潛油電泵井節(jié)能配套技術(shù)研究

李永強(qiáng) 趙祖德 高國棟

摘 要 針對電泵采油能耗高、系統(tǒng)效率低的問題，從優(yōu)化電泵井的機(jī)、泵配置，變壓器容量選擇，沉沒度，泵掛深度等參數(shù)入手，量化電泵井各部分功率損失與系統(tǒng)效率的關(guān)系，優(yōu)化配泵揚(yáng)程計(jì)算方法、優(yōu)化潛油電機(jī)功率計(jì)算方法、合理選擇沉沒度等幾個(gè)方面的研究工作，找出電泵井系統(tǒng)優(yōu)化配套方法，提高電泵井系統(tǒng)效益。

關(guān)鍵詞 潛油電泵井節(jié)能；潛油電泵井能耗；潛油電泵井系統(tǒng)效率優(yōu)化

1 電泵井現(xiàn)狀

1.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

潛油電泵屬于我國各大油廠提升油量增量的主要方式，不過由于多年以來的生產(chǎn)模式，產(chǎn)生了兩個(gè)主要問題。首先是沒有形成系列化的電泵產(chǎn)品，從業(yè)者對電泵成套的整體認(rèn)識(shí)不夠，導(dǎo)致電機(jī)與電泵的配套不合理。再者是我廠缺乏完善的電泵優(yōu)化方案，電泵井的生產(chǎn)力預(yù)測比較保守（其中主要參數(shù)是液體量和動(dòng)液面），實(shí)際生產(chǎn)狀況與原先預(yù)估數(shù)據(jù)的差別較大，導(dǎo)致了電機(jī)與電泵的配對不合適，如：電泵所選用的揚(yáng)程、所選用的電機(jī)功率過大、沉沒度過大，導(dǎo)致了排量遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了高效率產(chǎn)能區(qū)，從而不得不人工介入，控制油嘴的油量，造成了電泵井過度的用電。目前我廠所擁有的367口電泵井，系統(tǒng)的平均效率為26.5%，百米的頓液所消耗的電量為1.03kW.h，單井的平均輸出功率為89kW·h，單井的平均日耗電2137 kW.h。每年需花費(fèi)1.5億元的用電費(fèi)用，占全廠提液電耗的60%，基于經(jīng)濟(jì)考慮，我們要開展電泵與機(jī)組成組技術(shù)的優(yōu)化系列研究，開發(fā)出一套適合我廠的電泵優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，從而制定電泵系列產(chǎn)品的優(yōu)化成組系列，為日后的電泵低耗電治理提供技術(shù)上的支撐和產(chǎn)品保障，使得低耗能電泵治理成為一種長期有效的機(jī)制，并使電泵最后的運(yùn)行產(chǎn)生一種良好的循環(huán)，具有重大的作用。

1.2 能耗現(xiàn)狀

在對全廠的電泵井盡洗了耗電量測試、統(tǒng)計(jì)之后，所得到的調(diào)查結(jié)果為：全場電泵井每日的平均用電量為2137kWh，平均百米噸液耗電為1.03kWh/100m·t，平均系統(tǒng)效率為26.5%。

1.3 機(jī)、泵配套現(xiàn)狀

依照調(diào)查的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)全廠現(xiàn)有的電泵機(jī)型號(hào)、揚(yáng)程、配套功率、動(dòng)液面、泵掛深度等數(shù)據(jù)分別記錄，再依次計(jì)算單個(gè)泵井工作時(shí)真正所需要揚(yáng)程、實(shí)際需要配套的電機(jī)功率，調(diào)查結(jié)果：電泵平均配泵揚(yáng)程高出實(shí)際需要揚(yáng)程329m，電機(jī)平均功率高出實(shí)際需要功率27kW，導(dǎo)致了整套設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益低。

2 電泵井能耗影響因素分析

在對電泵井的電能使用量結(jié)果對電泵井的各個(gè)組成部分功率采取了量化地分析之后，發(fā)現(xiàn)了電泵井耗電量變化的主要因素。

主要為以下原因：電泵機(jī)組本身運(yùn)行效率低下、機(jī)組電纜的新舊因素、泵的選擇與配對原因、沉沒度因素、泵掛深度因素、采出流體性質(zhì)因素、油嘴節(jié)油所帶來的損失以及管柱損失等因素。

2.1 電泵機(jī)組各部分能耗損失

電泵的組合所對應(yīng)的功率損耗和電泵組合內(nèi)在的構(gòu)型、新老配合有關(guān)系，順著電泵井系統(tǒng)能量流動(dòng)的方向，能夠得知電泵組合中的功耗遺失主要是在以下幾個(gè)部分：電纜傳輸過程損失、電機(jī)自身損失、分離器損失、保護(hù)器泵損失。以上部分的損耗、效率分析如下[1]：

（1）電纜傳輸過程功率損失。電纜傳輸過程中的功率損失和傳輸運(yùn)行電壓、傳輸?shù)碾娏鞔笮?、電纜所用的材質(zhì)、規(guī)格、電纜的長度以及井液溫度的高低有關(guān)，損耗能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，主要體現(xiàn)為電纜的發(fā)熱。根據(jù)測量與統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，全場電泵井平均泵掛深度為1434m，平均運(yùn)行電流大小為36A，電纜電阻的大小與溫度有關(guān)，其中在20℃時(shí)電阻大小R=0.92Ω/Km，70℃時(shí)電阻的大小R=1.11Ω/Km，由此能夠計(jì)算出每千米電纜功率損耗為4.3千瓦，得出電纜的最大工作效率可以達(dá)到93.1%。

（2）電機(jī)功率自身損失。潛油電機(jī)工作中所消耗的能量主要是因?yàn)榻饘僮陨頁p耗，如銅損、鐵損以及運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的損耗共同構(gòu)成。在潛油電機(jī)負(fù)載一定，運(yùn)行功率一定的情形之下，它工作中所所產(chǎn)生的能量損耗的大小主要是由電機(jī)負(fù)載率以及井溫及液體流速兩個(gè)部分構(gòu)成。在額定負(fù)載工況下，潛油電機(jī)工作的效率可以保持在62.2%～78.9%之間，其中負(fù)載率越小，則工作效率也隨之降低[2]。

（3）保護(hù)器、分離器功率損失。保護(hù)器工作所產(chǎn)生的能量損失大部分是由于是機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的摩擦耗能，在型號(hào)與規(guī)格一定的保護(hù)器上，它的損耗一般為定值。分離器損耗則主要是由水力損失、容積損失和機(jī)械結(jié)構(gòu)間的摩擦耗能等因素構(gòu)成。在測試保護(hù)器和分離器在3kW的運(yùn)作功率工況下，二者的工作效率能夠高達(dá)96.6%。

（4）潛油電泵損失。潛油電泵系統(tǒng)的主要工作部件是多級(jí)離心泵，它的能量損耗主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)間的摩擦損失、水力損失和容積損失三大損失組成。其中機(jī)械結(jié)構(gòu)間的損失在多級(jí)離心泵不變的情況下為定值，水力損失和容積損失則為主要的能量損失，且在泵的排量和揚(yáng)程發(fā)生改變時(shí)，損失大小還與流體的黏度相關(guān)聯(lián)。大排量電泵的理論效率一般為50%～60%左右，而較小排量電泵效率一般在38%～51.2%之間，由此可見，隨著電泵的額定排量越大，其理論工作的效率越高。換句話說，電泵井的理論系統(tǒng)效率范圍一般處于21.3%～42.6%左右。

2.2 潛油電泵運(yùn)行特性分析

（1）不同排量電泵整機(jī)效率特性。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果也可以看出，不同排量條件下的電泵井系統(tǒng)的工作效率，在電泵系統(tǒng)的排量增大時(shí)，平均系統(tǒng)工作效率從20.5%提高到28.7%，百米噸油液的耗電量從1.32kW·h/100m·t降低至0.95kW·h/100m·t。由此可見隨之電泵排量的提高，整機(jī)效率也隨之上升。

（2）電泵排量配合不恰當(dāng)將遠(yuǎn)離經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，影響整機(jī)效率。潛油電泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)（高效區(qū)），一般情況下采取額定排量在80%～140%左右，如若電機(jī)與電泵配合不恰當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致排量偏離經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)；潛油電泵的整體工作效率將會(huì)明顯大幅度降低，從而導(dǎo)致了電泵消耗的電能增加。因此當(dāng)在優(yōu)化機(jī)、泵配置時(shí)，首當(dāng)其沖應(yīng)要考慮排量的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)（如圖1）。

排量偏離經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的原因：

選定了排量之后，其一因?yàn)閯?dòng)液面估計(jì)值過大，導(dǎo)致了配泵揚(yáng)程過大，損失揚(yáng)程提高液量；其二，因?yàn)楣┮毫康娜狈?dǎo)致了排量偏離經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，排量在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的系統(tǒng)效率較高，排量配對不恰當(dāng)?shù)碾娋?5口井，它們的系統(tǒng)工作效率偏低。

（3）配泵揚(yáng)程選擇過大。配泵揚(yáng)程過大，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問題。其一方是加劇了泵的機(jī)械結(jié)構(gòu)摩擦耗能，其二是加劇了電機(jī)的功率，從而降低了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

（4）沉沒度不合理。沉沒度不足（小于200m），首先需要考慮脫氣點(diǎn)，系統(tǒng)的工作效率會(huì)隨著沉沒度的缺乏而降低，一是由于沉沒度的不足影響了泵的充滿程度，二是由于液量收到了脫氣所帶來的影響。沉沒度過高，提高了泵掛所要求的深度，一方面加大了油管間的摩阻耗能，在油管摩阻曲線上可以查得，分析之后可得，隨著泵掛的深度加大了100米，油管之間的摩阻損耗加大了0.28kW，第二方面是加大了電纜功率損耗，由此降低了系統(tǒng)整體的工作效率。

一般電泵井沉沒度最合理的數(shù)值處于200～400米左右。

3 降低電泵井能耗的對策措施

3.1 優(yōu)化電泵配套技術(shù)研究

（1）電機(jī)系列的合理化。在對電泵井的工作、機(jī)、泵組合和電能損耗測試的研究之后，根據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，電機(jī)組合后的功率會(huì)高于實(shí)際需求功率27kW左右，電機(jī)的使用功率偏低，也導(dǎo)致了電機(jī)損耗的加劇。究其原因是由于電機(jī)功率沒有對應(yīng)系列化的產(chǎn)品，從而無法對電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，從而出現(xiàn)了電機(jī)功率的浪費(fèi)——“大馬拉小車”現(xiàn)象。對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行研究之后，本小組成員認(rèn)為，在我廠電泵井的實(shí)際生產(chǎn)實(shí)際情況下，進(jìn)一步細(xì)分現(xiàn)有的配泵標(biāo)準(zhǔn)所對應(yīng)的電機(jī)功率，新組合出適應(yīng)于我廠電泵井所產(chǎn)生的電機(jī)系列，并與生產(chǎn)廠家的相關(guān)工作人員共同制定7中新規(guī)格的電機(jī)，它們功率為15kW、21kW、31kW、37kW、43kW、55kW和62kW，來采取配對，以此來優(yōu)化采油廠潛油電機(jī)的配對組合，從而能夠進(jìn)一步降低組裝功率，電井的電耗量以及為之后的低效電泵治理提供產(chǎn)品保障。

（2）完善電泵系列化。在對數(shù)據(jù)分析后得出，平均配泵揚(yáng)程高于實(shí)際需要揚(yáng)程329m，配泵揚(yáng)程過大，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)結(jié)果。其一是加大了泵的機(jī)械結(jié)構(gòu)間的摩擦耗能，其二是加大了電機(jī)的配置功率，使得系統(tǒng)工作效率降低。根據(jù)每100～200m一個(gè)臺(tái)階進(jìn)行組合揚(yáng)程配置，能夠進(jìn)一步地細(xì)化電泵揚(yáng)程，從而優(yōu)化了機(jī)泵配置。

3.2 制定潛油電泵井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

（1）優(yōu)化電泵設(shè)計(jì)及選泵配套模式。分析研究出了優(yōu)化潛油電泵的設(shè)計(jì)方法，一方面依照桿泵或電泵井的具體生產(chǎn)參數(shù)，在配對地層壓力、井組注參數(shù)相應(yīng)地執(zhí)行優(yōu)化方式，依次選擇適當(dāng)油井產(chǎn)液量，從而保證電泵井能夠有足夠的供液能力。再者，在考慮了潛油電泵機(jī)組、油井和管路三者相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過對優(yōu)選泵型、級(jí)數(shù)和電動(dòng)機(jī)型號(hào)等參數(shù)使得潛油電泵井系統(tǒng)的工作效率盡可能地提高，并有更高的經(jīng)濟(jì)效益。并采取對機(jī)組選型的優(yōu)化以及配對是參考泵的選型優(yōu)化與配套、機(jī)組的附加功率耗能動(dòng)力電纜參數(shù)的選擇、潛油電動(dòng)機(jī)的對應(yīng)參數(shù)等等。并且，在給定的供液能力下選取適當(dāng)?shù)碾姳门帕颗c泵掛深度，盡量將電泵井的沉沒度降低至400m以下，由此可確保證較高的電泵井系統(tǒng)工作效率[3]。

（2）優(yōu)化機(jī)泵配置。嚴(yán)格根據(jù)泵特性曲線的關(guān)系，對電泵的排量、揚(yáng)程和電機(jī)功率進(jìn)一步采取系統(tǒng)的優(yōu)化，使電泵排量、揚(yáng)程、效率等數(shù)據(jù)盡可能達(dá)到最佳匹配，選擇在潛油電泵系列中優(yōu)選與優(yōu)化值吻合程度最高的潛油電泵機(jī)組，讓電泵能夠在高效區(qū)內(nèi)工作。除此之外，還應(yīng)進(jìn)一步根據(jù)泵的深度、產(chǎn)出液的流體性質(zhì)、電機(jī)功率、機(jī)組揚(yáng)程、油管內(nèi)徑等參數(shù)對系統(tǒng)效率所造成的影響，在能夠使得油井舉升高度、油井舉升液體消耗功率的前提之下，盡量使得電泵揚(yáng)程和電機(jī)功率減小，從而最大幅度地降低各種功率損耗[4]。

4 使用效果

在對優(yōu)化電泵配套技術(shù)研究之后，檢電泵作業(yè)共計(jì)213口井，抽改電65共計(jì)口井，根據(jù)產(chǎn)能預(yù)測優(yōu)化電泵配套71口井，目前全廠電泵能耗與去年對比降低104kWh（表3）。

根據(jù)產(chǎn)能預(yù)測優(yōu)化電泵配套100口井，其中可對比的66口井，通過測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，（見表12），平均裝機(jī)功率由優(yōu)化前的81.11kW下降到78.33kW，平均減少2.78kW；平均配泵揚(yáng)程由優(yōu)化前的1470m下降到1341m，平均減少129m；平均泵掛深度由優(yōu)化前的1410m下降到1352m，平均減少58m；平均單井日耗電由優(yōu)化前的2253kW·h下降到1826kW·h，平均單井日節(jié)電427kW·h。這66口井累計(jì)至今節(jié)電達(dá)到525.8萬kW·h。

4.1 經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益評價(jià)

（1）經(jīng)濟(jì)效益

直接經(jīng)濟(jì)效益：

節(jié)電525.8萬kW.h，減少用電費(fèi)用：

525.8萬kW.h×0.55元/度=289.19萬元

間接經(jīng)濟(jì)效益：

在對電泵優(yōu)化之后，上提泵掛13533米，節(jié)約電泵108節(jié)，每節(jié)泵按1.5萬元計(jì)算：

1.5萬元×108節(jié)=162萬元

總的經(jīng)濟(jì)效益=直接經(jīng)濟(jì)效益+間接經(jīng)濟(jì)效益=289.19萬元+162萬元=451.19萬元。

（2）社會(huì)效益

平均每個(gè)電泵井的能量損耗從2253kW·h下降至1826kW·h，對我廠精細(xì)化進(jìn)程、挖潛增效起到了夯實(shí)了基礎(chǔ)的作用。本活動(dòng)形成的優(yōu)化電泵配套技術(shù)，對其他采油廠具有較高的借鑒作用。

5 下步發(fā)展方向

結(jié)合我廠電泵井生產(chǎn)實(shí)際，綜合分析、評價(jià)，開發(fā)出一套操作性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、科學(xué)、先進(jìn)的電泵井優(yōu)化配套設(shè)計(jì)軟件，為下一步全廠電泵井的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 關(guān)成堯，趙國春，張翼翼，等.套管放氣井環(huán)空流動(dòng)與電泵井合理沉沒度計(jì)算方法[J].石油學(xué)報(bào)，2010，31（1）：152-156.

[2] 孫浩玉.離心旋流式高效油氣分離器的研制及仿真研究[D].北京：中國石油大學(xué)出版社（華東），2006.

[3] 秦積舜，李愛芬.油層物理學(xué)[M].北京：石油大學(xué)出版社，2003：37-47，67-80.

[4] 于偉杰，顧輝亮.開發(fā)中后期試井解釋中的PVT及相關(guān)參數(shù)確定方法[J].油氣地質(zhì)與采收率，2004，11（2）：43-44.