陳超（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

應(yīng)用多節(jié)點(diǎn)節(jié)能組合技術(shù)提高系統(tǒng)效率

陳超（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

針對(duì)影響抽油機(jī)系統(tǒng)效率的主要因素，開展了井下高效氣液分離、降低抽油桿運(yùn)動(dòng)阻力、電動(dòng)機(jī)能量補(bǔ)償和全周期平衡抽油機(jī)的技術(shù)研究。在抽油泵、抽油桿柱、抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)和減速箱上，采取了多節(jié)點(diǎn)節(jié)能組合技術(shù)，提高了抽油機(jī)系統(tǒng)效率，降低了舉升單耗。為“十二五”期間突破抽油機(jī)井應(yīng)用復(fù)合節(jié)能措施瓶頸，進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率提供了依據(jù)。

抽油機(jī)：多節(jié)點(diǎn)節(jié)能組合技術(shù)：系統(tǒng)效率

D O I:10.3969/j.i ssn.2095-1493.2011.04.010

1 問題的提出

“十一五”以來，隨著油田節(jié)能資金投入的增加，第一采油廠先后采取更換節(jié)能電動(dòng)機(jī)、采用節(jié)能抽油機(jī)、抽油機(jī)下偏杠鈴改造等措施，使該廠的抽油機(jī)井節(jié)能設(shè)備覆蓋率逐步提升，與2006年對(duì)比上升40.81個(gè)百分點(diǎn)，系統(tǒng)效率上升至29.41%。然而與注水效率（51.51%）和集輸效率（46.20%）相比，還需要進(jìn)一步提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率，降低能耗。

抽油機(jī)井系統(tǒng)效率偏低的影響因素主要包括：①氣體影響，降低柱塞泵的充滿程度；②結(jié)蠟增加了抽油桿和油管之間的摩擦阻力；③為保證抽油機(jī)順利啟動(dòng)，裝機(jī)功率大于實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)功率，降低了電動(dòng)機(jī)工作效率；④抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中減速箱扭矩呈不均衡波動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)工作效率低。

在抽油機(jī)—柱塞泵系統(tǒng)中，氣體是影響抽油泵充滿程度、泵效的主要原因之一。統(tǒng)計(jì)大慶長垣沉沒度150～400 m范圍內(nèi)正常生產(chǎn)的抽油機(jī)井，平均泵效只有38.7%。流體在進(jìn)入抽油泵之前如果能夠?qū)崿F(xiàn)氣體的有效分離，將會(huì)大幅度地提高抽油機(jī)井泵效，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率。

抽油機(jī)井結(jié)蠟后，會(huì)增加抽油桿與油管之間的摩擦力，使抽油機(jī)載荷增大。統(tǒng)計(jì)1 240口抽油機(jī)井熱洗前后的載荷變化，結(jié)蠟后抽油機(jī)上載荷上升增幅2.15%，交變載荷增幅4.68%，結(jié)蠟造成抽油機(jī)能耗增加幅度為4.2%。如果能實(shí)現(xiàn)油井免清蠟生產(chǎn)，將會(huì)提高抽油機(jī)泵效和系統(tǒng)效率。

抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)在配置過程中，為了克服啟動(dòng)瞬間載荷的突然增加，裝機(jī)功率一般為實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)功率的3倍以上。現(xiàn)場測(cè)試的1口機(jī)型為CYJ10-3-37HB的抽油機(jī)井，裝機(jī)功率為37 kW，最大啟動(dòng)功率為66.44 kW，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)平均有功功率為13.43 kW。如果能夠降低抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率，解決“大馬拉小車”的問題，則能提高抽油機(jī)系統(tǒng)效率。

目前抽油機(jī)的平衡方式是加裝平衡塊來消減抽油機(jī)上下沖程的負(fù)載差異，但由于平衡塊產(chǎn)生的扭矩不能完全消除負(fù)載扭矩，抽油機(jī)存在扭矩不平衡現(xiàn)象（統(tǒng)計(jì)30口CYJ10-3-37HB型抽油機(jī)井，平均最大扭矩32.45 kN·m，平均最小扭矩9.87 kN·m），并由此造成抽油機(jī)減速箱輸出軸扭矩波動(dòng)大，電動(dòng)機(jī)輸出功率處于波動(dòng)狀態(tài)。如果能減少電動(dòng)機(jī)輸出功率的波動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)大部分工作時(shí)間處于高效區(qū)，將能提高系統(tǒng)效率。

為此，針對(duì)抽油機(jī)井節(jié)能降耗采取了以下技術(shù)措施：應(yīng)用井下高效氣液分離技術(shù)提高泵效和系統(tǒng)效率；應(yīng)用降低抽油桿運(yùn)動(dòng)阻力技術(shù)減小能耗；應(yīng)用抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)能量補(bǔ)償技術(shù)降低裝機(jī)功率；應(yīng)用全周期平衡抽油機(jī)技術(shù)降低舉升單耗，使電動(dòng)機(jī)大部分時(shí)間在高效區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 多節(jié)點(diǎn)節(jié)能配套技術(shù)

2.1 井下高效氣液分離技術(shù)[1]

2.1.1 工作原理

在傳統(tǒng)沉降式氣錨中，若想使氣錨的效果好，必須使采出液在氣錨內(nèi)向下流動(dòng)的速度V1小于氣泡在液體中的上升速度V2。

根據(jù)斯托克公式，氣泡在液相中的最終上升速度可用下式表達(dá)：

式中：

V2——?dú)馀萆细∷俣?，m/s；

K——黏度系數(shù)；

D——?dú)馀葜睆?，m；

Δρ——液體與氣體的密度差，kg/m3；

μ——液體的黏度，Pa·s。

從公式（1）可以看出，對(duì)1口井而言，上述各參數(shù)都是常數(shù)，因此V2也是一個(gè)常數(shù)，很難人為改變。同時(shí)，液體的黏度越高，氣液分離效果越差。若想進(jìn)一步提高井下油氣的分離效果，只能減小液體在氣錨中的下降速度V1：

式中：

Q——抽油機(jī)井上沖程過程中的產(chǎn)液量；

A——?dú)忮^內(nèi)外管之間的環(huán)形面積。

從公式（2）可以看出，雖減少Q(mào)或增加A都可以減少液體在氣錨中的下降速度V1，但減少抽油機(jī)井上沖程過程中的產(chǎn)液量Q會(huì)直接影響油井產(chǎn)量，不能被接受。同時(shí)，受井筒尺寸的限制也很難增加A，因此原來各種類型的氣錨很難降低V1。多杯等流型氣錨的設(shè)計(jì)關(guān)鍵就是要降低V1。

2.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井下高效氣液分離裝置由中心管、沉降杯和定壓洗井凡爾組成。中心管上安裝有多個(gè)沉降杯，中心管在每個(gè)靠近沉降杯內(nèi)側(cè)底部的位置鉆有若干個(gè)進(jìn)液孔，中心管下部接洗井閥。通過近幾年應(yīng)用和改型，驗(yàn)證皇冠型沉降杯效果更好。

2.1.3 應(yīng)用效果

皇冠型井下高效氣液分離技術(shù)應(yīng)用近300口井，平均單井日產(chǎn)液增幅34.58%，日增油增幅21.98%，沉沒度降幅52.98%；系統(tǒng)效率增幅23.95%，噸液百米耗電降幅19.33%。

2.2 降低抽油桿運(yùn)動(dòng)阻力技術(shù)[2]

2.2.1 原油流動(dòng)改進(jìn)劑有效防蠟濃度

與不加藥相比，當(dāng)加藥濃度為150 mg/L時(shí)，凝油黏壁量平均降低幅度為93%，可以有效起到防蠟作用（圖1）。

2.2.2 保持有效防蠟濃度的加藥方法

為保證井下藥劑濃度連續(xù)穩(wěn)定，提出了純藥劑量不變，增加藥劑稀釋液量的點(diǎn)滴加藥方法。通過現(xiàn)場試驗(yàn)得出，1.5 m3/d以上的藥劑溶液量可以使采出液藥劑濃度穩(wěn)定在100～150 mg/L之間（圖2）。

2.2.3 米字流程井摻水管線加藥工藝

為實(shí)現(xiàn)米字流程井增加藥劑稀釋液量的目的，現(xiàn)場利用油井地面摻水管線將藥劑和清水混合加至井下。加藥流程為：中轉(zhuǎn)站加藥泵將純藥劑加入摻水匯管，與站內(nèi)摻水混合后經(jīng)摻水泵輸送到計(jì)量間，藥劑溶液通過過濾器后，由單井流量控制裝置定量分配到井口，最終將藥劑加入油套環(huán)空。

2.2.4 冬季摻水管線加藥最低流量界限

通過建立摻水管線及回油管線熱導(dǎo)數(shù)學(xué)模型和理論計(jì)算證明，當(dāng)摻水管線中摻水量由以往的30 m3/d降為3 m3/d井下加藥量后，摻水管線、回油管線不會(huì)發(fā)生凍堵。

2.2.5 應(yīng)用效果

降低抽油桿運(yùn)動(dòng)阻力技術(shù)累計(jì)現(xiàn)場試驗(yàn)近900口井，平均免清蠟周期已達(dá)746 d。由于原油流動(dòng)改進(jìn)劑改善了抽油泵的生產(chǎn)狀況，措施井見到較好節(jié)能效果，系統(tǒng)效率增幅4.42%，噸液百米耗電降幅4.31%，同時(shí)中轉(zhuǎn)站見到較好節(jié)電、節(jié)氣效果。

2.3 抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)能量補(bǔ)償技術(shù)

2.3.1 工作原理

抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，離合器將驅(qū)動(dòng)部分與抽油機(jī)斷開。電動(dòng)機(jī)先帶動(dòng)飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，其具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量即動(dòng)能。再閉合離合器，使驅(qū)動(dòng)部分與抽油機(jī)相連，由電動(dòng)機(jī)和飛輪的動(dòng)能共同啟動(dòng)抽油機(jī)。以飛輪的動(dòng)能補(bǔ)償降低電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率的能量差，來達(dá)到降低裝機(jī)功率、節(jié)約能源的目的。

2.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)能量補(bǔ)償裝置主要包括減速器皮帶輪、離合器、飛輪、軸承座、聯(lián)軸器和普通Y系列電動(dòng)機(jī)。

2.3.3 應(yīng)用效果

能量補(bǔ)償裝置累計(jì)現(xiàn)場應(yīng)用25口井，將10-3-37型抽油機(jī)裝機(jī)功率由37 kW降至18.5 kW時(shí)，通過星角轉(zhuǎn)換，將18.5 kW電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)功率降至10.68 kW，降低幅度為71.13%，消除了“大馬拉小車”的現(xiàn)象。同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)與抽油機(jī)工作趨于合理，系統(tǒng)效率提高幅度12.77%，噸液百米耗電下降幅度11.39%，有功節(jié)電率11.85%，無功節(jié)電率66.74%，綜合節(jié)電率14.53%。

2.4 全周期平衡抽油機(jī)技術(shù)

2.4.1 工作原理

通過增加轉(zhuǎn)速是原抽油機(jī)2倍，平衡重是原抽油機(jī)1/6二次平衡裝置，對(duì)減速箱輸出軸扭矩進(jìn)行“削峰填谷”，從而降低抽油機(jī)系統(tǒng)扭矩波動(dòng)率、電動(dòng)機(jī)有功功率，提高電動(dòng)機(jī)效率和系統(tǒng)效率。

2.4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二次平衡裝置包括曲柄銷、隨動(dòng)曲柄、增速器、二次曲柄、剎車操縱裝置、筒體和底座等部分。

2.4.3 應(yīng)用效果

全周期平衡抽油機(jī)技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)3口井，減速箱輸出軸扭矩波動(dòng)下降幅度28.06%，電動(dòng)機(jī)效率提高幅度20.22%，有功節(jié)電率7.08%，系統(tǒng)效率提高幅度9.09%。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)施過程及效果評(píng)價(jià)

在對(duì)井下高效氣液分離技術(shù)、降低抽油桿阻力技術(shù)、抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)能量補(bǔ)償技術(shù)和全周期技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開展了節(jié)能組合配套技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)。

措施前后對(duì)比表明，系統(tǒng)效率由22.96%上升至37.55%，提高14.59個(gè)百分點(diǎn)，提高幅度達(dá)到63.55%；噸液百米耗電由1.17 kW·h下降至0.71 kW·h，下降0.46 kW·h，下降幅度38.85%，有功節(jié)電率達(dá)到38.85%，綜合節(jié)電率40.19%（表1）。

表1 高效節(jié)能組合配套技術(shù)試驗(yàn)效果統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)平均節(jié)能效果與組合技術(shù)分項(xiàng)節(jié)能效果進(jìn)行對(duì)比，組合技術(shù)各節(jié)點(diǎn)節(jié)能效果均好于各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)平均節(jié)能效果（表2）。

表2 各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)平均節(jié)能效果與組合技術(shù)節(jié)能效果對(duì)比

4 結(jié)論

節(jié)能舉升配套組合技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用表明，抽油機(jī)系統(tǒng)效率顯著提高。

（1）應(yīng)用節(jié)能組合技術(shù)后，系統(tǒng)效率提高幅度63.55%，噸液百米耗電降低幅度38.85%，綜合節(jié)電率40.19%。

（2）四項(xiàng)節(jié)能技術(shù)分別針對(duì)抽油泵、抽油桿、減速箱和電動(dòng)機(jī)，可在1口井同時(shí)應(yīng)用，且總的節(jié)能效果是各自節(jié)能效果的累加值。

［1］朱榮杰，徐俊玲，李學(xué)敏.多杯等流型氣錨研究與應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能，2009（4）.

［2］劉志慶.利用地面摻水管線添加原油流動(dòng)改進(jìn)劑的可行性[J].油氣田地面工程，2009（5）.

陳超，1996年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（學(xué)士），2007年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（碩士），工程師，從事抽油機(jī)井節(jié)能技術(shù)工作，E-mail：langway100@sina.com，地址：大慶市薩爾圖區(qū)中七路114號(hào)第一采油廠工技大隊(duì)機(jī)械采油室，163001。

2010-05-05）