降低抽油機(jī)井地面能耗技術(shù)在安塞油田的應(yīng)用

王 曼，王林平，魏立軍，張 倩，劉一山

(1.長(zhǎng)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(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021)

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

安塞油田生產(chǎn)原油年耗電量42 381.83萬(wàn)kWh，原油生產(chǎn)單耗為119.78 kWh/t，油井提液?jiǎn)魏?1.03 kWh/t，占生產(chǎn)用電的50.95%，油井的地面效率為41.32%，因此，降低抽油機(jī)井地面能耗，對(duì)于降低安塞油田生產(chǎn)成本，具有十分重要的意義。

1 抽油機(jī)井地面能耗高的因素分析

由于抽油機(jī)井機(jī)采過(guò)程中機(jī)器的電機(jī)、皮帶輪等部分組成的四連桿機(jī)構(gòu)都在地面之上［1］。通過(guò)測(cè)試和計(jì)算的方法得出，主要是變壓器、電機(jī)、抽油機(jī)等設(shè)備運(yùn)行造成抽油機(jī)井地面能耗高。

(1)變壓器因素

變壓器功率因數(shù)過(guò)低會(huì)造成變壓器低壓側(cè)無(wú)功損耗增大，計(jì)算電流和有功損耗增加。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是油田負(fù)載多為感性負(fù)載［2］。抽油機(jī)具有特殊的負(fù)載特性即脈動(dòng)負(fù)載。電機(jī)在帶動(dòng)抽油桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)負(fù)載遠(yuǎn)大于平均負(fù)載，抽油機(jī)上下行程負(fù)載不平衡，并且隨時(shí)波動(dòng)不穩(wěn)定。因此，抽油機(jī)所配電機(jī)功率高于平均負(fù)載功率，導(dǎo)致負(fù)荷率和功率因數(shù)都較低。

電網(wǎng)在感性負(fù)載運(yùn)行過(guò)程中需向用電設(shè)備提供相應(yīng)的無(wú)功功率。在配電變壓器的運(yùn)行中，其消耗的無(wú)功功率是消耗的有功功率的十幾倍［3］，無(wú)功電量在電網(wǎng)中的傳輸造成大量的有功損耗。

(2)電機(jī)因素

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

(3)抽油機(jī)因素

在油田中，游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)與深井泵的工作特點(diǎn)相結(jié)合，形成了特有的負(fù)荷特性——周期性交變負(fù)荷［5－6］。當(dāng)抽油機(jī)不平衡時(shí)，電機(jī)軸上會(huì)出現(xiàn)負(fù)扭矩。此時(shí)，三相異步電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時(shí)處于發(fā)電狀態(tài)，并產(chǎn)生負(fù)功［7］，影響地面系統(tǒng)效率，導(dǎo)致能耗較高。

2 降低抽油機(jī)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(zhì)量、電機(jī)效率和抽油機(jī)效率。

圖1 降低地面能耗對(duì)策圖

3 降低地面能耗的措施及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 提高配電質(zhì)量

3.1.1 應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償器

針對(duì)油井液量偏低，井底負(fù)荷較重，配備電機(jī)額定功率過(guò)大而造成運(yùn)行功率因數(shù)較小的油井，通過(guò)應(yīng)用單井就地?zé)o功補(bǔ)償器或井組集中無(wú)功補(bǔ)償裝置，有效提高變壓器與電機(jī)運(yùn)行效率及功率因數(shù)，改善變壓器和電機(jī)低電壓、大電流、高損耗的運(yùn)行現(xiàn)狀。

安塞油田共應(yīng)用了339套無(wú)功補(bǔ)償裝置，通過(guò)對(duì)35個(gè)井組無(wú)功補(bǔ)償安裝前后對(duì)比測(cè)試，采用無(wú)功補(bǔ)償后變壓器平均視在功率由原來(lái)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(wú)功功率補(bǔ)償器前后效果對(duì)比

3.1.2 應(yīng)用節(jié)能型變壓器

油田上運(yùn)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(duì)變壓器的運(yùn)行是很不經(jīng)濟(jì)的。要想變壓器節(jié)電降耗，改善配電設(shè)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(hù)方便、運(yùn)行費(fèi)用低，節(jié)電效果十分明顯，采用更新設(shè)備來(lái)降低配電網(wǎng)損耗，減小變壓器無(wú)功功率的浪費(fèi)。

3.2 提高電機(jī)運(yùn)行效率

根據(jù)前面分析，提高電機(jī)效率要從三方面開(kāi)展工作:消除負(fù)功現(xiàn)象，減少空載狀態(tài)，調(diào)整運(yùn)行功率。

3.2.1 消除負(fù)功現(xiàn)象

消除負(fù)功現(xiàn)象主要在于調(diào)整抽油機(jī)平衡。當(dāng)抽油機(jī)在重載時(shí)，電機(jī)從電網(wǎng)汲取了過(guò)多的能量，這部分能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)慣性能儲(chǔ)存于平衡塊中;當(dāng)抽油機(jī)輕載時(shí)，平衡塊將這部分慣性能釋放出來(lái)，驅(qū)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，此時(shí)電機(jī)做“負(fù)功”。電機(jī)會(huì)在不平衡時(shí)出現(xiàn)做負(fù)功現(xiàn)象，根據(jù)電能→機(jī)械能→電能的轉(zhuǎn)化過(guò)程，轉(zhuǎn)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(jī)平衡，減少造成負(fù)功的影響因素，可提高地面效率。

(1)對(duì)于供液不足容易發(fā)生液擊等情況的油井，應(yīng)用功率法調(diào)平衡比較適用。

(2)早期投運(yùn)的抽油機(jī)由于油田開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)變化，部分抽油機(jī)由于負(fù)荷加大，超載的情況越來(lái)越嚴(yán)重，故障損壞頻繁，從2003年開(kāi)始安塞油田先后投入199.8萬(wàn)元，采用復(fù)合平衡技術(shù)陸續(xù)對(duì)235臺(tái)超負(fù)荷抽油機(jī)進(jìn)行了加裝尾平衡的改造，改善了抽油機(jī)連桿、尾軸承、曲柄銷等部件的受力狀況，降低了抽油機(jī)的沖擊負(fù)荷，解決了抽油機(jī)平衡問(wèn)題，經(jīng)過(guò)測(cè)試平衡率由72.1%提高到92.6%，滿足了生產(chǎn)實(shí)際需要。

(3)對(duì)于早期老舊的游梁式抽油機(jī)，無(wú)法通過(guò)上述兩種方法調(diào)平衡的油井，進(jìn)行了平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的試驗(yàn)，可以實(shí)時(shí)調(diào)整抽油機(jī)的平衡狀態(tài)，達(dá)到提高地面系統(tǒng)效率的目的。經(jīng)測(cè)試，有功節(jié)電率7.9%，無(wú)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(jī)，降低電機(jī)額定功率

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

(2)應(yīng)用抽油機(jī)節(jié)電箱

為了減少空載狀態(tài)造成的電能浪費(fèi)，因此對(duì)于電機(jī)匹配不合理的抽油機(jī)，可以通過(guò)安裝抽油機(jī)節(jié)電箱來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)定子兩端的電壓，以適應(yīng)負(fù)載變化，改善系統(tǒng)配合，達(dá)到節(jié)能目的。

自2008年以來(lái)，更換應(yīng)用抽油機(jī)節(jié)電箱308臺(tái)，通過(guò)對(duì)30臺(tái)抽油機(jī)節(jié)電箱安裝前后對(duì)比測(cè)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(yīng)用抽油機(jī)節(jié)電箱308臺(tái)年累計(jì)節(jié)電127.71×104kWh(表2)。

表2 安裝抽油機(jī)節(jié)電箱前后效果對(duì)比

(3)應(yīng)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(kāi)發(fā)，因此適用抽油機(jī)集中控制節(jié)能裝置，該裝置優(yōu)化集成了共直流母線、無(wú)級(jí)變頻調(diào)參、軟啟動(dòng)等多項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。自2008年以來(lái)在安塞油田19個(gè)井組共計(jì)87口油井進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)價(jià)，經(jīng)測(cè)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(wú)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(jī)裝機(jī)功率可減小30%，綜合節(jié)電率達(dá)21.32%。

(4)應(yīng)用機(jī)采井間抽技術(shù)

在油井生產(chǎn)參數(shù)已經(jīng)優(yōu)化到最小的情況可考慮實(shí)施間抽［10］，它可以有效的減少抽油機(jī)井的無(wú)功作業(yè)，大幅度的降低油井能耗，避免了抽油機(jī)無(wú)效運(yùn)轉(zhuǎn)。智能間抽減少了現(xiàn)場(chǎng)操作的工作量，減少抽油機(jī)的工作時(shí)間，因此對(duì)三抽設(shè)備機(jī)械磨損明顯減少，對(duì)電機(jī)及傳送帶等其它機(jī)件的磨損率明顯下降，維修費(fèi)用也降低了。

3.2.3 調(diào)整運(yùn)行功率

(1)應(yīng)用永磁同步電機(jī)

根據(jù)抽油機(jī)的工作特性，要求電機(jī)能夠滿足啟動(dòng)扭矩大、有一定承受過(guò)載的能力、在較寬的負(fù)荷率下工作效率較高［11］，因此，永磁同步電機(jī)是較理想的選擇。安塞油田應(yīng)用永磁同步電機(jī)716臺(tái)，通過(guò)對(duì)60臺(tái)稀土永磁同步電機(jī)安裝前后對(duì)比測(cè)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(yīng)用多功率電機(jī)

多功率電機(jī)是根據(jù)抽油機(jī)負(fù)載大小實(shí)時(shí)功率轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)節(jié)能的［12］，因此多功率電機(jī)適合應(yīng)用于井況不穩(wěn)定的井。自2008年以來(lái)，更換應(yīng)用多功率電機(jī)334臺(tái)，通過(guò)對(duì)35臺(tái)多功率電機(jī)安裝前后對(duì)比測(cè)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(jī)使用前后效果對(duì)比

表4 多功率電機(jī)應(yīng)用前后效果對(duì)比

(3)應(yīng)用油井參數(shù)優(yōu)化技術(shù)

合理抽汲參數(shù)是油井高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)［13］，針對(duì)生產(chǎn)參數(shù)過(guò)大泵效偏低的油井可以采取參數(shù)優(yōu)化技術(shù)對(duì)油井進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，原則是先地面后井下，井下調(diào)參盡量安排在檢泵的時(shí)候進(jìn)行。較低的沖次使抽油機(jī)單位時(shí)間內(nèi)做的功減少，使輸入功率降低，從而降低光桿功率和抽油機(jī)載荷，提高電機(jī)運(yùn)行效率。通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化，對(duì)抽汲參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，在“長(zhǎng)沖程、適當(dāng)泵徑、低沖次”的原則下確定最佳匹配關(guān)系。油井參數(shù)優(yōu)化有效提高了泵效，達(dá)到降低機(jī)采井地面能耗目的。

3.3 提高抽油機(jī)效率［14］

3.3.1 應(yīng)用新型節(jié)能抽油機(jī)

CYJ7－2.5－26HY型整體彎游梁式抽油機(jī)(圖2)是針對(duì)低滲透油藏而設(shè)計(jì)的新型節(jié)能抽油機(jī)［15］，解決了長(zhǎng)慶油田部分油井使用8型機(jī)懸點(diǎn)載荷過(guò)剩，使用6型機(jī)懸點(diǎn)載荷不足的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)2.5 min－1超低沖次，電機(jī)可以靈活選取，對(duì)于產(chǎn)液量較低、要求沖次低時(shí)，選用Y180L－12/11 kW電機(jī)，對(duì)于產(chǎn)液量較高、要求沖次較高時(shí)，選用Y200L－8 /15 kW電機(jī)，滿足低滲透油田開(kāi)采的生產(chǎn)需要。該型抽油機(jī)采用游梁平衡方式，平衡率高，節(jié)能。安塞油田應(yīng)用了148臺(tái)7型節(jié)能抽油機(jī)，平均系統(tǒng)效率達(dá)到25.23%，經(jīng)測(cè)試，有功節(jié)電率達(dá)到8.7%以上。

3.3.2 定期保養(yǎng)，降低機(jī)械摩擦損耗

在抽油機(jī)抽油的過(guò)程中，抽油機(jī)能量損失在摩擦損耗中［16］。因此，降低機(jī)械摩擦損耗，強(qiáng)化抽油機(jī)維護(hù)保養(yǎng)，是提高機(jī)采系統(tǒng)地面效率的重要方面。主要包括電機(jī)、抽油機(jī)、井口各運(yùn)動(dòng)摩擦部位的潤(rùn)滑、皮帶輪“四點(diǎn)一線”及皮帶松緊調(diào)整及更換磨損嚴(yán)重變速箱等。

圖2 整體彎游梁式抽油機(jī)1－驢頭;2－整體彎游梁;3－游梁支承;4－支架;5－調(diào)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(dòng)機(jī); 13－基礎(chǔ);14－懸繩器

4 結(jié)論

(1)應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償器，有效提高變壓器與電機(jī)的運(yùn)行效率及功率因數(shù)，改善變壓器和電機(jī)低電壓、大電流、高損耗的運(yùn)行現(xiàn)狀，降低地面能耗。

(2)調(diào)整抽油機(jī)平衡，減小電機(jī)軸功率波動(dòng)，消除負(fù)功現(xiàn)象，減少電能損耗;

(3)合理匹配電機(jī)，應(yīng)用抽油機(jī)控制裝置及間抽技術(shù)，減少空載狀態(tài)，降低電機(jī)運(yùn)行的無(wú)功功率，提高電機(jī)功率因數(shù)，降低電機(jī)能耗;

(4)應(yīng)用高效電機(jī)及油井參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)功率，減少電機(jī)內(nèi)部損耗;

(5)應(yīng)用節(jié)能抽油機(jī)等高效抽油設(shè)備及做好抽油機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)，是降低抽油機(jī)井地面能耗的重要方面。

［1］呂崇偉，王毅.油田抽油機(jī)無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械與電子，2006(5):12－14.

［2］陳強(qiáng).影響抽油機(jī)井機(jī)采系統(tǒng)效率因素淺析［J］.中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011(12):196.

［3］譚合云.江漢油田配電系統(tǒng)降損節(jié)能措施分析［J］.中國(guó)科技信息，2007(23):20－22.

［4］鐘功祥，梁政，彭彩珍.提高機(jī)抽井系統(tǒng)效率的重要措施［J］.鉆采工藝，2003，26(3):50－52.

［5］張興戰(zhàn).抽油機(jī)井電機(jī)發(fā)電淺析［J］.油氣田地面工程，2006(7):43.

［6］曹玉泉.游梁抽油機(jī)負(fù)值功率分析［J］.河南石油，2000(1):31－32.

［7］薄保中，楊新海，王軍民，等.抽油機(jī)負(fù)功與電機(jī)功率測(cè)試儀表的合理選擇［J］.石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2000，16 (2):1－3.

［8］索傳波.油田電網(wǎng)的合理化運(yùn)行［J］.油氣田地面工程，2003(11):35.

［9］楊建華，曹新彩.提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率技術(shù)及應(yīng)用［J］.石油石化節(jié)能，2012(4):15－18.

［10］付升.采取有效技術(shù)措施降低機(jī)采系統(tǒng)能耗［J］.石油石化節(jié)能，2012(3):49－51.

［11］王彥，王艷麗.抽油機(jī)井綜合節(jié)能技術(shù)在河南油田的應(yīng)用［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2011(10):305－307.

［12］殷雷.抽油機(jī)用節(jié)能電機(jī)評(píng)價(jià)及改造方式的探討［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2008(9):30－32.

［13］李懷杰.低滲透油田提高采油、注水系統(tǒng)效率技術(shù)應(yīng)用推廣項(xiàng)目技術(shù)報(bào)告(R).2010.1，32－33.

［14］Using Intelligence to Improve Efficiency in Remote－Oilfield Operations:Case Histories(C).2010，SPE139211－MS.

［15］黃偉，劉顯，吉效科，等.CYJ7－2.5－26HY型抽油機(jī)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39(5):33－35.

［16］李勇.配套技術(shù)在降低抽油機(jī)井系統(tǒng)能耗中的應(yīng)用［J］.石油知識(shí)，2006(6):14－15.