抽油机井系统效率最大化的节点管理方法

张成武（大庆油田有限责任公司第三采油厂）

1 节点管理法的产生背景

1）抽油机井节能在能耗成本中占举足轻重的地位。目前，某采油厂共有抽油机井2614口，每年耗电2.2×108kWh，电费1.4亿元，占能耗成本的19.24%。

2)抽油机井节能还有较大潜力。据统计，2016年某采油厂抽油机井系统效率高出大庆油田抽油机井系统效率平均值4.09%。但从某采油厂1513口调查井数据显示，选取系统效率为30%和50%的界限进行分级统计，系统效率在两者之间的井有593口，占39.19%，比例较大；系统效率低于30%的井有747口，占49.37%，是开展节能工作的重点。如果系统效率提高1个百分点，可实现单井年节电0.27×104kWh，年节约电费0.17万元。

3）抽油机井节能具有良好的内外部条件。节能管理水平尽管不断提高，但在系统性和精细化上还有很多需要改善。近年来，节能技术和产品层出不穷，抽油机自动平衡改造、混磁电动机、智能伺服控制等技术逐步成熟，效果好，具备规模推广的价值，目前还有23%井适合应用这些节能技术进行改造。同时，在用的还有提升空间，还可以结合外部节能管理的实践，通过进一步细化、创新，加以借鉴应用，会起到非常好的效果[1]。

2 节点管理法的概述

常规游梁式抽油机井影响效率的能耗节点分为地下、地上两大部分。其中：地面部分耗能节点有电动机、皮带、四连杆、减速箱、盘根；地下部分耗能节点有抽油泵、抽油杆、井下管柱。各节点能耗损失占整体的比例：电动机损耗约占30%，皮带损耗约占5%，四连杆机构损耗约占5%，减速箱损耗约占10%，盘根损耗约占5%；抽油泵损耗占15%，抽油杆损耗约占20%，井下管柱损耗占10%。

借鉴系统工程理论，吸收节点管理方法，以深化点对点的过程控制为主线，以追求抽油机井系统效率最大化为目标，对影响抽油机井能耗效率的盘根、皮带、电动机、四连杆、抽油机、杆、泵等关键要素节点，进行针对性分析研究和改进加强；并通过优化工作制度、应用节能技术产品，尤其是完善各节点节能管理标准、节能操作方法、节能工作制度和节能考核手段，实现以基层管理带动整个系统优化，实现节能效果、效益最大化。

3 节点管理成果的主要做法

3.1 精细研究各节点最佳操作法，率先形成节能操作标准

遵循优化调整、提高效率原则，先后进行了“抽油机井盘根松紧度、皮带松紧度、平衡率与能耗关系试验”，避免以往采油工现场操作“依经验、凭手感”调节等情况。总结出不同盘根松紧度、皮带松紧度、平衡率与能耗变化规律，找到最合理的调整实施界限，指导现场实际操作，达到节能降耗的目的，使各节点达到最节能运行状态。

3.1.1 盘根松紧度最佳操作法

现场试验选取泵况正常、盘根完好的抽油机井。以L7-3122井为例，利用扭矩扳手调节盘根松紧度，应用CDY-CA型抽油机井电动机多参数数显测试仪具体量化成扭矩值的方法进行现场试验。为了找到最佳节能操作合理区，直观地研究和分析盘根松紧度对能耗影响的变化规律，以抽油机盘根最松状态（盘根发出轻微刺刺声响，但是不跑油）为起点，逐渐拧紧盘根。在盘根最松拧到最紧（光杆发烫，用手转不动盘根）过程中，每转相同0.5圈数为1个测试点，选取6个点进行测量，记录这些点的有功功率（每点测试时间不得小于3min），测得能耗变化曲线（图1）。

图1 L7-3122井不同盘根松紧下能耗变化曲线

通过反复试验得出：从节能角度出发，盘根调整到不漏油最松状态下最节能；但从环保和管理角度出发，最松状态下抽油机运转过程中由于盘根损耗，短时间内会出现漏油情况，不利于环保，而且不易管理，过多增加现场工人劳动。为此，确定盘根松紧度的节能操作标准为：盘根盒应不刺不漏，光杆不发热；盘根调整至不漏油最松状态下紧1～1.5圈（30～50N·m）左右，此时抽油机理论上达到最佳节电和管理效果。仅做好此项工作，抽油机井单井日节电4.2kWh。

3.1.2 皮带松紧度最佳操作法

现场试验选取泵况正常、皮带完好的抽油机井。以L6-3516井为例，利用皮带涨紧装置调节皮带松紧度，应用CDY-CA型抽油机井电动机多参数数显测试仪具体量化成力量大小的方法进行现场试验。以抽油机井电动机皮带最松状态（不打滑、皮带抽打状态）为起点，逐渐上紧皮带，每隔4mm确定1个测试点，根据数据变化分析皮带松紧度对抽油机井能耗影响，测得能耗变化曲线（图2）。

图2 L6-3516井不同皮带松紧度下能耗变化曲线

通过反复试验得出：由于传动过程中滑动摩擦损失的存在，皮带从最松到最紧，有功功率先下降到最低后逐步上升。本着耗电量最低的原则，确定皮带松紧度的节能操作标准为：电动机皮带轮与减速箱皮带轮四点成一线；在安装抽油机紧带装置的前提下，以抽油机井皮带不打滑为最松点，调整电动机移动距离，使皮带适当绷紧，根据井的实际情况，最佳能耗紧皮带力为15～20N。仅做好此项工作，抽油机井单井日节电3.3kWh[2]。

3.1.3 四连杆平衡率最佳操作法

现场试验选取泵况正常的抽油机井。以L6-3466井为例，应用CDY-CA型抽油机井电动机多参数数显测试仪，现场测试抽油机井在不同平衡率工作状态下的能耗值，由工作能耗值确定抽油机井最佳能耗平衡率。试验平衡率为70%～120%，试验点波动为5%～10%，调整后运行30min录取数据（图3）。

图3 L6-3466井不同平衡率下能耗变化曲线

通过反复试验得出：抽油机井平衡率在90%～100%之间能耗最低，80%以下、110%以上能耗高。因此，平衡率的节能操作标准确定为平衡率控制在90%～100%之间，以100%为最佳。

通过推行这一标准，全厂抽油机平衡率提高1.9个百分点，单井日节电4.4kWh。

表1 抽油机井能耗节点控制标准

此外，还深入研究了与这七个节点相关联的一些技术，如套压、沉没度等标准，并最终形成一套抽油机井系统效率能耗节点控制标准，汇编成《某采油厂生产运行系统能耗节点工作手册》，这在大庆油田具有先导性意义。同时，对大庆企业标准Q/SYDQ0804—2002《采油岗位技能操作程序及要求》进行了修订、完善，为实施节能精细管理、强化节能考核提供了明确的工作依据（表1）。

3.2 调整优化抽油机井工作制度，因地制宜完善节能管理方法

3.2.1 优化电动机工作制度，按照“一换三“的思路提效

某采油厂的特点是油层好、产量高、初期装机功率大，随着产液及工况的不断变化，产量递减加速，使原设计装配的电动机功率与实际所需功率偏差较大，功率过剩造成的能耗损失越来越大，只要改变原有的工作思路，在能力匹配上追求更加细化，就会挖掘很大潜力[3]。

调查全厂1513口抽油机井不同型号电动机功率使用情况，平均功率利用率主要集中在25%以下，其中占全厂49%的普通异步电动机（45kW、55kW、75kW）平均功率利用率仅为18.98%，问题更为突出。

以合理装机功率、节能降耗的指导原则，依据现场能耗测试数据，针对功率利用率低于20%的抽油机井，采取“一换三”，即用“永磁电动机→普通45kW→普通55kW→普通75kW”电动机进行逐级替换，实现回收期缩短为原来的三分之一。

同时兼顾长期有效保持电动机匹配效果，针对电动机合理匹配井实行“能耗长期跟踪监测，结合生产定期二次调整”。2014年，共完成抽油机井电动机匹配60井次，实施后系统效率提高了7.31个百分点，单井日节电13.5kWh，年累计节电29.6×104kWh。

以1台节能电动机逐级匹配3口井作为1个匹配单元，说明节能效果。L6-1302井使用22kW节能电动机替换45kW普通电动机，日节电56.88 kWh；L6-1601井使用调下的45kW普通电动机替换55kW普通电动机，日节电19.44kWh；L6-133井使用调下的55kW普通电动机替换75kW普通电动机，日节电32.64kWh。1个匹配单元平均日节电36.24kWh，节能效果非常显著（表2）。

表2 一个匹配单元试验效果统计

3.2.2 优化平衡工作制度，探索创新自动平衡改造

对于传统平衡，在曲柄或游梁尾部加装平衡重。在悬点下冲程时，平衡重从低处抬到高处，从而增加了平衡重的位能。在悬点上冲程时，平衡重由高处下落，把下冲程时储存的位能释放出来，帮助电动机去提升抽油杆柱和液柱，从而减少了电动机在上冲程和下冲程时给出的能量。然而现场试验证明，这增加了抽油机的峰值扭矩。

第一次改良，实施下偏杠铃改造。在游梁尾端加装1套下偏杠铃装置，利用下偏杠铃来实现平衡，并削减了抽油机峰值扭矩；同时，可以根据井况合理匹配下偏杠铃的位置和质量，继承了传统平衡的全部优点，平衡效果好，性能可靠。但下偏杠铃式平衡是静态平衡，杠铃位置固定后相对游梁是不动的，导致其力臂变化有限，不便于配重的调节。现场进行20口井改造，改造后单井日节电24.5kWh，年节电17.6×104kWh。

第二次突破，把静态平衡突破为动态平衡，实施钟摆式自动平衡改造。在游梁尾部增设了“钟摆式自动平衡跟踪装置”。当驴头上行时，“跟踪装置”控制系统给制动电动机发出信号，经减速器把配重块向后向上旋转，实现与抽油杆杆重加液柱重平衡。当驴头下行时，配重块向前向下旋转，实现抽油杆杆重平衡，致使抽油机的上、下运动始终处在平衡的轻载荷下运行，达到高效节能目的。现场进行30口井改造，改造后单井日节电26.9kWh，年节电 29.1×104kWh[4]。

以L5-2411井为例，在前期理论分析基础上，开展自动平衡跟踪装置改造试验。现场保证产液和液面基本不变的情况下，分别测试自动平衡跟踪装置摆锤摆到30°、60°、140°（和游梁夹角）时的三种情况来反映试验效果（表3）。

表3 L5-2411井试验测试结果

最佳摆锤角度选取：L5-2411井自动平衡改造后，摆锤在不同角度节能效果都比较明显。随着摆动角度的不断增加，产液量、含水率基本不变，日耗电量逐渐降低。最大角度140°时日耗电量降低了26.88kWh，系统效率提高了15.5%，节能效果最好。

3.2.3 优化整体参数工作制度，统筹提升系统效率

为了有效控制和管理好各矿、队、区块的抽油机井整体状况，提高系统效率，某采油厂研究出系统效率宏观控制图版，以此为工具对每口抽油机井逐一评估，进行参数优化，确定最佳的参数运行工作制度。

选取油田某一区块所有抽油机井单井生产参数数据，录入系统效率宏观控制图版软件，在图版上绘出该区块抽油机井系统效率与沉没度关系的散点图，根据每口井的分布情况，进一步确定调整措施方案。对于参数偏小区，可采取调大参措施降低沉没度；对于可优化调整区，采取措施排除井下故障，通过恢复油井正常生产并优化整体参数来提高系统效率；对于参数偏大区，通过合理调小参恢复油井产能或采取压裂、解堵、补孔等措施改造油层。通过针对性地采取优化措施可使问题井进入工况合理区。

通过建立油井系统效率宏观控制图版，可及时掌握抽油机井系统效率的整体状况；对低系统效率的问题井，提出节能生产的参数优化方案，为生产管理和决策提供依据；对矿、队或区块的油井进行宏观的控制与管理，最终实现节能降耗和提高系统效率的目的。

2016年，应用宏观控制图版对北东块一区进行能耗分区治理，对参数偏大、偏小区和可优化区的井结合检泵调整进行整体参数优化，累计204口。调整后平均单井系统效率达到31.67%，单井日节电26kWh。

3.3 严格规范各节点节能过程管理，有效建立节能动力机制

以“科学分析、精细管理、技术挖潜、全员参与”为指导，组织厂节能管理委员会及相关技术人员，充分调研将9项采油系统耗能指标层层分解，采取分级管理，把指标落实到岗位，压力传递到基层。其中：一级指标（百米吨液单耗、系统效率）由厂主管领导及工程技术大队相关工作人员分管；二级指标（泵效、功率因数、平衡率、盘根松紧度、皮带松紧度、冲程利用率、沉没度）由基层队相关人员分管[5]。

各级指标依据《季度工作考核评分细则》，分别从设备管理、电器管理、井口管理、经济技术指标、抽油机井系统效率、能耗测试率等进行监督考核，采取计分制，列入季度绩效考核奖金分配，确保各能耗节点处于最优运行状态。通过应用耗能指标监控技术，对二级指标进行实时监控，提高工作效率，提升节能管理水平，优化节点控制环节，减少员工劳动强度，提高节能监管水平。

为了保证节能监督工作的规范运行，针对“五项”，即定额、计量、标准、统计、宣传培训的管理，“四个环节”，即统计、计量、监测、考核的环节，建立健全工作制度，使节能所涉及各项工作都能够有章可循、有据可依。

4 结论

2016年开展抽油机井能耗节点分析，加强设备现场技术管理，以设备的可靠运行保证生产的稳定、高质量运行，提高转换率，提高设备完好率，累计实施管理措施7414井次，年节电735.8×104kWh，节约电费约470万元，系统效率提高了0.03个百分点；同时，系统效率低于30%的井比例下降7.65%，呈现较好的发展趋势[6]。