提高机采系统效率研究与应用

贾永生

摘 要：针对抽油机井机采系统效率低、单井年耗电量高的问题，广泛收集统计了抽油机井系统效率数据，分析影响抽油机井系统效率的因素，并提出了提高机采系统效率的方法，达到了提高机采系统效率、节电降耗，降低生产成本的目的。

关键词：抽油机；系统效率；举升工艺；功率；冲程；冲次；泵挂深度；

文章编号：1674-3520（2015）-06-00-02

一、引言

第六采油厂采注三队2014年共开采油井135口，其中抽油机井开井93口，占开井总数的68.9%，其产量占80.4%，所以抽油机举升工艺在我队占有举足轻重的地位。因此应用各种技术提高机采系统效率对节能降耗、降低生产成本对我厂可持续发展有着重要意义。

二、机采系统效率的影响因素

根据抽油机的工作特点，油井本身条件对机采系统效率有以下几种影响因素：

（一）地面损失功率：地面抽油机和电机所损耗的功率称为地面损失功率。

（二）粘滞损失功率：即原油在井筒中向上举升过程中，由于油井原油粘度引起的抽油杆与原油之间、油管和原油之间磨擦而引起的电功率损失。

（三）滑动损失功率：即因井斜等原因引起的抽油杆和油管之间产生磨擦，而引起的能量损耗。

（四）溶解气膨胀功率：即当井底压力或油气混合物压力低于原油的饱和压力时，原油中的溶解气析出对原油有一个向上举升的作用，其作用实际上是增加了系统的能量。

（五）有效功率：真正用于举升原油的功率。

由此可见，有杆抽油系统的效率与油井本身的条件有密切关系。在油井条件一定的情况下，则主要有以下三种因素的影响：

1、技术装备：采用较先进的、节能型的技术装备对于提高系统效率是必须的。如节能抽油机、适应抽油机工况的拖动装置、降低抽油杆摩擦的技术和高效抽油泵等。

2、机、杆、泵的设计：抽汲参数（S、n、D），特别是冲次（n）对有杆抽油系统效率有明显影响，要想提高其运行效率，必须对抽汲参数进行优选。

3、管理工作：管理工作水平，例如抽油机的平衡度、驴头与井口的对中情况、传动皮带的张紧程度等等都会影响有杆泵抽油系统效率。

从以上可以看出系统效率不仅反映了机采井的节能与经济效益，而且也综合地反映了油田的技术装置、技术管理水平。

三、机采系统效率存在的主要问题

（一）技术装备水平有待进一步提高

1、存在“大马拉小车”的现象，导致电机效率低，系统效率低。所谓“大马拉小车”，就是指抽油机所配电机的额定功率大，而抽油机负载量小，造成电机的负载率低，而电机负载率的大小直接关系到系统效率的高低。电机的负载率及其特性曲线见图1。当电机负载率为40～50%时为正常工作，负载率大于50%时为过载，而负载率不足40%时，电机效率随负载率的下降很快，进而影响了地面效率和系统效率。

通过对测试井电参数的分析，目前我队电机的平均负载率为27.7%，负载率在正常区域（25-35%）的仅占21.4%，在过载区域（>45%）的占9.5%，在低效率区域（<15%）的占69.1%，电动机容量没有被充分利用，造成电机功率因数低、效率低。分析“大马拉小车”这一现象，首先，选择电机功率考虑了电机发热、过载能力和启动能力三个因素，对抽油机来讲，按抽油机平均负荷考虑电机发热确定的电动机，启动能力不能满足抽油机启动的要求，选用普通电机就要增大电机容量以增大启动能力，这是“大马拉小车”的主要原因。其次，为防止井下异常工况如砂蜡卡等造成停抽，修井后油井负荷一般大幅增加而尽量不更换电机等。因此，抽油机的负荷特点决定了选用普通异步电机不可避免地形成了“大马拉小车”现象，从电机选配上看其具有一定的合理性，这一现象不可能完全根除，但我们可以通过采取措施来改善这一状况。

对于抽油机的电动机，节能的关键是提高其负载率。目前为了提高电动机的负载率和功率因数，已安装应用了超高转差率电机、变频调速电机、双功率电机、永磁同步电机等节能拖动装置。

2、在用抽油机新度系数低、能耗大。在用的新型抽油机均为新井投产时投入使用的设备，抽油机新度系数低，由于抽油机服役年限长，机械性能变差，运行部件不灵活或磨损，抽油机地面传动系统的效率损失增大，进而降低地面效率和整体系统效率。我队使用年限在15年以上的老型抽油机占20.4%，节能型抽油设备占抽油机总数的70.3%，也存在一定的节能挖潛空间。

（二）抽汲参数有待进一步优化设计

抽汲参数对有杆抽油效率影响较大。在油井产量要求一定的情况下，不同抽汲参数，抽油机的系统效率可相差5个百分点以上。

1、冲程：冲程的增减与理论排量的增减成正比关系，亦与杆柱惯性力增减成正比关系，但冲程对悬点载荷和交变载荷的影响相对最小，另外冲程长则冲程损失变小。综合这两个因素，应用长冲程成为一种趋向，因此应首先考虑使用抽油机具有的最大冲程。

2、冲次：杆柱惯性力的增值与冲次的平方成正比，冲次对悬点载荷的影响比冲程的影响大很多，同时当冲次高到某一程度时对扭矩的影响也会超过冲程，所以冲次不宜过高。尤其对于稠油井，由于大多数产量较低，如选择较小泵径的抽油泵，则易造成杆柱下行滞后、凡尔球下落滞后等不利因素，因此应相对放大泵径、缩小冲次；同时对于供液不足井也应适当降低冲次。目前为了满足生产需要，在抽油机所配备的最低冲次档次基础上应用各种方法再降低冲次。同时随着冲次的降低，对延长抽油杆柱寿命具有积极的作用。

3、泵径：在满足油井产量的情况下，较大抽油泵径配以合理的冲程、冲次，可以使能耗最低，即系统效率最高。其原因是大直径泵可以在较低抽汲速度下得到所要求的产液量，从而使水力损失和摩擦损失减小，因此可得到较高的系统效率。但是大直径抽油泵的使用，往往要受到套管尺寸、油管尺寸以及抽油杆强度的限制，因此存在一个经济合理范围问题。

在同等产液量，杆柱等级、管径基本保持不变的前提下，应用提高系统效率优化设计软件对抽汲参数进行优化预测结果显示，平均单井输入功率可由8.447kW降低到5.02kW，平均单井年减少耗电（8.447-5.02）*24*350=28786kW.h，平均系统效率可提高到35%，提高11.1个百分点。尽管井下效率的挖掘潜力较大，但由于需综合考虑产量、电机改造费用、作业成本等多种因素，因此挖潜难度也大。

4、泵挂深度。目前我队仍有12口井沉没度大于500米，共具有提浅泵挂2000米的潜力。不合理的沉没度，也是造成系统效率低的一个重要因素。

（三）技术管理工作有待进一步加强

管理工作水平，例如抽油机的平衡度、驴头与井口的对中情况、传动皮带的张紧程度等等都会影响有杆泵抽油系统效率。尤其是游梁式抽油机的平衡率对抽油机井的系统效率影响较大，平衡差的油井能耗大，系统效率低，同时直接影响抽油机连杆机构、减速箱和电机的效率与寿命，对抽油杆的工作状况也影响很大。

目前在抽油机管理中，通常用于判断平衡与否的一个常规标准是平衡度，即抽油机上行最大电流与下行最大电流之比。平衡率与耗能的关系曲线见图2，从图中看出，平衡率在80%～100%时抽油机耗能最低，当平衡率达120%以上时，比80%时每小时多耗电0.25kw.h，平衡率低于70%时，比80%时每小时多耗电0.15kw.h。

由此可见，游梁式抽油机的平衡率对抽油机井的系统效率影响较大，平衡差的油井能耗大，系统效率低，同时直接影响抽油机连杆机构、减速箱和电机的效率与寿命，对抽油杆的工作状况也影响很大。

目前，因电流曲线易获取，现场主要采用电流法调平衡。但电流平衡不能保证抽油机一定平衡，电流不平衡也不能肯定抽油机不平衡，这从理论和现场都能得到了证实。

从理论上讲，由于电机与变压器不同，抽油机空载时的电流就达额定电流30～40%，在负载开始增加时，电流变化并不大，而是功率因数在变化，所以对于大马拉小车的抽油机就算是不平衡从电流上也看不出来。其次是电流分不出正负，发电与用电都产生电流，一些严重不平衡的井在发电时产生一个很大的电流峰，但从电流上看还相当平衡。所以说电流如果不平衡，抽油机肯定不平衡，电流平衡了抽油机也不一定平衡。因此，用电流法调平衡不一定合理。

在现场测试中，也验证了这种问题。对孔104-3井我们进行了测试，从电流曲线上来看，平衡率为27.6/30.9=89%，在抽油机平衡区域内（85%-115%）。但从功率法测试结果为68.5%，实际上抽油机并不平衡。因此想真正看出抽油机的平衡情况，只有查看电功率曲线。

四、提高机采系统效率主要工作及成果

（一）举升工艺的优化与调整

针对采注三队系统效率低的状况，在举升工艺设计中，应用 “大泵径、长冲程、低冲次”的优化设计思路，进行优化设计，合理优化工作参数，大大提高了系统效率。2014年我队共优化了15井次，累计提浅泵挂应用了抽油机530米，降低冲次20次，通过优化设计，平均单井系统效率可提高5%以上。由此可见，工艺参数是影响系统效率的主要因素之一。

同时，为了防止稠油井打架和减少注聚井偏磨现象，减少抽油杆柱的断脱事故和有利于柱塞下行及打开游动凡尔，提高经济效益，在抽油杆下部使用了一定数量的加重杆。使用后，有助于抽油杆的下行，有效地减缓了抽油杆的偏磨。

系统效率优化设计实施效果对比表

（二）节能型设备的推广应用

1、节能抽油机的应用：为提高机采系统效率，降低运行能耗，目前产能井应用的抽油机基本配套应用了节能型抽油机。2014年安装应用下偏杠铃式等新型节能抽油机12台次，达到了节能的目的。同时新机提高了油田在用抽油机的新度系数，可以降低维修保養费用，为下一步提高采油厂整体的举升工艺技术水平与经济效益奠定了基础。

节能抽油机试验测试电参数对比表

2、节能电机的应用：近年来，推广应用了各种节能电机，主要有双功率电机、永磁同步电机等都取得了较好的节能效率，尤其突出的是永磁同步电机，电机效率较其他电机高5-10个百分点。且具有以下优点：①起动力矩大，过载能力强，装机功率降低；②运行效率高，尤其是在低负载率下，稀土永磁电机效率远高于异步电机。

项目 启动转矩 与普通异步电机比节电率 负载率低于50%的效率 额定

效率

普通异步电机 1.8（倍） —— 30%-50% 80%

永磁同步电机 3.6（倍） 9.6%-27% >90% 94%

实践证明，同磁同步电机配套变频控制柜，节电率可达到78%。2014年共应用12口，累计节电7.5万KW·h。

3、中频控制柜的应用：针对稠油井由于原油粘度大，流动性差的问题，应用了电加热杆举升工艺，同时配套应用了ZPDY-1型中频电源控制柜，通过测试，安装后，节电率达到了30.2%。

（三）平衡度的调整

抽油机井平衡度是否合理直接影响着油井系统效率的高低，影响着设备能耗的高低。按照考核制度，坚持每月对采油班站抽油机平衡度进行抽检，对抽查中平衡度不合格的油井，限期进行整改，并纳入月度绩效考核，有效提高了采注三队的设备管理水平。2014年共调整抽油机平衡度120井次，抽油机平衡度合格率由89.3%达到了95.5%。通过以上几项工作的开展，系统效率从原来的23.6%提高到了目前的29.6%。

五、结论及建议

1、提高机采井系统效率是一项涉及面广、复杂程度较高的系统工程，只有高度重视、系统组织、整体联动，才能达到预期的效果。

2、树立长远效益观念和创新意识，节能装备与优化举升工艺设计并举是不断提高机采系统效率的有效途径。

3、在强化技术配套的同时，应进一步加强机采系统效率精细管理工作。

4、针对抽油机负荷时常变化的特点，细化抽油机电机调剂制度，使各井配备的电机更加合理，达到节能降耗的目的。

参考文献：

[1]万仁溥，采油工程手册，北京：石油工业出版社，2000：599。

[2]朱云杰 刘庆敏：抽油杆柱组合设计方法，中华人民共和国石油天然气行业标准。SY/T 5903—93，1-25。

[3]李颖川：抽油杆柱设计方法，西南石油学院学报：1993；75-79。