利用測試分析提高螺桿泵井系統(tǒng)效率

趙海麟（大慶油田工程有限公司）

螺桿泵是油田開發(fā)生產(chǎn)過程中僅次于有桿泵的一種重要機械采油設備。螺桿泵由于排量相對較低、能耗低，主要用于供液不足、動液面深、產(chǎn)量低的油井。隨著油田的深入開發(fā)，高品質(zhì)的整裝區(qū)塊日益減少，低滲透低效率區(qū)塊的比例逐漸增加，油井存在嚴重的供液不足問題。油井液面逐年下降，產(chǎn)液量降低，電耗增加，特別是對稠油井造成油井系統(tǒng)效率低、能耗高、開采成本高、能源浪費現(xiàn)象嚴重等問題[1]。為提高開發(fā)效率和降低能耗，各油田普遍采用油井螺桿泵采油工藝取代傳統(tǒng)的游梁式抽油機生產(chǎn)工藝，但不少油井特別是稠油井仍不能滿足螺桿泵抽油裝置的生產(chǎn)工藝要求，存在油泵空抽、能耗高、系統(tǒng)效率低等諸多問題，如何提高螺桿泵系統(tǒng)效率成為一個重要的研究課題。勝利油田孤東采油廠在調(diào)查研究的基礎上，提出了“利用測試分析提高螺桿泵井系統(tǒng)效率”這一攻關課題。

1 螺桿泵井系統(tǒng)效率測試情況

目前，勝利油田孤東采油廠共有螺桿泵井85臺，平均產(chǎn)液量為19.34 t/d，油井平均動液面為654 m，泵掛平均深度為1 162.3 m，油管吸入口平均深度為1 174.1 m，平均泵理論排量為35.7 m3/d，所配電動機絕大多數(shù)為4極、6極和8極三相異步電動機，其額定功率以22 kW為主（共60臺，）占總數(shù)的70.6%，其余電動機額定功率為30 kW、18.5 kW和15 kW（共15臺，占總數(shù)的29.4%），電動機運行方式主要采用變頻控制運行方式。

2012年，勝利油田孤東采油廠共完成螺桿泵井系統(tǒng)效率專項測試35臺，螺桿泵井系統(tǒng)效率測試率達到41.78%，平均系統(tǒng)效率為28.66%，平均功率因數(shù)為0.703。根據(jù)《孤東采油廠質(zhì)量監(jiān)督考核細則》，在測試的35口螺桿泵井中，單井效率不合格井有9口，單井功率因數(shù)不合格井有16口。表1為孤東采油廠2012年螺桿泵井系統(tǒng)效率測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表。

表1 孤東采油廠螺桿泵井系統(tǒng)效率測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2 影響螺桿泵井系統(tǒng)效率因素分析

螺桿泵采油系統(tǒng)由電動機、螺桿泵、抽油桿柱、皮帶減速箱以及井口裝置等部件組成。系統(tǒng)通過電動機將地面的電能傳遞到井下，從而將井下流體舉升到地面。螺桿泵采油系統(tǒng)的工作過程就是一個能量不斷傳遞轉(zhuǎn)化的過程，而在能量的每次傳遞過程中都會造成能量損失。螺桿泵采油系統(tǒng)舉升流體所必須的有效功率與輸入功率的比值為螺桿泵采油井的系統(tǒng)效率[2]，即

式中 P 為電動機的輸入功率，kW；P 為有效功率，即在某一揚程下，將一定量的井下流體舉升到地面所需要的功率，kW。

式（1）中P 和P 分別可以表示為

式中 U 為電動機的工作電壓，V； I 為電動機的工作電流，A； λ 為功率因數(shù)； H 為泵的揚程，m；q 為泵的實際排量，m3/h。根據(jù)螺桿泵舉升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作特點，按部件在系統(tǒng)中所處的位置，以盤根盒為界將系統(tǒng)分為地面效率和井下效率兩部分，則有

2.1 井下效率分析

螺桿泵井下效率可以表示為

式中 η1為抽油桿效率，%；η2為螺桿泵效率，%； η3為管柱效率（油管錨錨定時， η3=100%），%。

抽油桿柱效率η1為光桿功率與泵排出口效率的比值，即

式中 P 為光桿功率，kW；P 為桿液之間摩擦損失功率，kW；式（6）中桿柱與井下流體黏滯摩擦損失功率P 可表示為

式中 M 為桿管之間的摩擦扭矩，kN· m；ω 為螺桿的自轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

1）螺桿泵泵效低。表2為采油廠2012年螺桿泵油井泵效分布情況統(tǒng)計，可以看出，目前采油廠螺桿泵效低于30%的井有46口，占螺桿泵油井總井數(shù)的54.12%。從抽油泵效分布情況看，低泵效井多數(shù)是產(chǎn)液量較低的螺桿泵井，由于供液差，動液面深，油井產(chǎn)液量低，因而泵效較低，螺桿泵泵效低是造成螺桿泵井系統(tǒng)效率低的一個重要原因。

表2 85口螺桿泵油井泵效分布情況

從以上分析可看出影響井下效率最主要的因素是螺桿泵泵效低。

2）抽汲參數(shù)偏小。從現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)結(jié)果來看，有11口油井抽汲參數(shù)偏小，轉(zhuǎn)速低，因而造成產(chǎn)液量低，均小于10 t/d。由于油井排量低，有效功率小，造成油井系統(tǒng)效率低。

3）供排不協(xié)調(diào)。從現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)結(jié)果來看，全廠35口螺桿泵井平均動液面為551 m，而平均泵掛為1 102.3 m，平均沉沒度超過600 m，沉沒度過大，能耗增加，嚴重影響井下效率。

2.2 地面效率分析

地面部分由電動機、減速箱和皮帶組成，因此地面效率可以表示為

式中 η4為電動機效率，%；η5為減速箱和皮帶的效率，%。

1）電動機配置過大?，F(xiàn)場測試數(shù)據(jù)表明，35口油井平均輸入功率僅為4.73 kW，而電動機裝配平均功率為21.73 kW，電動機配置功率高，而運行功率低，電動機功率因素低，造成自身耗電增加，影響電動機運行效率。

2）電動機效率低。電動機使用時間長，或者是經(jīng)修復后使用，電動機效率降低。從現(xiàn)場測試情況來看，有5臺電動機是修復電動機，這些電動機效率低，電動機自身發(fā)熱損耗嚴重，其效率相對較低。

3）油井電動機功率因素低。從2012年測試數(shù)據(jù)可以看出，所測電動機功率因數(shù)在0.7以下的有20臺，占所測比例的57.14%，最低的為0.241，造成功率因數(shù)低的原因是部分電動機沒有安裝補償電容，或者補償量不合適。

4）皮帶傳動效率差。造成傳動效率低的主要原因是皮帶帶滑過松，兩輪對正度低；此外還與皮帶質(zhì)量、皮帶防滑劑的使用和使用效果等因素有關。

3 措施與效果

3.1 提升井下效率措施

1）應用螺桿泵井優(yōu)化設計軟件。該軟件是在系統(tǒng)研究地面驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)的工作特點的基礎上進行的，以螺桿泵產(chǎn)量和泵效作為優(yōu)化目標，優(yōu)化螺桿泵采油系統(tǒng)工作參數(shù)。建立了螺桿泵定向井桿柱動力學模型和桿柱空間三維運動模型，可以計算桿柱在任意時刻、位置的軸向力、側(cè)向力、扭矩，以及桿管間的接觸程度。

2）推廣應用油井生產(chǎn)參數(shù)自動監(jiān)測技術，實現(xiàn)油井生產(chǎn)參數(shù)自動監(jiān)測、生產(chǎn)數(shù)據(jù)在線自動查詢。實現(xiàn)機采螺桿泵油井電參數(shù)、壓力、產(chǎn)液量等參數(shù)自動采集，數(shù)據(jù)自動處理，并建立采油廠螺桿泵油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，具備停機自動報警功能等。

3）上提泵掛。隨著泵掛深度的增加，泵效先增加后下降，在泵掛深度達到一定深度時泵效最高，因此，采用此深度作為該井的設計泵掛深度。沉沒度過大，能耗增加，嚴重影響井下效率，建議將油井泵掛沉沒度控制在200 m左右。

4）改進泵的質(zhì)量，強化產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督。嚴格控制下泵質(zhì)量，做好井下工具的產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督，嚴禁不合格產(chǎn)品流入生產(chǎn)現(xiàn)場，同時加強測試。開井后若發(fā)現(xiàn)因質(zhì)量問題泵效較低和泵漏嚴重，應立即進行檢泵測試。

5）針對孤東油田油井出砂嚴重的問題，積極推廣應用防砂新技術、新工藝，提高油井防砂的成功率。

3.2 提升地面效率措施

1）合理匹配電動機，降低電動機額定功率。針對部分電動機額定功率過大現(xiàn)象，有針對性地更換小功率電動機，降低額定功率。對電動機不匹配的低效井進行優(yōu)化匹配，解決負荷不足問題。

2）淘汰低效電動機，推廣永磁同步節(jié)能電動機。由于永磁同步電動機永磁體的作用，其有較強的啟動力矩，與異步電動機相比具有很好的節(jié)能降耗效果，可有效降低一級功率的使用。

3）采用終端無功補償，提高功率因數(shù)。推廣動態(tài)無功自動補償控制柜，降低無功損耗，實現(xiàn)功率因數(shù)的動態(tài)補償，提高油井的功率因數(shù)。

4）選用高效傳動帶。采用窄形聯(lián)組帶或齒形同步帶，克服因震動、打滑現(xiàn)象造成的損失；使用普通三角帶，以每組5根為最佳組合。

3.3 其他管理措施

1）建立動態(tài)分析機制。將采油廠螺桿泵井用能分析納入采油廠月度生產(chǎn)經(jīng)營制度中，做到每月組織一次用能分析，每季度組織一次現(xiàn)場能耗監(jiān)測，找出影響油井低效的主要因素，制定“一井一策”措施方案。

2）建立檢查考核機制，加強監(jiān)督考核。

3）建立螺桿泵井定期系統(tǒng)效率跟蹤監(jiān)測制度。對效率低于10%的低效井實行重點系統(tǒng)調(diào)整，做到油井綜合治理同系統(tǒng)運行參數(shù)相結(jié)合；對高效井繼續(xù)加大跟蹤測試力度，及時調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，確保螺桿泵井在生產(chǎn)條件變化的情況下始終在高效區(qū)內(nèi)運行。

通過以上措施的實施和跟蹤分析，孤東采油廠機采系統(tǒng)螺桿泵井效率得到明顯提高，低效井比例有效下降。據(jù)統(tǒng)計，目前全廠平均螺桿泵井系統(tǒng)效率達30.89%，油井平均功率因數(shù)達到0.829，與2012年相比，分別提高了2.23%和0.126，取得理想的措施效果。

4 結(jié)束語

實踐證明，從影響螺桿泵井系統(tǒng)效率的諸因素入手，加強測試分析，有針對性地提出改進措施，推廣應用新技術、新工藝是提高螺桿泵井系統(tǒng)效率的重要手段。對低效井實行重點系統(tǒng)調(diào)整，建立螺桿泵井定期系統(tǒng)效率跟蹤監(jiān)測制度是提高螺桿泵井系統(tǒng)效率的重要途徑。

[1]朱益飛,張士杰,何衛(wèi)兵.變頻調(diào)速控制技術在油田螺桿泵井上的應用[J].變頻技術應用,2010,5（2）:95-96,113.

[2]呂彥平,吳曉東,李遠超,等.螺桿泵井系統(tǒng)效率分析模型及應用[J].石油鉆采工藝,2006,28（1）:64-68.