趙玉波（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

抽油機(jī)井提高系統(tǒng)效率方法探討

趙玉波（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

有桿抽油系統(tǒng)效率的高低，對(duì)能耗影響較大，獲得較高的系統(tǒng)效率可起到節(jié)約能量提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。通過對(duì)抽油設(shè)備、抽汲參數(shù)及技術(shù)管理等影響抽油機(jī)井系統(tǒng)效率因素的分析，結(jié)合實(shí)際提出整改措施，從優(yōu)化抽油機(jī)井參數(shù)設(shè)計(jì)、優(yōu)化管桿組合、應(yīng)用低轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)及變頻調(diào)速裝置，以及進(jìn)行稀土永磁電動(dòng)機(jī)改造試驗(yàn)等方面進(jìn)行降低能耗、提高系統(tǒng)效率的試驗(yàn)，見到了較好的效果。在提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率方面總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)比較實(shí)用的方法，為節(jié)能降耗工作提供了一定的可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

抽油機(jī) 系統(tǒng)效率 技術(shù)管理

D O I:10.3969/j.i ssn.2095-1493.2011.05.016

應(yīng)用有桿抽油系統(tǒng)的目的是將地面的電能傳遞給井下液體，從而舉升井下液體。整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)，就是一個(gè)能量不斷傳遞和轉(zhuǎn)化的過程，在每一次傳遞時(shí)都將損失一定的能量。從地面供入系統(tǒng)的能量扣除系統(tǒng)的各種損失以后，就是系統(tǒng)所給液體的有效能量，將液體舉升至地面的有效做功能量與系統(tǒng)輸入能量之比即為抽油機(jī)系統(tǒng)效率[1]。公式表達(dá)如下：

式中：

η——抽油機(jī)系統(tǒng)效率，%；

P水——抽油機(jī)有效功率，kW；

P入——抽油機(jī)輸入功率，kW。

由于能量在轉(zhuǎn)換和傳遞過程中總會(huì)發(fā)生不可避免的損失，在此過程中如果損失的能量小，則可獲得較高的輸出能量（有效功率P水），系統(tǒng)效率就會(huì)越高，反之，系統(tǒng)效率越低。要提高抽油機(jī)系統(tǒng)效率，就要努力減少抽油系統(tǒng)各部分的功率損失。

系統(tǒng)效率與油井本身?xiàng)l件密切相關(guān)，在油井條件一定的情況下，主要影響因素也是一定的。

1 系統(tǒng)效率影響因素分析

1.1 抽油設(shè)備對(duì)系統(tǒng)效率的影響

1.1.1 電動(dòng)機(jī)部分功率損失

理論研究表明[2]，抽油機(jī)工作時(shí)，當(dāng)其工作負(fù)荷在60%～100%PN范圍內(nèi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)損耗約為10%；當(dāng)負(fù)荷變化極大（特別是當(dāng)抽油機(jī)平衡不良時(shí)，其電動(dòng)機(jī)輸出功率可能在-20%PN至120%PN的范圍內(nèi)變化）時(shí)，電動(dòng)機(jī)損耗可高達(dá)30%～40%。為降低電動(dòng)機(jī)的損耗，應(yīng)盡量使電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的平均功率達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定功率PN的35%以上。

1.1.2 皮帶傳動(dòng)部分功率損失

主要是磨擦損失，一般為2%左右。實(shí)驗(yàn)表明，在我國(guó)現(xiàn)有技術(shù)條件下聯(lián)組窄V帶是值得推薦使用的傳動(dòng)帶。

1.1.3 減速箱部分功率損失

主要是傳動(dòng)過程中的磨擦損失。減速箱中有3副軸承，一般為滾動(dòng)軸承，傳動(dòng)磨擦損失約為3%；另外，減速箱中還有3對(duì)人字齒輪，齒輪傳動(dòng)時(shí)相嚙合的齒面間有相對(duì)滑動(dòng)，磨擦損失約為3%；如果減速箱潤(rùn)滑不良，損失還會(huì)增大，效率將下降。要提高這部分效率需要保持良好的潤(rùn)滑狀態(tài)。

1.1.4 四連桿部分功率損失

主要是磨擦損失及驢頭鋼絲繩變形損失，一般約為5%；如果潤(rùn)滑不好，損失還會(huì)增大，效率將下降。

另外，還有抽油桿功率、抽油泵功率及管柱功率的損失。

1.2 抽汲參數(shù)對(duì)系統(tǒng)效率的影響

研究與試驗(yàn)表明，抽汲參數(shù)（沖速n、沖程S、泵徑D、下泵深度L以及抽油桿尺寸）對(duì)抽油系統(tǒng)效率（特別是井下效率）影響較大。抽汲參數(shù)匹配的好與差，系統(tǒng)效率相差近10%。無論哪一種桿柱，隨著沖程長(zhǎng)度的增加、沖速下降，其能耗也下降；較大的泵徑配以合理的沖程、沖速，也可使其能耗下降，系統(tǒng)效率提高（圖1）。

1.3 技術(shù)管理對(duì)系統(tǒng)效率的影響

國(guó)內(nèi)外的研究表明，技術(shù)管理工作對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)效率影響較大，從式（1）得知，在輸入功率一定時(shí)，如獲得較高的有功功率P水即可獲得較高的系統(tǒng)效率，而

式中：

α——深井泵排量系數(shù)，%；

H——有效揚(yáng)程，m;

Q理——深井泵理論排量，m3/s；

ρ——液體密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2。

從公式（2）可以看出，抽汲參數(shù)一定時(shí)，有效功率受有效揚(yáng)程與深井泵排量系數(shù)的影響，深井泵排量系數(shù)一般與泵型有關(guān)，而有效揚(yáng)程與日常技術(shù)管理密切相關(guān)。

從水力模型試驗(yàn)可得，一般隨有效揚(yáng)程的增加，系統(tǒng)效率增加，但二者之間并非線性關(guān)系；隨著有效揚(yáng)程的增加，系統(tǒng)效率增加的趨勢(shì)逐漸變緩，直到達(dá)到最大。因?yàn)楫?dāng)下泵深度一定時(shí)，隨有效揚(yáng)程的增加，抽油井沉沒度逐漸變小，導(dǎo)致抽油泵的排量系數(shù)下降，使抽油泵產(chǎn)量減小，進(jìn)而影響系統(tǒng)效率的提高；所以，有效揚(yáng)程并非越高越好，這就要求必須確定一個(gè)合理的舉升高度，采取相應(yīng)的措施，使系統(tǒng)效率達(dá)到較高水平。

不論是節(jié)約能量還是提高經(jīng)濟(jì)效益，都要求有桿抽油系統(tǒng)有較高的系統(tǒng)效率。從測(cè)得數(shù)據(jù)看，2009年作業(yè)區(qū)抽油機(jī)系統(tǒng)效率只有31.07%，系統(tǒng)效率偏低，還有很大潛力可以挖掘；若能將系統(tǒng)效率提高1個(gè)百分點(diǎn)，年可節(jié)約電量80.6×104kW·h，可獲得經(jīng)濟(jì)效益47.89×104元。

2 剖析原因，綜合治理，提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率[3]

通過以上影響因素分析，有針對(duì)性地采取措施提高系統(tǒng)效率，見到了一定效果。

2.1 適時(shí)調(diào)參，優(yōu)化參數(shù)

根據(jù)油井的動(dòng)態(tài)變化情況，確定合理舉升高度。以合理流壓為依據(jù)，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，適時(shí)調(diào)參，共進(jìn)行參數(shù)調(diào)整25口井，可對(duì)比22口井（調(diào)大參數(shù)5口井，調(diào)小參數(shù)17口井，其中調(diào)小沖程4口井，調(diào)小沖速13口井），平均單井日產(chǎn)液由8.8 t增加至9.1 t，日產(chǎn)油由3.0 t穩(wěn)定在3.0 t，日耗電由183 kW·h下降至160 kW·h，下降了23 kW·h，平均單井系統(tǒng)效率從調(diào)前的16.4%上升到18.7%，上升了2.3個(gè)百分點(diǎn)；其中調(diào)大參數(shù)5口井，平均單井日產(chǎn)液由14.3 t增加至15.5 t，日產(chǎn)油4.3 t穩(wěn)定在4.4 t,日耗電由178 kW·h增加至218 kW·h，增加了40 kW·h，平均單井系統(tǒng)效率從調(diào)前的17.3%上升到19.6%，上升了2.3個(gè)百分點(diǎn)；調(diào)小參數(shù)17口井，平均單井日產(chǎn)液由7.1 t穩(wěn)定在7.3 t，日產(chǎn)油2.7 t穩(wěn)定在2.6 t,日耗電由184 kW·h下降至143 kW·h，下降了41 kW·h，平均單井系統(tǒng)效率從調(diào)前的14.7%上升到17.5%，上升了2.8個(gè)百分點(diǎn)。

2.2 應(yīng)用低轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)及變頻調(diào)速裝置，降低能耗，提高效率

2010年3月，在供液能力低、間抽生產(chǎn)的3口井上安裝了低轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)。應(yīng)用前后對(duì)比，平均單井沖速由5 min-1下調(diào)至2.1 min-1，3口井均由間抽生產(chǎn)轉(zhuǎn)為連續(xù)生產(chǎn)，平均單井日產(chǎn)液由0.53 t增加到1.57 t，增加了1.04 t，日產(chǎn)油由0.52 t增加到1.53 t，增加了1.01 t，日耗電由104 kW·h下降到50 kW·h，下降了54 kW·h，系統(tǒng)效率由2.2%提高到11.6%，提高了9.4個(gè)百分點(diǎn)。截至目前已累計(jì)節(jié)電2.6308×104kW·h。

2010年3月，在2口井上安裝了變頻裝置，應(yīng)用前后對(duì)比，油井生產(chǎn)參數(shù)合理，產(chǎn)量增加，能耗降低，系統(tǒng)效率效果明顯。平均單井日產(chǎn)液由1.6 t增加到2.2 t，增加了0.6 t，日產(chǎn)油由1.6 t增加到1.9 t，增加了0.3 t，日耗電由103 kW·h下降到44 kW·h，下降了59 kW·h，系統(tǒng)效率由6.1%提高到18.9%，提高了12.8個(gè)百分點(diǎn)。截至目前已累計(jì)節(jié)電1.9277×104kW·h。

2.3 引用EMCO節(jié)能模式，進(jìn)行稀土永磁電動(dòng)機(jī)改造試驗(yàn)

試驗(yàn)采取滾動(dòng)方式運(yùn)行，第一批改造電動(dòng)機(jī)于2010年9月2日安裝運(yùn)行，目前已見到較好的節(jié)能降耗效果。

14口井平均原裝機(jī)功率25.3 kW，目前29.3 kW；原正常生產(chǎn)大小載荷55/24 kN，目前53/25 kN；原正常生產(chǎn)上下電流29/25 A，目前21/16 A。平均單井日產(chǎn)液由11.1 t穩(wěn)定在11.3 t，日產(chǎn)油由1.7 t穩(wěn)定在1.7 t，平均單井日耗電由179 kW·h下降至122 kW·h，下降了57 kW·h，系統(tǒng)效率由19.3%提高至22.3%，提高了3個(gè)百分點(diǎn)。

2.4 優(yōu)化抽汲參數(shù)設(shè)計(jì)，提高效率

根據(jù)油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)情況，結(jié)合油井施工作業(yè)對(duì)11口井進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)（換泵及優(yōu)化管桿組合）。

對(duì)流壓偏高的7口井換大泵，可對(duì)比3口井。平均單井日產(chǎn)液由13.0 t增加至15.7 t，日產(chǎn)油由3.2 t上升到3.6 t,日耗電由151 kW·h增加到197 kW·h，系統(tǒng)效率由16.3%提高到20.2%，提高了3.9個(gè)百分點(diǎn)。

對(duì)流壓偏低的4口井換小泵，可對(duì)比2口井。平均單井日產(chǎn)液由8.8 t下降到6.1 t，日產(chǎn)油2.4 t下降到1.9 t,日耗電由287 kW·h減少到215 kW·h，系統(tǒng)效率由6.1%提高到6.4%，提高了0.3個(gè)百分點(diǎn)。

3 結(jié)論及幾點(diǎn)建議

（1）提高系統(tǒng)效率是一項(xiàng)長(zhǎng)期、基礎(chǔ)、綜合的工作，提高系統(tǒng)效率對(duì)節(jié)約能耗和提高經(jīng)濟(jì)效益有很大好處。

（2）從以上分析可以看出，提高系統(tǒng)效率的主要工作是加強(qiáng)管理（技術(shù)管理、生產(chǎn)管理）。技術(shù)管理包括機(jī)桿泵的選擇、地面抽汲參數(shù)的調(diào)整、檢泵作業(yè)、調(diào)平衡及各種節(jié)能設(shè)施的應(yīng)用；各項(xiàng)生產(chǎn)管理工作的好壞直接影響系統(tǒng)效率的高低，為此，要加強(qiáng)基礎(chǔ)的管理工作，從一點(diǎn)一滴做起，努力提高管理水平及系統(tǒng)效率。

（3）從目前測(cè)得系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)看，所測(cè)得297口井中有120口井系統(tǒng)效率低于10%，系統(tǒng)效率偏低：①參數(shù)匹配不合理，“大馬拉小車”現(xiàn)象比較嚴(yán)重，這部分井均為10型抽油機(jī)，而油井產(chǎn)液量均較低，日產(chǎn)液小于5 t井98口，日產(chǎn)液5～10 t井13口，日產(chǎn)液大于10 t井僅9口；另外，就電動(dòng)機(jī)而言，也存在此現(xiàn)象，120口井中有84口井的負(fù)載率低于60%，使電動(dòng)機(jī)處于輕載運(yùn)行，這時(shí)電動(dòng)機(jī)部分的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10%，對(duì)提高系統(tǒng)效率極為不利，建議對(duì)這部分井有條件換上功率小一級(jí)的電動(dòng)機(jī)；②5口井泵況不好，舉升高度小，導(dǎo)致系統(tǒng)效率低，目前已作業(yè)處理；③部分井因供液能力增加，原抽汲參數(shù)偏小，舉升高度變小，導(dǎo)致系統(tǒng)效率低，建議這部分井隨作業(yè)更換大泵。

（4）目前對(duì)系統(tǒng)效率的測(cè)試計(jì)算籠統(tǒng)，未將地面、井下效率分解，至使整改工作針對(duì)性不強(qiáng)，建議下步計(jì)算時(shí)采用式（3）：

式中：

η——抽油機(jī)系統(tǒng)效率，%；

P光——抽油機(jī)光桿效率，%；

η井下——抽油機(jī)井下效率，%；

η地面——抽油機(jī)井下效率，%。

P光可由金時(shí)測(cè)試系統(tǒng)求得，分別計(jì)算出井下效率及地面效率，了解到各部分效率情況，有針對(duì)性地進(jìn)行整改。對(duì)地面效率低的加強(qiáng)日常管理工作，對(duì)井下效率低的可加強(qiáng)技術(shù)管理工作，達(dá)到提高效率的目的。

[1]胡博仲.有桿泵井的參數(shù)優(yōu)選和診斷技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1999.

[2]王洪勛.采油工藝原理[M].北京：石油工業(yè)出版社，1989.

[3]夏艷鐸.油田電力系統(tǒng)效率分析及節(jié)電技術(shù)研究應(yīng)用[C]//中國(guó)石油股份公司油氣田節(jié)能技術(shù)交流文集.2006.

趙玉波，2005年畢業(yè)于東北電力大學(xué)，助理工程師，從事電力管理工作，E-mail：tianyonghai@petrochina.com.cn，地址：大慶市第一采油廠第七油礦生產(chǎn)辦，163001。

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