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

        2011-11-16 06:39:12陳超大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠
        石油石化節(jié)能 2011年4期
        關(guān)鍵詞:油桿節(jié)電抽油機(jī)

        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)動阻力、電動機(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年對比上升40.81個百分點(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,裝機(jī)功率大于實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)功率,降低了電動機(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狀態(tài),導(dǎo)致電動機(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),將會提高抽油機(jī)泵效和系統(tǒng)效率。

        抽油機(jī)的電動機(jī)在配置過程中,為了克服啟動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,最大啟動功率為66.44 kW,運(yùn)轉(zhuǎn)時平均有功功率為13.43 kW。如果能夠降低抽油機(jī)電動機(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大,電動機(jī)輸出功率處于波動狀態(tài)。如果能減少電動機(jī)輸出功率的波動,使電動機(jī)大部分工作時間處于高效區(qū),將能提高系統(tǒng)效率。

        為此,針對抽油機(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)動阻力技術(shù)減小能耗;應(yīng)用抽油機(jī)電動機(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,使電動機(jī)大部分時間在高效區(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)馀葜睆剑琺;

        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1口井而言,上述各參數(shù)都是常數(shù),因此V2也是一個常數(shù),很難人為改變。同時,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會直接影響油井產(chǎn)量,不能被接受。同時,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沉降杯,中心管在每個靠近沉降杯內(nèi)側(cè)底部的位置鉆有若干個進(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)動阻力技術(shù)[2]

        2.2.1 原油流動改進(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,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、回油管線不會發(fā)生凍堵。

        2.2.5 應(yīng)用效果

        降低抽油桿運(yùn)動阻力技術(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%,同時中轉(zhuǎn)站見到較好節(jié)電、節(jié)氣效果。

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

        2.3.1 工作原理

        抽油機(jī)啟動時,離合器將驅(qū)動部分與抽油機(jī)斷開。電動機(jī)先帶動飛輪運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后,其具有一定的轉(zhuǎn)動慣量即動能。再閉合離合器,使驅(qū)動部分與抽油機(jī)相連,由電動機(jī)和飛輪的動能共同啟動抽油機(jī)。以飛輪的動能補(bǔ)償降低電動機(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,通過星角轉(zhuǎn)換,將18.5 kW電動機(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,由于電動機(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)扭矩波動率、電動機(jī)有功功率,提高電動機(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下降幅度28.06%,電動機(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)施過程及效果評價

        在對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)。

        措施前后對比表明,系統(tǒng)效率由22.96%上升至37.55%,提高14.59個百分點(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)分別針對抽油泵、抽油桿、減速箱和電動機(jī),可在1口井同時應(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號第一采油廠工技大隊(duì)機(jī)械采油室,163001。

        2010-05-05)

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