有桿泵抽油機(jī)舉升系統(tǒng)節(jié)能降耗的有效途徑

王濟(jì)新（中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)處）

有桿泵抽油機(jī)技術(shù)一直是國內(nèi)原油開采中主要的舉升技術(shù)。目前，抽油機(jī)井約占國內(nèi)總采油井?dāng)?shù)的80%以上，產(chǎn)液量占85%以上，耗電量占生產(chǎn)總耗電40%左右，是油田生產(chǎn)用電第一大戶。雖然近年來其它的舉升工藝如螺桿泵、電動潛油泵、電潛往復(fù)泵等得到較快的發(fā)展，但有桿泵抽油機(jī)舉升工藝因其可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)，仍然在石油開采舉升工藝中占據(jù)統(tǒng)治地位。

二十多年來，國內(nèi)各油田大力開展提高抽油系統(tǒng)效率的工作，實施了多項研究。國內(nèi)之前對抽油系統(tǒng)的研究工作大多采用逐段分解方法，從多個環(huán)節(jié)的分效率得出系統(tǒng)的整體效率，并給出有桿泵抽油系統(tǒng)的效率目標(biāo)值[1-2]。這種分析方法在理論上確有其合理性，但由于在真實的抽油系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)密切相關(guān)，互相影響，要確定出抽油系統(tǒng)各部分的分效率值比較困難。本文根據(jù)有桿泵抽油系統(tǒng)的耗能特點和系統(tǒng)效率測試原理，結(jié)合油田生產(chǎn)管理的實際經(jīng)驗，分析各個環(huán)節(jié)中影響效率的因素，探索有桿泵抽油系統(tǒng)節(jié)能降耗的有效途徑。

1 有桿泵舉升系統(tǒng)效率的計算方法

SY/T5264—2006《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》[3]給出的抽油系統(tǒng)效率計算方法。

式中：

η效率——抽油井系統(tǒng)效率，%；

N有效——有效功率，kW；

N輸入——輸入功率，kW。

以抽油機(jī)的光桿懸繩器為界將抽油井分為地面和井下兩部分，分別測試和計算地面效率和井下效率。

因此，抽油系統(tǒng)的效率還可以表示為：

式中：

η地面——地面效率，%；

η井下——井下效率，%；

N光桿——光桿功率，kW。

光桿功率是光桿提升液體并克服井下各種阻力所消耗的功率。計算公式為：

式中：

A——抽油井示功圖面積，mm2；

Sd——示功圖減程比，m/mm；

fd——示功圖力比，N/mm；

ns——光桿實測平均沖速；min-1。

有效功率是將井下液體輸送到地面所需的功率，計算公式為：

式中：

Q——油井產(chǎn)液量，m3/d；

H——有效舉升高度，m；

ρL——油井液體密度，t/m3；

g——重力加速度，g=9.8m/s2。

2 有桿泵舉升系統(tǒng)耗能特點及分析

一個完整的有桿泵抽油機(jī)舉升系統(tǒng)，除了抽油機(jī)、抽油桿和抽油泵以外，還應(yīng)包括油管、井筒和其中的液體以及井底附近供給采出液的油藏。下面結(jié)合效率計算原理，分析抽油系統(tǒng)的耗能特點：

◇產(chǎn)液量高，舉升高度大，系統(tǒng)的有效功率就高。對于一口舉升高度一定的油井，產(chǎn)量越高，有效功率就越大。

◇光桿功率由提升液體和克服井下各種阻力所消耗的功率兩部分組成，如果井下各種阻力大、抽油泵的容積效率低，則光桿功率中舉升液體的有效部分所占比例就較小，井下效率就低。

◇輸入功率是實測數(shù)據(jù)，在光桿功率一定的情況下，如果地面各環(huán)節(jié)能量損耗低，輸入功率就降低。

◇有效功率高，輸入功率低，整個抽油系統(tǒng)就會維持較高的系統(tǒng)效率。

根據(jù)以上的分析，提高有桿泵抽油系統(tǒng)的效率要從四個方面入手。一是要提高油藏的供液能力，使系統(tǒng)的采出能力與供液能力相協(xié)調(diào)并且有合理的舉升高度；二是要有效解決影響井下系統(tǒng)高效運行的砂、蠟、磨損、腐蝕、結(jié)垢、漏失和彈性損失等各種問題，降低井下部分的能量損耗和故障率；三是要提高地面設(shè)備能量轉(zhuǎn)換和傳動的效率，減少無效能耗，提高地面效率；四是要加強(qiáng)抽油系統(tǒng)運行過程中的生產(chǎn)管理，降低井下裝置和地面設(shè)備的故障率，減少額外的能量損耗，使整個系統(tǒng)長時期處于良好的運行狀態(tài)。

3 提高系統(tǒng)效率和降低耗能途徑的分析

3.1 以供采協(xié)調(diào)為基礎(chǔ)構(gòu)建抽油系統(tǒng)

用優(yōu)化設(shè)計軟件可以找出油藏供液能力和抽油泵的排出能力的協(xié)調(diào)點見圖1，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行抽油設(shè)備選型、工作參數(shù)的優(yōu)化和配套技術(shù)的比選工作。抽油井的工作參數(shù)包括泵掛深度、泵徑、沖程、沖速和油井開關(guān)工作制度。前2項在抽油井完井后就已經(jīng)確定，后面3項還可以在生產(chǎn)過程中實施調(diào)整。

抽油系統(tǒng)供采協(xié)調(diào)的程度可以用抽油井的泵效來表示。

式中：

η——泵效，%；

Q液——油井的實際日產(chǎn)液量，m3/d；

Q理——抽油泵的理論排量，m3/d。

圖1 抽油系統(tǒng)的供排協(xié)調(diào)圖

由于多種因素的影響，油井的實際產(chǎn)量一般遠(yuǎn)低于抽油泵的理論排量，即泵效總是小于100%，正常情況下一般在20%～70%之間。泵效越低，說明系統(tǒng)的供采協(xié)調(diào)程度越差，需要實施調(diào)整。

供采協(xié)調(diào)的另一個重要方面是保持合理的舉升高度。根據(jù)公式（4），有效功率與舉升高度成正比，但舉升高度有一個合理的范圍。圖2是在模擬井上做的試驗曲線，它表明系統(tǒng)效率隨舉升高度的增加而增加，在達(dá)到一定數(shù)值后效率的上升趨勢變緩。這里還有一個合理沉沒度的問題，沉沒度要能夠滿足油藏液體進(jìn)入抽油泵所需的壓力，提高沉沒度可以減少氣體對抽油泵的影響，但沉沒度過大又會降低井下效率，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[5]。

圖2 舉升高度與系統(tǒng)效率關(guān)系曲線

抽油機(jī)和抽油泵的選擇以及抽油桿柱設(shè)計是抽油系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的主要內(nèi)容。抽油機(jī)的內(nèi)容在3.3中論述。抽油泵要能夠適應(yīng)出砂、氣體影響、腐蝕等各種情況，做到閥件開關(guān)及時、泵的容積效率高、漏失量小。桿柱設(shè)計要保證強(qiáng)度和可靠性要求，處理好偏磨和腐蝕等問題。

3.2 完善配套工藝提高井下系統(tǒng)效率

影響舉升系統(tǒng)井下效率的因素有許多。有的來自油藏，有的來自系統(tǒng)本身。

1）結(jié)蠟。油井結(jié)蠟是原油中的重質(zhì)成分在一定條件下從原油中析出、沉積粘結(jié)在抽油泵閥件和抽油桿以及油管上某些部位的現(xiàn)象。結(jié)蠟是抽油井生產(chǎn)中常見的問題，會影響抽油泵的正常工作，增加井下載荷，嚴(yán)重時會堵死油管造成停產(chǎn)。一般采用在抽油桿上安裝尼龍刮蠟器、定期熱洗或采用化學(xué)清防蠟等措施解決結(jié)蠟問題。

2）氣體。溶解在原油中的天然氣在壓力和溫度等條件變化時會分離出來，分離出的氣體膨脹既能起到舉升作用，但也會影響抽油泵正常工作，降低泵的容積效率，一旦形成氣鎖會使抽油泵暫時失效。一般采用保持合理沉沒度，用防氣抽油泵、井下分離器并配合套管放氣措施解決氣體影響問題。

3）出砂。出砂是油藏巖石的膠結(jié)顆粒被液體沖刷剝離而被帶出油藏的現(xiàn)象，砂粒進(jìn)入抽油泵造成閥體和柱塞的磨損甚至卡泵現(xiàn)象，嚴(yán)重影響井下效率。一般采用疏和堵的兩類手段。砂錨和防砂篩管等措施可以阻止或減少砂粒進(jìn)泵、防砂泵能夠減少出砂對泵的不良影響。在井底附近實施化學(xué)防砂是成本較高但效果較好的一種方法。

4）磨損。抽油桿在油管中運行時會與管壁產(chǎn)生摩擦，在井身結(jié)構(gòu)較差的油井和水平井的造斜井段這種摩擦尤為嚴(yán)重。值得指出的是，當(dāng)摩擦和腐蝕同時存在時，兩種現(xiàn)象會相互激勵，加速井下設(shè)施的損壞，嚴(yán)重影響井下效率。采取的措施有，在抽油桿上加裝扶正器、使用防磨接箍、使用內(nèi)壁襯有耐磨金屬或高壓聚乙烯的油管等。

5）腐蝕與結(jié)垢。是注水開發(fā)油藏在中高含水期階段常見的問題。抽油泵組件、抽油桿和油管表面產(chǎn)生腐蝕和結(jié)垢會影響泵筒與柱塞的配合、增大漏失，降低井下效率，甚至造成卡泵故障。一般是使用防腐光桿、接箍、內(nèi)襯油管和特種抽油泵，或者定期向井中加入化學(xué)藥劑等方法解決腐蝕和結(jié)垢問題[5]。

6）彈性變形。油管和抽油桿的彈性變形也是影響井下效率的一個因素。油管和抽油桿在上下沖程載荷循環(huán)變化的過程中出現(xiàn)彈性伸縮，一般會使泵的實際沖程小于抽油機(jī)的沖程，影響泵的容積效率，進(jìn)而影響井下效率。為解決這一問題，一般是采用桿柱優(yōu)化措施，在泵掛深度大于1500m時使用油管錨將油管固定在套管壁上，以減少油管在生產(chǎn)中發(fā)生的彈性變形。

上述井下配套措施中，有些是在系統(tǒng)設(shè)計和完井時就要考慮和實施的，例如特種抽油泵、尼龍刮蠟器、短路熱洗裝置和桿管扶正裝置等，這些措施在系統(tǒng)投入運行后無法調(diào)整。有些則是要在生產(chǎn)管理過程中實施的，例如油井清防蠟的管理和某些防氣和防腐防垢措施。要強(qiáng)調(diào)的是，井下作業(yè)質(zhì)量對于保證系統(tǒng)可靠運行非常重要。

3.3 優(yōu)選抽油設(shè)備提高地面效率

在地面設(shè)備的選型和安裝階段主要從以下幾方面做工作。

1）優(yōu)選節(jié)能型抽油機(jī)。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，節(jié)能型抽油機(jī)已經(jīng)在國內(nèi)油田得到了普遍的推廣應(yīng)用。需要指出的是，節(jié)能設(shè)備并非就一定意味著節(jié)能和高效率。例如多數(shù)立式抽油機(jī)[6]和異相游梁平衡抽油機(jī)只適合低沖速運行，如果使用高沖速會增加能耗和故障頻率，而曲柄平衡游梁式抽油機(jī)對沖程、沖速的適應(yīng)范圍較廣。在供采協(xié)調(diào)程度較差的井上節(jié)能設(shè)備也難以取得好的節(jié)能效果。因此，要在系統(tǒng)供采協(xié)調(diào)的前提下，安裝與油井載荷相匹配的抽油機(jī)，并使設(shè)備有較高的負(fù)載率，一般應(yīng)在60%～80%之間。圖2也同樣反映出負(fù)載率與效率的關(guān)系，因為在設(shè)備已經(jīng)優(yōu)選的前提下，舉升高度大一般就意味著負(fù)載率高。

2）優(yōu)選節(jié)能型電動機(jī)。目前油田上稱為節(jié)能設(shè)備的電動機(jī)種類較多[7]，有些是高效率的節(jié)能型電動機(jī)，例如永磁電動機(jī)；有些是適合抽油機(jī)載荷特點、與一般電動機(jī)相比有節(jié)能效果的電動機(jī)，例如高轉(zhuǎn)差電動機(jī)、雙速電動機(jī)等。從一定意義上講，抽油機(jī)的負(fù)載率主要就是指電動機(jī)的負(fù)載率。在使用中要注意的是，各種電動機(jī)有其適用的范圍，電動機(jī)功率要與抽油機(jī)的負(fù)載相匹配。油田現(xiàn)場電動機(jī)的功率利用率一般在在20%～30%之間，少數(shù)可達(dá)到40%以上。提高設(shè)備的負(fù)載率是提高地面效率的一個重要手段。

3）確保抽油機(jī)較高的平衡度（率）。平衡度是影響地面效率的另一個重要因素。據(jù)研究，平衡度直接影響抽油系統(tǒng)效率和能耗[8]。圖3表明，游梁式抽油機(jī)在平衡度為80%～100%時能耗最低。常規(guī)型的曲柄平衡抽油機(jī)由于其結(jié)構(gòu)所限，平衡度只能保持較低水平（80%以上），而雙驢頭型等節(jié)能型抽油機(jī)和各種立式抽油機(jī)則可以實現(xiàn)較高的平衡率（85%或95%以上）。在設(shè)計階段優(yōu)選與油井載荷相匹配的抽油設(shè)備是實現(xiàn)高平衡度的前提。

圖4 平衡度與能耗關(guān)系曲線

4）保持設(shè)備的良好狀態(tài)。主要是指設(shè)備的基礎(chǔ)穩(wěn)固，連接可靠，各節(jié)點無松曠現(xiàn)象；軸承和鉸接點潤滑良好，抽油機(jī)曲柄剪刀差小，減速器運行平穩(wěn)；井口對中好，設(shè)備運轉(zhuǎn)順暢不蹩勁，無異常響聲等。優(yōu)選設(shè)備和高質(zhì)量安裝是設(shè)備能夠處于良好運行狀態(tài)的基礎(chǔ)。

3.4 加強(qiáng)生產(chǎn)管理維持抽油系統(tǒng)高效運行

抽油井的生產(chǎn)管理是油田上最主要的節(jié)能管理，管理內(nèi)容有以下幾個方面。

1）定期巡檢和錄取各項資料（產(chǎn)液量、含水、示功圖、動液面、運行電流等），了解生產(chǎn)情況并及時采取碰泵、憋壓和熱洗等措施處理抽油泵漏失等問題。

2）搞好設(shè)備維護(hù)。做好設(shè)備的一、二級保養(yǎng)，及時調(diào)整抽油機(jī)的平衡度，使皮帶和盤根盒保持合適的松緊度，維持良好的運行狀態(tài)。

3）通過日常管理確保井下配套工藝的效果。包括按合理周期保質(zhì)保量實施熱洗清蠟，對油氣比高的井合理控制套管壓力，按時添加清防蠟和防腐藥劑等。

4）完善區(qū)塊（或生產(chǎn)單位）的用電量和產(chǎn)液量的對應(yīng)計量手段，這樣可以經(jīng)常了解區(qū)塊整體的系統(tǒng)效率狀況，通過加強(qiáng)生產(chǎn)管理達(dá)到節(jié)能降耗的目的。這一點對目前多數(shù)油田來說實施的難度比較大。

4 結(jié)論

1）有桿泵抽油機(jī)舉升目前仍然是國內(nèi)油田主要的開采技術(shù)，系統(tǒng)的環(huán)節(jié)多，節(jié)能潛力較大。提高系統(tǒng)效率是一項系統(tǒng)性的工程，需要從井下、地面和油井管理等多個方面采取措施。

2）抽油泵的理論排量與油藏的供與采能力相匹配是系統(tǒng)高效運行的前提。這一點對于低產(chǎn)低能油井來說尤為重要。

3）井下配套工藝是抽油系統(tǒng)高效運行的保障。根據(jù)油藏和井況來選擇合適可靠的配套工藝，才能實現(xiàn)系統(tǒng)長期高效運行的目標(biāo)。

4）機(jī)、桿、泵的正常運行是實現(xiàn)抽油系統(tǒng)高效率的基礎(chǔ)。要優(yōu)選節(jié)能型和適應(yīng)油井狀況的設(shè)備。抽油桿和抽油泵的可靠性對于抽油系統(tǒng)的高效運行起到至關(guān)重要的作用。

5）生產(chǎn)管理是保證抽油系統(tǒng)高效運行的重要環(huán)節(jié)。生產(chǎn)管理的主要任務(wù)，是做好油井清蠟和設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)等工作，維持整個抽油系統(tǒng)良好的運行狀態(tài)。

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