孟祥濤 張曉燕

(1.中國石化中原油田分公司安全環(huán)保部；2.中國石化中原油田分公司生產(chǎn)運行管理部)

0 引 言

中原油田是國內(nèi)陸上老油田之一，原油產(chǎn)量于1988年達到最高峰722萬t，經(jīng)過20年的開發(fā)，到2018年產(chǎn)量下降至126萬t，原油含水達到95%。目前原油生產(chǎn)面臨產(chǎn)量遞減、含水率上升、噸油成本高、高耗低效等矛盾。“十二五”以來，中原油田相繼在機采系統(tǒng)試驗和應(yīng)用了一批節(jié)能新技術(shù)，雖然在生產(chǎn)中起到了一定的節(jié)能增效作用，但是并沒有從根本上解決油田實際生產(chǎn)中的瓶頸問題。隨著科技發(fā)展，從技術(shù)上解決這些難題成為可行，但是要從“技術(shù)可行、經(jīng)濟合理、企業(yè)可以承受”等綜合決策，研究適合老油田生產(chǎn)實際的低成本采油生產(chǎn)節(jié)能技術(shù)，是節(jié)能工作中急需解決的重點任務(wù)。

1 存在問題

隨著中原油田進入開采中后期，油井含水不斷上升，動液面不斷下降，油田產(chǎn)層深度、泵掛深度呈增加趨勢[1]。當(dāng)前油田機采系統(tǒng)主要存在以下問題。

1.1 主力機采設(shè)備自身存在的主要問題

目前，中原油田油井開井?dāng)?shù)為3 200余口，其中游梁式抽油機占3 000口以上，是油田機采系統(tǒng)的絕對主力設(shè)備，其采用四桿機構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，操作維護方便，但由于其結(jié)構(gòu)特征，存在平衡效果差、曲柄凈扭矩脈動大的問題，導(dǎo)致載荷率低、工作效率低和能耗大等缺點。

游梁式抽油機四連桿機構(gòu)使“驢頭”的運動規(guī)律類似簡諧運行，“驢頭”在最高點和最低點運動方向發(fā)生交替轉(zhuǎn)換中，地下井筒內(nèi)的抽油泵柱塞并不是同步進行轉(zhuǎn)換，而是有一定的置后時間，此時“驢頭”與抽油泵柱塞的運動速度不同、方向甚至相反，而此時加速度變化最大，會對機械系統(tǒng)產(chǎn)生兩大危害：一是對抽油機變速箱齒輪、抽油桿、抽油泵產(chǎn)生巨大的沖擊載荷，容易造成減速箱損壞、抽油桿斷脫，從而造成設(shè)備損壞，或發(fā)生井下事故；二是受慣性和抽油桿彈性變形影響，會造成抽油泵沖程損失，導(dǎo)致抽油泵效率下降。

1.2 地層供液與抽油機提液能力不匹配

在油井開采中后期，地層供液能力逐漸下降，抽油機單位時間抽出的液量變少，但其運行時間并沒有減少，與以往相比，消耗相同的電能，產(chǎn)出的原油量變少，用電效率降低；隨著時間的推移，用電效率還有降低的趨勢。主要原因是由于抽油機對于發(fā)生變化的地層供液能力，仍保持固定的工作方式，高速的抽油機運行速度與低下的地層供液能力形成供不應(yīng)求的狀況，最終造成抽油機“泵空”(即空抽現(xiàn)象)[2]。

1.3 電力拖動裝置與實際生產(chǎn)工況不匹配

游梁式抽油機啟動轉(zhuǎn)矩比正常運行轉(zhuǎn)矩大1倍以上，通常都是重載啟動；抽油機啟動進入正常工作狀態(tài)后，其平均轉(zhuǎn)矩遠小于啟動轉(zhuǎn)矩；而且為應(yīng)對抽油過程中的砂卡、結(jié)蠟等特殊情況，防止電動機因卡死而燒毀，電動機設(shè)計功率都遠大于正常運行功率。目前，油田抽油機常用的三相異步電動機出廠效率在90%左右，但實際功率因數(shù)大多小于0.4，負(fù)載率低于30%。選用大功率電動機確實提高了設(shè)備的穩(wěn)定性，但電動機效率變低[3]。游梁式抽油機的載荷特點是帶有沖擊的周期性交變載荷，在一個沖程中存在發(fā)電問題，即抽油機“倒發(fā)電”現(xiàn)象，多余的能量反饋到電網(wǎng)，會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，造成電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，對電動機影響很大，也不利于抽油機的可靠工作。

1.4 缺少適合油田生產(chǎn)實際的低成本節(jié)能新技術(shù)

“十二五”以來，油田每年試驗和應(yīng)用了一些節(jié)能新技術(shù)，從局部或者某些環(huán)節(jié)解決了一些實際問題，也確實取得了一定的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益，但是存在性價比差、改進工作跟不上等問題，出現(xiàn)“節(jié)能不節(jié)錢”的現(xiàn)象，仍然沒有解決油田實際生產(chǎn)中存在的系統(tǒng)性問題，無法大規(guī)模推廣應(yīng)用。

2 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

為實現(xiàn)老油田機采系統(tǒng)節(jié)能降耗、提質(zhì)增效，通過對油田“十二五”以來試驗和應(yīng)用的節(jié)能新技術(shù)進行總結(jié)，主要有以下8種節(jié)能技術(shù)。

2.1 抽油機直流集群控制技術(shù)

該技術(shù)集中整流、井口逆變的直流母線供電模式，充分發(fā)揮計量站油井集群優(yōu)勢，實現(xiàn)抽油機“倒發(fā)電”能量互饋共享，可遠程監(jiān)控，在線調(diào)整沖次與地層供液能力進行匹配，實現(xiàn)計量站整體效率提升，并根治竊電，但整體價格低，節(jié)電效果較好，在1座計量站(帶4口油井)應(yīng)用，現(xiàn)場測試節(jié)電率達20%。

2.2 抽油機智能伺服姿態(tài)控制技術(shù)

油田機采系統(tǒng)配套的電動機以三相異步電動機為主，但是目前的伺服控制技術(shù)以同步電動機為主。三相異步電動機的伺服控制技術(shù)，可以根據(jù)生產(chǎn)實際有效調(diào)節(jié)沖次和電動機轉(zhuǎn)矩，滿足油井不同沖次連續(xù)生產(chǎn)需要，對抽油機運行姿態(tài)進行控制，在抽油桿上下沖程和死點附近實現(xiàn)變速運行，可以增加抽油泵有效沖程，減少抽油桿的沖擊載荷，延長檢泵周期，整體價格較低，節(jié)電效果顯著，可以較好的解決油井地面、地下設(shè)備和工藝節(jié)能問題[4]。應(yīng)用35口井，節(jié)電率在30%～60%(通過調(diào)整參數(shù))。

2.3 抽油機四象限變頻器調(diào)速技術(shù)

該技術(shù)不僅可以實現(xiàn)抽油機變速調(diào)節(jié)，也可處理電動機“倒發(fā)電”問題，滿足油井不同生產(chǎn)需求，但網(wǎng)側(cè)電流諧波污染較重[5]、功率因數(shù)較低，整體造價高，體積大。應(yīng)用兩口井，節(jié)電率20%(通過調(diào)整參數(shù))。

2.4 永磁復(fù)合電動機直驅(qū)智能控制及安全制動技術(shù)

該技術(shù)以永磁復(fù)合電動機為動力源，替代抽油機減速箱，直接驅(qū)動抽油機曲柄，并通過變頻控制技術(shù)，實現(xiàn)抽油機沖次不停機動態(tài)調(diào)整，減少皮帶間接驅(qū)動環(huán)節(jié)，提高抽油機機械傳動效率，但整體價格昂貴，且維護費用高。應(yīng)用10口井，節(jié)電率在30%(通過調(diào)整參數(shù))。

2.5 永磁半直驅(qū)自動化技術(shù)

該技術(shù)將永磁電動機制作成圓餅狀，安裝于抽油機減速箱大皮帶輪位置(替代大皮帶輪)，直接驅(qū)動減速箱，減少了皮帶傳動損耗；優(yōu)選了適用于半直驅(qū)電動機的變頻控制系統(tǒng)，實現(xiàn)抽油機運行遠程控制及沖次調(diào)整，最低沖次可達0.1次/min；同時，提高抽油機各零部件的壽命，但安裝較復(fù)雜，適合對抽油機進行節(jié)能改造。應(yīng)用27口井，節(jié)電率在30%～50%(通過調(diào)整參數(shù))。

2.6 智能驅(qū)動式抽油機技術(shù)

該技術(shù)在抽油機游梁尾端安裝智能驅(qū)動裝置——驅(qū)動缸，在游梁前端裝上安全桿，省掉抽油機原驅(qū)動裝置系統(tǒng)，解決了抽油機“大馬拉小車”和“倒發(fā)電”問題，目前仍處于完善試驗階段。應(yīng)用兩口井，節(jié)電率在30%～60%(通過調(diào)整參數(shù))。

2.7 塔架式抽油機技術(shù)

該技術(shù)為塔架式結(jié)構(gòu)，采用外轉(zhuǎn)子稀土永磁同步電動機和直接平衡方式，且與變頻控制技術(shù)相結(jié)合，可解決深抽井、稠油井、嚴(yán)重偏磨井對“長沖程、低沖次”的需求，提高綜合開采效益。在胡47塊建立了10口井的節(jié)能抽油機示范區(qū)。由于廠家生產(chǎn)經(jīng)營問題，設(shè)備售后服務(wù)跟不上，該機型未實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用[6]。應(yīng)用20口井，節(jié)電率30%(通過調(diào)整參數(shù))。

2.8 新型螺桿泵(進口)采油技術(shù)

隨著油田進入開發(fā)中后期，產(chǎn)能下降，含水上升，效益變差，電泵采油技術(shù)已不適應(yīng)油田效益開發(fā)形勢。為保證電泵井轉(zhuǎn)改后液量穩(wěn)定，對18口井實施螺桿泵應(yīng)用，與電泵相比，產(chǎn)液及產(chǎn)量基本保持穩(wěn)定，單井平均日節(jié)電807 kW·h。但該技術(shù)對選井要求高，且價格較高。各種節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用情況統(tǒng)計見表1。

表1 中原油田節(jié)能技術(shù)應(yīng)用情況統(tǒng)計 萬元

3 結(jié)論及建議

解決老油田油氣生產(chǎn)中的穩(wěn)產(chǎn)增效、節(jié)能降耗問題，需要從管理和技術(shù)兩個方面同時入手，既要在技術(shù)研發(fā)上有所突破，更要在管理上有所創(chuàng)新，研發(fā)應(yīng)用低成本、適合老油田生產(chǎn)實際的節(jié)能新技術(shù)。

3.1 新投井設(shè)備配套中優(yōu)先新型抽油機應(yīng)用

智能驅(qū)動式抽油機、塔架式抽油機在價格上相差不大，與傳統(tǒng)游梁式抽油機相比，技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢明顯，信息化程度高，可以遠程調(diào)整抽油機運行參數(shù)，系統(tǒng)效率比游梁式抽油機高10%以上。如果僅以新、舊機型替換的方式進行推廣，存在投資回收期長、造成資產(chǎn)閑置等問題。所以，可以在新投井配套中加大新機型的推廣應(yīng)用，形成規(guī)模效應(yīng)。

3.2 數(shù)字化油田建設(shè)優(yōu)先機電一體化控制技術(shù)應(yīng)用

抽油機電動機調(diào)速主要有機械、變頻和電磁調(diào)速3種。在數(shù)字化油田建設(shè)中，變頻調(diào)速技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，在遠程調(diào)節(jié)抽油機運行參數(shù)中發(fā)揮巨大作用。但變頻器對電動機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的控制為一一對應(yīng)關(guān)系，即高轉(zhuǎn)矩對應(yīng)高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩對應(yīng)低轉(zhuǎn)速，無法滿足抽油機低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的特殊變工況的需求。三相異步電動機伺服控制技術(shù)的核心是“對三相異步電動機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的控制分開、獨立控制”，在不改變地面設(shè)備、地下桿泵的前提下，可有效解決油井地面設(shè)備、地下桿泵工藝系統(tǒng)節(jié)能問題。其技術(shù)原理是根據(jù)抽油機運行軌跡特性，自動調(diào)節(jié)抽油桿在上下止點附近的運行速度，實現(xiàn)變速運行，減少沖程損失，減少抽油桿的沖擊載荷，從而提高泵效，改善抽油桿受力狀況，減少偏磨、斷脫現(xiàn)象，有效延長“機-桿-泵”使用壽命，延長檢泵周期30%以上。將該技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)在智能化油田建設(shè)推廣應(yīng)用，具有低成本優(yōu)勢。

3.3 機采設(shè)備技術(shù)改造中優(yōu)先永磁半/全直驅(qū)控制技術(shù)應(yīng)用

油田機采設(shè)備更新改造是一項復(fù)雜的工作，不能僅滿足簡單的以舊換新，不考慮改造的經(jīng)濟性。如果在更新電動機、減速箱、配電設(shè)施等項目中，可以論證應(yīng)用永磁半/全直驅(qū)控制技術(shù)，這兩種技術(shù)都可以取消電動機皮帶傳送這一耗能環(huán)節(jié)，永磁全直驅(qū)控制技術(shù)還能取消減速箱機械傳動這一耗能環(huán)節(jié)。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用評價，其綜合經(jīng)濟效益較好。

3.4 內(nèi)部合同能源管理機制有利于自主研發(fā)技術(shù)的應(yīng)用

合同能源管理是國家鼓勵推行的一種能源合作項目的機制，主要內(nèi)容是以合同的形式，由外部企業(yè)(機構(gòu))進行投資，對油田的節(jié)能項目實施改造，節(jié)能項目投產(chǎn)后，油田在雙方約定的一段時期內(nèi)，用項目節(jié)約能源的成本支付給項目投資企業(yè)。在老油田企業(yè)，實施合同能源管理的難度很大，主要原因是項目論證周期長、審查難，導(dǎo)致很多項目沒有論證通過。

油田企業(yè)應(yīng)創(chuàng)新管理機制，研究建立“內(nèi)部合同能源管理”新機制，促進科研單位自主研發(fā)節(jié)能科技成果的經(jīng)濟轉(zhuǎn)化。“內(nèi)部合同能源管理”的模式是由油田內(nèi)部科研單位將自主研發(fā)的節(jié)能科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，與各采油廠簽訂內(nèi)部合同，以技術(shù)服務(wù)的方式給各采油廠進行技術(shù)服務(wù)；采油廠在項目投運后，定期將節(jié)約能源的成本支付給科研單位。該模式可以有效解決能源基準(zhǔn)、節(jié)能量核定、利益輸送等實際難題。2016年，文留采油廠與石油工程技術(shù)研究院以“內(nèi)部合同能源管理”的模式，在采油管理二區(qū)14號站4口井實施了“直流集群控制技術(shù)”改造項目，取得了試點的成功，綜合節(jié)電率在20%以上。“內(nèi)部合同能源管理”的新模式，不僅能夠極大促進油田內(nèi)部科研單位研發(fā)科技成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化，調(diào)動科研攻關(guān)的主動性、積極性，而且可以解決油田生產(chǎn)實際困難，降低油氣生產(chǎn)成本，進一步提高油田經(jīng)濟效益。