王 曼，王林平，魏立軍，張 倩，劉一山

(1.長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安 710021; 2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710021)

安塞油田屬于典型的低滲、低產油田，其開發(fā)基本采用定向井、叢式井組方式，全部采用有桿泵機械采油方式生產。2011年機采井開井5 381口，所用抽油機以5型和6型常規(guī)游梁式抽油機、異相曲柄抽油機、復合平衡抽油機為主。油井電機總數(shù)5 381臺，電機功率以13.5 kW和15 kW為主，油井電機平均功率因數(shù)為0.3。

安塞油田生產原油年耗電量42 381.83萬kWh，原油生產單耗為119.78 kWh/t，油井提液單耗61.03 kWh/t，占生產用電的50.95%，油井的地面效率為41.32%，因此，降低抽油機井地面能耗，對于降低安塞油田生產成本，具有十分重要的意義。

1 抽油機井地面能耗高的因素分析

由于抽油機井機采過程中機器的電機、皮帶輪等部分組成的四連桿機構都在地面之上［1］。通過測試和計算的方法得出，主要是變壓器、電機、抽油機等設備運行造成抽油機井地面能耗高。

(1)變壓器因素

變壓器功率因數(shù)過低會造成變壓器低壓側無功損耗增大，計算電流和有功損耗增加。產生這種現(xiàn)象的主要原因是油田負載多為感性負載［2］。抽油機具有特殊的負載特性即脈動負載。電機在帶動抽油桿上下往復運動時，啟動負載遠大于平均負載，抽油機上下行程負載不平衡，并且隨時波動不穩(wěn)定。因此，抽油機所配電機功率高于平均負載功率，導致負荷率和功率因數(shù)都較低。

電網在感性負載運行過程中需向用電設備提供相應的無功功率。在配電變壓器的運行中，其消耗的無功功率是消耗的有功功率的十幾倍［3］，無功電量在電網中的傳輸造成大量的有功損耗。

(2)電機因素

電機在工作時，存在有功功率和無功功率之分。異步電機所耗用的無功功率是由其空載時的無功功率和一定負載下無功功率增加值兩部分所組成［4］。所以要改善異步電機的功率因數(shù)就要防止電機的空載運行并盡可能提高負載率。電機負載率小，則電機無功功率較大;反之，則電機無功功率較小。無功功率大，則系統(tǒng)效率低，能耗高。

(3)抽油機因素

在油田中，游梁式抽油機的結構與深井泵的工作特點相結合，形成了特有的負荷特性——周期性交變負荷［5－6］。當抽油機不平衡時，電機軸上會出現(xiàn)負扭矩。此時，三相異步電機運行轉速大于同步轉速時處于發(fā)電狀態(tài)，并產生負功［7］，影響地面系統(tǒng)效率，導致能耗較高。

2 降低抽油機井地面能耗的途徑及方法

根據(jù)影響因素分析，降低地面能耗的途徑主要有提高配電質量、電機效率和抽油機效率。

圖1 降低地面能耗對策圖

3 降低地面能耗的措施及現(xiàn)場應用

3.1 提高配電質量

3.1.1 應用無功補償器

針對油井液量偏低，井底負荷較重，配備電機額定功率過大而造成運行功率因數(shù)較小的油井，通過應用單井就地無功補償器或井組集中無功補償裝置，有效提高變壓器與電機運行效率及功率因數(shù)，改善變壓器和電機低電壓、大電流、高損耗的運行現(xiàn)狀。

安塞油田共應用了339套無功補償裝置，通過對35個井組無功補償安裝前后對比測試，采用無功補償后變壓器平均視在功率由原來的20.08 kva降低到9.22 kva，功率因數(shù)由0.53提高到0.92，平均功率因數(shù)提高0.39，平均日節(jié)約電量52.70 kWh (表1)。

表1 安裝無功功率補償器前后效果對比

3.1.2 應用節(jié)能型變壓器

油田上運行的一些變壓器是舊型變壓器，空載損耗大(例如同樣是10 kV的30 kva變壓器，S7型變壓器的空載電流是3.5%，S9型變壓器的空載電流則是2.4%)［8］，這樣對變壓器的運行是很不經濟的。要想變壓器節(jié)電降耗，改善配電設備是必不可少的。

選用S11型卷鐵心變壓器，空載損耗比S9降低25%～30%，且維護方便、運行費用低，節(jié)電效果十分明顯，采用更新設備來降低配電網損耗，減小變壓器無功功率的浪費。

3.2 提高電機運行效率

根據(jù)前面分析，提高電機效率要從三方面開展工作:消除負功現(xiàn)象，減少空載狀態(tài)，調整運行功率。

3.2.1 消除負功現(xiàn)象

消除負功現(xiàn)象主要在于調整抽油機平衡。當抽油機在重載時，電機從電網汲取了過多的能量，這部分能量轉化為旋轉慣性能儲存于平衡塊中;當抽油機輕載時，平衡塊將這部分慣性能釋放出來，驅使電機的轉速超過旋轉磁場的同步轉速，此時電機做“負功”。電機會在不平衡時出現(xiàn)做負功現(xiàn)象，根據(jù)電能→機械能→電能的轉化過程，轉化效率一般只有60%，且發(fā)電相位落后于供電相位［9］。因此，提高抽油機平衡，減少造成負功的影響因素，可提高地面效率。

(1)對于供液不足容易發(fā)生液擊等情況的油井，應用功率法調平衡比較適用。

(2)早期投運的抽油機由于油田開發(fā)動態(tài)變化，部分抽油機由于負荷加大，超載的情況越來越嚴重，故障損壞頻繁，從2003年開始安塞油田先后投入199.8萬元，采用復合平衡技術陸續(xù)對235臺超負荷抽油機進行了加裝尾平衡的改造，改善了抽油機連桿、尾軸承、曲柄銷等部件的受力狀況，降低了抽油機的沖擊負荷，解決了抽油機平衡問題，經過測試平衡率由72.1%提高到92.6%，滿足了生產實際需要。

(3)對于早期老舊的游梁式抽油機，無法通過上述兩種方法調平衡的油井，進行了平衡自動調節(jié)裝置的試驗，可以實時調整抽油機的平衡狀態(tài)，達到提高地面系統(tǒng)效率的目的。經測試，有功節(jié)電率7.9%，無功節(jié)電率25.8%，綜合節(jié)電率9.8%。

3.2.2 減少空載狀態(tài)

(1)合理匹配電機，降低電機額定功率

安塞油田抽油井電機大馬拉小車現(xiàn)象非常普遍，平均功率因數(shù)0.3。有針對性的更換小功率電機，可降低電機運行無功功率，降低電機空載運行有功功率，提高電機功率因數(shù)，降低有功耗能。

(2)應用抽油機節(jié)電箱

為了減少空載狀態(tài)造成的電能浪費，因此對于電機匹配不合理的抽油機，可以通過安裝抽油機節(jié)電箱來實時調整電機定子兩端的電壓，以適應負載變化，改善系統(tǒng)配合，達到節(jié)能目的。

自2008年以來，更換應用抽油機節(jié)電箱308臺，通過對30臺抽油機節(jié)電箱安裝前后對比測試，平均功率因數(shù)由0.35上升到0.51，平均系統(tǒng)效率由17.98%上升至20.13%，平均單井日節(jié)電11.36 kWh，更換應用抽油機節(jié)電箱308臺年累計節(jié)電127.71×104kWh(表2)。

表2 安裝抽油機節(jié)電箱前后效果對比

(3)應用集中控制節(jié)能裝置

由于安塞油田油井大部分為叢式井組開發(fā)，因此適用抽油機集中控制節(jié)能裝置，該裝置優(yōu)化集成了共直流母線、無級變頻調參、軟啟動等多項節(jié)能技術。自2008年以來在安塞油田19個井組共計87口油井進行了試驗評價，經測試，平均工作電流由23.25 A降低到12.36 A，降低46.83%;平均有功功率由11.19 kW降低到6.23 kW;平均無功功率由37.74 kvar降低到 3.32 kvar;平均功率因數(shù)由0.331提高到0.96;電機裝機功率可減小30%，綜合節(jié)電率達21.32%。

(4)應用機采井間抽技術

在油井生產參數(shù)已經優(yōu)化到最小的情況可考慮實施間抽［10］，它可以有效的減少抽油機井的無功作業(yè)，大幅度的降低油井能耗，避免了抽油機無效運轉。智能間抽減少了現(xiàn)場操作的工作量，減少抽油機的工作時間，因此對三抽設備機械磨損明顯減少，對電機及傳送帶等其它機件的磨損率明顯下降，維修費用也降低了。

3.2.3 調整運行功率

(1)應用永磁同步電機

根據(jù)抽油機的工作特性，要求電機能夠滿足啟動扭矩大、有一定承受過載的能力、在較寬的負荷率下工作效率較高［11］，因此，永磁同步電機是較理想的選擇。安塞油田應用永磁同步電機716臺，通過對60臺稀土永磁同步電機安裝前后對比測試，平均功率因數(shù)由0.36上升到0.81，平均系統(tǒng)效率由18.84%上升至20.83%，提高了1.99%，日耗電量由60.72 kWh降低至47.27 kWh，平均單井日節(jié)電13.45 kWh。(表3)。

(2)應用多功率電機

多功率電機是根據(jù)抽油機負載大小實時功率轉換實現(xiàn)節(jié)能的［12］，因此多功率電機適合應用于井況不穩(wěn)定的井。自2008年以來，更換應用多功率電機334臺，通過對35臺多功率電機安裝前后對比測試，平均功率因數(shù)由0.33上升到0.54，平均系統(tǒng)效率由18.97%上升至20.15%，平均單井日節(jié)電15.82 kWh(表4)。

表3 永磁電機使用前后效果對比

表4 多功率電機應用前后效果對比

(3)應用油井參數(shù)優(yōu)化技術

合理抽汲參數(shù)是油井高效生產的基礎［13］，針對生產參數(shù)過大泵效偏低的油井可以采取參數(shù)優(yōu)化技術對油井進行參數(shù)優(yōu)化，原則是先地面后井下，井下調參盡量安排在檢泵的時候進行。較低的沖次使抽油機單位時間內做的功減少，使輸入功率降低，從而降低光桿功率和抽油機載荷，提高電機運行效率。通過系統(tǒng)優(yōu)化，對抽汲參數(shù)進行優(yōu)選，在“長沖程、適當泵徑、低沖次”的原則下確定最佳匹配關系。油井參數(shù)優(yōu)化有效提高了泵效，達到降低機采井地面能耗目的。

3.3 提高抽油機效率［14］

3.3.1 應用新型節(jié)能抽油機

CYJ7－2.5－26HY型整體彎游梁式抽油機(圖2)是針對低滲透油藏而設計的新型節(jié)能抽油機［15］，解決了長慶油田部分油井使用8型機懸點載荷過剩，使用6型機懸點載荷不足的問題，實現(xiàn)2.5 min－1超低沖次，電機可以靈活選取，對于產液量較低、要求沖次低時，選用Y180L－12/11 kW電機，對于產液量較高、要求沖次較高時，選用Y200L－8 /15 kW電機，滿足低滲透油田開采的生產需要。該型抽油機采用游梁平衡方式，平衡率高，節(jié)能。安塞油田應用了148臺7型節(jié)能抽油機，平均系統(tǒng)效率達到25.23%，經測試，有功節(jié)電率達到8.7%以上。

3.3.2 定期保養(yǎng)，降低機械摩擦損耗

在抽油機抽油的過程中，抽油機能量損失在摩擦損耗中［16］。因此，降低機械摩擦損耗，強化抽油機維護保養(yǎng)，是提高機采系統(tǒng)地面效率的重要方面。主要包括電機、抽油機、井口各運動摩擦部位的潤滑、皮帶輪“四點一線”及皮帶松緊調整及更換磨損嚴重變速箱等。

圖2 整體彎游梁式抽油機1－驢頭;2－整體彎游梁;3－游梁支承;4－支架;5－調沖程支撐裝置;6－連桿橫梁;7－配重箱;8－底座; 9－減速器;10－曲柄;11－剎車操縱裝置;12－電動機; 13－基礎;14－懸繩器

4 結論

(1)應用無功補償器，有效提高變壓器與電機的運行效率及功率因數(shù)，改善變壓器和電機低電壓、大電流、高損耗的運行現(xiàn)狀，降低地面能耗。

(2)調整抽油機平衡，減小電機軸功率波動，消除負功現(xiàn)象，減少電能損耗;

(3)合理匹配電機，應用抽油機控制裝置及間抽技術，減少空載狀態(tài)，降低電機運行的無功功率，提高電機功率因數(shù)，降低電機能耗;

(4)應用高效電機及油井參數(shù)優(yōu)化技術，實時調整電機功率，減少電機內部損耗;

(5)應用節(jié)能抽油機等高效抽油設備及做好抽油機的維護保養(yǎng)，是降低抽油機井地面能耗的重要方面。

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