵革新配套、地面节能及机采提液管理等提高机采系统效率相关配套技术，使抽油机井平均机采系统效率提高了3.89%,年节电23.14×105k W h，累计增油18363 t，在抽油机生产中，见到了明显节能降耗效果。

抽油井 系统效率 能耗分析 技术 效果

濮城油田抽油机井系统效率低的主要原因是：地面设备影响（如电动机老化，运行效率低，不平衡等）；负荷不匹配；井下效率低（如井下系统的摩擦，动液面、气体影响，泵、管漏失等）；产液量低。

濮城油田共有1140V高压电动机抽油机512口，380V低压电动机抽油机204口。对抽油机井进行能量平衡测试表明，单井日均产液量达17.71 t，单井平均动液面1177m，平均单井日耗电量259.2k W h，平均系统效率为19.08%。日耗电量大于300k W h的井472口，单机系统效率低于17.3%的井124口，占被测井的13.2%；电流平衡度低于80%的井为120口，占被测井的16.76%。这部分井有较大的节能潜力，只要采取相应的措施，合理优化参数设计，综合治理，系统效率会有较大幅度的提高，对油田的节能降耗、原油增产及提高经济效益具有重要意义。

1 系统效率

机械采油方式的目的是将电能从地面传递给井下液体，从而把井下液体举升到井口。整个机械采油系统的工作，就是一个能量不断传递和转化的过程，能量的每一次传递和转化都会有一定的损失。从地面供入系统的能量扣除系统的各种损失以后，就是系统所给液体的有效能量，该有效能量与系统输入能量之比称为机械采油系统的系统效率。

1.1 系统效率的分解[1]

根据抽油机井系统工作的特点，可将抽油机系统分为两部分，即地面效率和井下效率。一般情况下，以光杆悬绳器为界，悬绳器以上机械传动效率和电动机运行效率的乘积为地面效率，而悬绳器以下到抽油泵，再由抽油泵到井下的效率为井下效率。

地面部分的能量主要损失在电动机、三角带、减速箱、抽油机的连杆机构上；井下部分的能量主要损失在盘根盒、抽油杆、抽油泵、管柱的摩擦中，故抽油机井系统效率又可分解表示为：

式中：

k——有效载荷数，与四连杆机构效率及井下

液柱质量和抽油杆质量之比有关；

η电、η皮、η减、η连、η盘、η杆、η泵、η管——系统各分效率。

抽油机井的系统效率主要由以上8个分效率组成，各个分效率的大小，也就是说各部分能量损失的多少，主要取决于油井井况系统的设计、设备运行状况、操作条件及生产管理等。

1.2 系统效率的能耗分析

系统效率的总损失ΔP损可表示为：

电动机的功率损失ΔP电：由于常规抽油机驱动系统的扭矩特性和特殊的使用环境，使抽油机的驱动电动机处于电动机和发电机两种工作状态，匹配电动机容量大，负荷率低，造成电动机效率降低，损耗增大，特别是不平衡时，效率更低。现场测试中电动机损耗有的高达30%~40%。由此可见，它对系统效率影响最大，节能潜力较大。为了减少损耗，在选择电动机时，应该适应拖动系统的扭矩特性（如高转差电动机等）或改变拖动系统的特性（如节能抽油机）。

皮带功率损失ΔP皮：以弯曲损失和负载有关的弹性滑动损失为主。

减速箱功率损失ΔP减：主要是轴承与齿轮传动损失。

四连杆机构的功率损失ΔP连：主要是摩擦损失与驴头钢丝变形损失。

盘根盒的功率损失ΔP盘：主要是摩擦损失。抽油杆的功率损失ΔP杆：主要是抽油杆与油管内壁的摩擦损失。

抽油泵的功率损失ΔP泵：主要是抽油泵的摩擦损失、容积损失及水力损失。

管柱的功率损失ΔP管：主要是容积损失与水力损失。

就一般的生产井而言，在正常情况下地面设备的效率不会太低，其能量损失主要是电动机，大多数低效井的功率损耗主要在井下。因此，提高抽油机井系统效率的关键在于降低井下的能量损耗，从而提高井下效率。井下的能量损耗主要有：抽油杆与盘根盒之间的摩擦损耗；抽油杆与油管之间的摩擦损耗；柱塞与衬套之间的摩擦损耗；抽油杆与液体的摩擦损耗（主要在下冲程）；液柱与油管之间的摩擦损耗；深井泵、油管等的漏失及容积损失[2]。

1.3 提高系统效率的有效途径

抽油机井系统效率是指抽油系统在一段时间内（一个或几个冲程周期）用于举升液体所消耗的有用功功率P有与电动机输入功率P输入的比值。在一定的输入功率下要提高系统效率，必须降低无用功率ΔP损；在消耗有功功率一定的情况下，要提高系统效率，必须降低系统的输入功率，即通过降低系统能耗来实现。

系统效率的计算公式为：

式中：

P有——抽油机井的有效功率，即水力功率，k W；P输入——电动机输入功率，k W；

α——排量系数；

H——有效扬程，m；

Qt——理论排量，m3/d；

ρ——液体密度，t/m3；

g——重力加速度，m/s2。

从式（1）、式（2）可以看出，提高系统效率要提高有效功率P有，即降低系统的各项损耗，主要是电动机损耗、摩擦损耗和非正常漏失损耗；要提高产液量，提高排量系数，确定最佳的有效扬程，降低抽油机井的井下功率损失。

2 提高抽油机井系统效率技术的应用及效果

2.1 抽油机拖动装置节能技术

2.1.1 宽带式长冲程抽油机

该机具有电气与机械两套安全保护系统，安全性好，冲程可在不停机状态下无级调节；因此，调冲程特别方便，同时也减轻了工人的劳动强度。现场应用表明，宽带机比常规游梁式抽油机平均节电20%~40%，系统效率提高5%~9%。冲程越长，冲速越低，节电效果越明显。

相继推广实施15台，平均单井日节电59.5 k W h，年累计节电3.5×105k W h，系统效率提高6.4%。

2.1.2 900型MODE1900节能抽油机[3]

900型MODE1900抽油机是沈阳机械厂生产的新型节能抽油机，此型抽油机属于非对称循环机构抽油机，悬点上冲程所用时间长于下冲程所用时间；通过对机构尺寸优化设计后，其动力性能明显优于常规型抽油机。在相同工况下与常规型抽油机相比，节能效果显著。

相继推广实施4台，平均单井日节电58.9 k W h，年累计节电8.6×104k W h，系统效率提高5.9%。

2.1.3 高转差电动机

高转差电动机是通过增加转子电阻来提高电动机转差率，具有堵转电流小、转差率高、机械特性软等特点，转速可随负载的变化减缓对抽油机的冲击力，同时也减少了抽油机的弹性变形，实现了抽油杆运行中负载的自我削峰填谷；有利于提高抽油机井的系统效率，增加原油产量，降低产液单耗；因而可以有效地改善抽油机的启动状况，较大幅度地降低电动机的额定容量，提高抽油机井的负载率。

相继推广实施Y QCH 1.14k V高转差率电动机52台，平均单井日节电49.4 k W h，年累计节电9.38×105k W h，产液量上升2.1%，系统效率提高3.9%。

2.1.4 抽油机专用永磁同步电动机

永磁同步电动机的额定效率可达到94%，高于普通异步电动机约4%；通过优化设计，轻载时在一定范围内的效率可高于额定值，最高可达到96%左右，大大地提高了整个冲程内的平均运行效率。

相继推广实施TNY C系列抽油机专用永磁同步电动机10台，在产液量相同的条件下，平均有功节电率为21.82%，无功节电率为57.6%；平均运行电流下降43.27%，平均功率因数由0.57提高到0.90；10台永磁电动机年累计节电2.07×105k W h，系统效率提高5.4%。

2.1.5 实施窄V型联组带

窄V型联组带与普通三角带虽然都是靠摩擦力来传递动力，但由于窄V型联组带的传动尺寸小，较C型三角带窄得多，因此质量轻，配组性能好，摩擦损失小；并且较窄V型联组带其承载能力强，使用寿命长，滑差率小，丢转数少，相同工作条件下比普通带平均提高0.45次/min。而且，窄V型联组带传动效率比普通三角带高，不但节能而且不易损皮带，保证抽油机生产时效率的提高。相继更换窄V型联组带64套，年累计节电1.12×105k W h，系统效率提高0.4%。

2.1.6 改制盘根盒

抽油杆与盘根盒之间存在滑动摩擦，根据现场示功图测试，盘根盒太紧与正常松紧时相比，抽油机驴头悬点载荷会增加1~2t；盘根盒太紧，还会造成光杆发热磨损，引起摩擦阻力的进一步增大。现场通过对盘根盒改制，由原来的直径1.5 i n（1 i n=25.4 mm）改制成1.2i n以下，并采用机油润湿法取得了较好的效果。经现场测试，节电率达2.4%，系统效率提高0.3%。

2.1.7 玻璃钢抽油杆

玻璃钢抽油杆具有质量轻、弹性好、抗腐蚀性能强、抗拉强度与D级钢杆相当等特点，尤其适宜于深抽提液的要求，并能降低抽油机扭矩。通过合理组合、优化工作参数，还可产生超行程效应，充分发挥玻璃钢杆的增产节能效果。

通过实施的46口井前后效果对比，在泵径增加1.9mm的情况下，平均泵挂加深255 m，泵效提高8.9%；单井日增液5.0t，日增油2.0t，累计增液11040t，累计增油3680t；单井电流下降8.5 A，载荷降低16.2k N，累计节电6.21×105k W h，系统效率提高6.3%。

2.2 抽油泵配套新技术

为了克服砂卡、气体、摩擦等影响，提高排量系数，使油井参数与供液能力相匹配，提高系统效率，引进了防砂泵、防气泵、新型固定阀罩等新技术，取得了明显效果。

2.2.1 防砂抽油泵

随着油田的开发及各种作业措施的实施，地层出砂现象越来越严重。为此，应用了防砂抽油泵，这对降低活塞上行阻力、减少砂卡起到了积极作用。相继实施防砂抽油泵79井次，无一井因砂卡造成躺井；前后对比，平均泵效提高3.6%，年累计增液9408t，累计增油329t，系统效率提高1.8%。

2.2.2 防气抽油泵

防气抽油泵泵筒的中部开有排气孔并使用了双柱塞，上冲程时，游动阀关闭，固定阀打开，油管内的油、气被吸到尾管与泵筒内；当上冲程活塞下端通过下排气孔时，固定阀关闭；此时，套管环形空间的油可以通过上下进排流孔进入泵筒内，而原来从固定阀进入泵筒内的气体也可从进排流孔排到套管环形空间去，由于排气孔的作用提高了冲程中的充满度，防止了气锁，因而提高了泵效。通过15口井的实施对比，平均单井日增液3.5 t，累计增液2038t，日增油1.2 t，累计增油656 t，泵效由29.5%提高40%，系统效率提高5.7%。

2.2.3 固定阀罩的改进

新型固定阀罩是在不减少油流通过的情况下，使阀球对球心的移动距离从原来的45 mm缩短到12mm，由直进油孔改为阀罩边上3个倾斜的过油通道，使进入泵腔的原油一面贴于泵腔内壁，有效地减少气体和气蚀影响。通过42口井的实施对比，平均单井日增液4 t，日增油0.7t，累计增液8480t，累计增油482t，系统效率提高4.4%。

2.3 地面节能管理技术

2.3.1 定期保养润滑，减少地面磨损[3]

地面部分的能量损失除电动机外，还有三角带、减速箱、抽油机的连杆机构。因此，电动机变速箱、皮带轮、光杆应及时保养、更换、扶正，并加强对抽油机运行时的润滑，减少连杆机构的磨损，以免造成不必要的传递能量损失，降低传动效率。

2.3.2 搞好抽油机的平衡

抽油机运行不平衡会造成电流、功率因数波动太大，少量电机出现负功现象，而且平均运行电流升高8.0%左右，造成不必要的耗电；因此，要保证抽油机的平衡度要求，抽油机工作时平衡度应调整在85%~120%。

2.3.3 低效电动机强制检修

由于电动机长期运行和特殊的使用环境（如机械磨损、三相电压不平衡运行），造成电动机转子与定子间空隙度增大，磁阻增大，漏磁严重，使电动机运行效率降低，损耗增加，并且在现场应用中不容易被发现。为此，在工作中，加强对抽油机井调参跟踪测试，对能耗高、效率低的井及时更换电动机、变速箱，调平衡及工作参数。

2.4 机采提液管理技术

油井生产是一个相对不稳定的过程，随着地下能量的变化，油井供液能力将发生变化，因此抽油参数只有和油井供液能力相匹配，才能更多地采出液量和油量。为此，通过应用优化设计软件、宏观控制图、功图诊断及自动检测技术，实时跟踪并调整设计，相继通过泵升级、泵加深、下大泵、严防非正常漏失等机采提液管理技术，保持合理的沉没度，使油层供液能力和抽汲参数相协调，变间隙出油为连续出油，系统效率得到了大大提高。从实施的85口油井生产情况来看，平均单井日增液12.9t，日增油2.7t，累计增液126857t，累计增油13216t；平均单井泵效由46.7%提高到50.6%，泵效提高3.9%，系统效率提高2.3%。

总之,通过抽油机拖动节能装置、抽油泵革新、地面节能及机采提液管理等配套技术，抽油机井平均机采系统效率提高了3.89%，年节电23.14×105k W h，累计增油18363t。但影响抽油机系统效率的因素及环节较多，提高抽油机井系统效率涉及面广，它除了与抽油设备及抽汲参数有关外，还受井况和油井管理水平的影响，需要做大量的现场测试与研究工作。另外，抽油机系统各部分的耗能又存在一定差异，所以在实际生产中应根据油井不同情况确定提高其系统效率的具体措施。

[1]崔振华,余国安,安锦高,等.有杆抽油系统［M］.北京:石油工业出版社,1994:453-477.

[2]陈建东.抽油机系统耗能分析[J].石油知识,1994(5):22-25.

[3]牛烁,卢素萍,张瑞英.机采系统效率研究[M]//徐树汉.濮城油田高含水期开发技术文集.北京:石油工业出版社,2002:338-345.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.04.006

杨建华，1987年毕业于重庆石油学校，工程师，从事采油技术管理工作，E-mail：Yangyang8058@sina.com，地址：河南省范县采油二厂工艺研究所，457532。

2012-01-05）