八面河油田提高機(jī)采系統(tǒng)效率之探討

龍華

【摘要】通過對八面河油田抽油設(shè)備的調(diào)查分析，以油層—井筒—抽油設(shè)備所組成的生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象，以經(jīng)濟(jì)效益和系統(tǒng)效率為目標(biāo)，分析其生產(chǎn)設(shè)備效率狀況，探討八面河油田開采過程中提高抽油機(jī)井的生產(chǎn)系統(tǒng)效率的方法，從而優(yōu)化抽油機(jī)井生產(chǎn)參數(shù)及合理的配備抽油設(shè)備，以便及時、準(zhǔn)確地分析和提高抽油機(jī)井生產(chǎn)系統(tǒng)的效率和效益。

【關(guān)鍵詞】八面河油田；游梁式抽油機(jī)；機(jī)采效率；參數(shù)優(yōu)化

1、前言

常規(guī)游梁式抽油機(jī)是八面河油田應(yīng)用最廣泛的抽油設(shè)備，目前全廠有常規(guī)游梁式抽油機(jī)1200多臺，但其運(yùn)行效率低，耗能大，是最為突出的問題。長期以來清河采油廠的技術(shù)人員一直致力于常規(guī)游梁式抽油機(jī)在不降低產(chǎn)量的前提下減少電耗工作，不斷優(yōu)化配套機(jī)械化采油設(shè)備，合理調(diào)整油井生產(chǎn)參數(shù)等取得了顯著的成效。但至目前全廠仍然沒有形成一套科學(xué)的評價體系來評價分析機(jī)采系統(tǒng)能耗效率。本文主要從油層—井筒—抽油設(shè)備所組成的生產(chǎn)系統(tǒng)為研究進(jìn)而從現(xiàn)場的角度提出提高八面河油田機(jī)采系統(tǒng)效率的機(jī)采配套措施，來有效提高油井系統(tǒng)效率，降低機(jī)采能耗成本，延長油井檢泵周期。

2、機(jī)采系統(tǒng)效率的構(gòu)成

機(jī)采系統(tǒng)效率主要由地面和地下兩部分系統(tǒng)效率組成。地面系統(tǒng)效率主要指懸繩器以上部分，主要是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率和地面的機(jī)械傳動效率，包括電機(jī)、抽油機(jī)等各部分的效率，而從懸繩器往下到井底部分的效率為地下效率，主要包括井口密封部分，井筒舉升部分。

2.1影響地面系統(tǒng)效率的主要因素

影響地面系統(tǒng)效率的主要因素有：電機(jī)、皮帶輪傳動、齒輪箱及四連桿機(jī)構(gòu)傳動等因素。

本文主要對地面系統(tǒng)的電機(jī)效率進(jìn)行分析。電機(jī)效率與電機(jī)類型、電機(jī)質(zhì)量有關(guān)，與抽油機(jī)平衡度有關(guān)，與電機(jī)功率配置有關(guān)，也與電機(jī)老化維修因素有關(guān)。目前主要采用的電機(jī)為普通高轉(zhuǎn)差電機(jī)、電磁調(diào)速電機(jī)和永磁同步電機(jī)。而這三類電機(jī)都有其明顯的缺陷性：

①高轉(zhuǎn)差電機(jī)

此類電機(jī)可以用小功率的30kW代替55kW使用。自身具有開始運(yùn)行以及運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受阻減速等軟特性，但這種類型的電機(jī)在其內(nèi)部安裝有發(fā)熱部分，散熱性差，雖然外殼采用散熱性能較好的鋁質(zhì)材質(zhì)制成，但還是容易因散熱性能差而燒毀電機(jī)，由于材質(zhì)和散熱性能差等原因運(yùn)轉(zhuǎn)電耗相應(yīng)加大，推廣受到較大限制。

②電磁調(diào)速電機(jī)

此類電機(jī)是一種控制簡單的交流調(diào)速電機(jī)，主要采用功率范圍在30～37kW作為配套功率；能夠在比較寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑連續(xù)性無級調(diào)速，調(diào)速范圍廣，精度高，隨機(jī)性能較好；但也存在明顯的缺點(diǎn)，主要是在超低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時丟轉(zhuǎn)嚴(yán)重；勵磁耗電高，空載時能耗高，空載運(yùn)行時電流一般在20～25A，節(jié)能效果較差；整機(jī)體積較其他電機(jī)要大，重量一般重達(dá)1t以上；使用過程中，控制開關(guān)、勵磁部分等元件易損，維護(hù)費(fèi)用較高，長時間使用相對故障率較高。

③永磁同步電機(jī)

這類電機(jī)主要是通過在轉(zhuǎn)子內(nèi)鑲嵌永磁體來建立磁場原理，體積小，效率高，更加省電，啟動力矩大，能適當(dāng)降低配套功率。但在運(yùn)轉(zhuǎn)時強(qiáng)力啟動會對井下抽油桿等采油設(shè)備造成較大影響，容易出現(xiàn)斷脫等現(xiàn)象，對電機(jī)本身來講，啟動電流過高，電網(wǎng)電壓偏低無法承受高達(dá)10倍左右的啟動電流，會出現(xiàn)震動、嘯震現(xiàn)象，反復(fù)升溫消磁會造成性能下降和耗能大等不良后果。

2.2影響井下系統(tǒng)效率的主要因素

影響井下系統(tǒng)效率的因素有：盤根盒、抽油桿傳動、抽油泵、生產(chǎn)參數(shù)、井筒流體、井筒結(jié)構(gòu)等因素。

①盤根盒效率

盤根盒過緊、井口偏中會造成懸點(diǎn)載荷增加，磨阻增大，效率降低。

②抽油桿傳動效率。井下管柱在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生彎曲變形會增加抽油桿與油管之間的摩擦，會無形中提高耗能。未根據(jù)油井工況來合理匹配與其相關(guān)的參數(shù)，抽油桿運(yùn)動頻率增加，都會影響系統(tǒng)效率。

③抽油泵效率

其功率損失的主要影響因素包括各組件之間摩擦、抽油泵的漏失、液體特征、生產(chǎn)參數(shù)等多方面。抽油泵的類型、泵徑以及地層供液特點(diǎn)和產(chǎn)液特征等綜合決定了摩擦損失功率和漏失損失功率大小，這類問題可以通過優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)以及作業(yè)等進(jìn)一步提高抽油泵的效率。

④生產(chǎn)參數(shù)影響

生產(chǎn)參數(shù)對井筒以上的地面效率及系統(tǒng)效率都具有較大的影響。研究數(shù)據(jù)顯示，在各種生產(chǎn)參數(shù)中，抽油機(jī)沖程長短、沖次快慢、泵徑大小、沉沒度以及抽油桿不同型號組合對系統(tǒng)效率特別是井下效率具有較大的影響。

⑤井筒流體影響

井筒溫度越高，液體粘度越低，不結(jié)鹽結(jié)蠟，則磨阻越小，系統(tǒng)效率越高。

⑥井筒結(jié)構(gòu)影響

井筒內(nèi)抽油桿與油管之間因井斜以及其他因素存在偏磨現(xiàn)象，井斜越大摩擦阻力越大，使系統(tǒng)效率受到一定的影響。

3、提高機(jī)采系統(tǒng)效率的措施

3.1電機(jī)的合理匹配

對于電機(jī)的選擇不但要考慮電機(jī)的特性而且其配套功率應(yīng)向抽油機(jī)適用功率極限靠近。根據(jù)抽油機(jī)靜止啟動載荷大、運(yùn)行交變符合變化大的特性，要想合理縮小配套電機(jī)功率，應(yīng)把低沖次稠油井與一般中、高沖次分為兩大類型進(jìn)行研究。選擇合理的電機(jī)，從源頭上徹底根除“大馬拉小車”的問題，這也是節(jié)能降本增效的核心問題。

3.1.1原油粘度高、低液低生產(chǎn)參數(shù)油井電動機(jī)合理配置

電動機(jī)對原油粘度高、低液低生產(chǎn)參數(shù)油井適應(yīng)性要求。這類油井儲層物性一般較差、原油在地層中難以運(yùn)移，常常低液低產(chǎn)，由于原油粘度高、流動性差、井筒舉升過程中摩擦阻力大，整個舉升設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承載負(fù)荷大，易出現(xiàn)抽油桿斷脫現(xiàn)象或者電機(jī)被燒毀以及無法啟動等問題。

此類油井日常生產(chǎn)中沖次較低，一般維持0.3～3.0n/min范圍，因此，對于此類油井選用電動機(jī)需要滿足以下三個方面的要求：①選用合適轉(zhuǎn)速的電機(jī)，其轉(zhuǎn)速范圍能保持在100-350轉(zhuǎn)適宜；②選用能低速或者軟啟動的電機(jī)來適應(yīng)高粘慣性大的油井，降低啟動載荷以及能耗；③通過選用低速或者軟啟動的電機(jī)在降低啟動載荷和能耗的同時，也為選用低功率的電機(jī)提供了更多的選擇，從而達(dá)到提高系統(tǒng)效率的目的。

針對該要求和特點(diǎn)我們可采用新型變極調(diào)速電機(jī)和皮帶輪調(diào)速相結(jié)合的方法來配套使用。雖然增加了皮帶輪調(diào)速器的同時勢必增加其傳動系統(tǒng)能耗損失，但皮帶系統(tǒng)的損失僅為1%-3%，權(quán)衡其利遠(yuǎn)遠(yuǎn)大與弊。

3.1.2中高含水、高液量油井的中高沖次電機(jī)的合理配置

在中高沖次的油井上其應(yīng)用的電機(jī)型號較多，其選擇空間也較大，但也成為油田選用電機(jī)的難點(diǎn)。目前抽油機(jī)常用恒速電機(jī)作為其原配套機(jī)型，由于抽油機(jī)慣性極大，從靜到動的過程中啟動載荷大，運(yùn)行過程中交變負(fù)荷變化大，低功率的恒速電機(jī)無法適應(yīng)這種要求，必須選用大功率電機(jī)與之配套，如12型抽油機(jī)大多選用的55kW或者37KW電機(jī)，但是其適用功率較低，僅達(dá)8～11kW，選用的大功率電機(jī)功率往往是其適用功率的3～5倍，這種選擇毫無節(jié)能技術(shù)含量，無形中提高了單井能耗。而目前采用的高轉(zhuǎn)差普通電機(jī)和永磁同步電機(jī)均有其明顯的不適應(yīng)性，建議采用新型自動變矩電動機(jī)。此類電機(jī)通過實(shí)現(xiàn)自動“變矩”來滿足油井軟啟動條件，同時可以大幅度降低功率，提高節(jié)能效果。為了降低啟動與運(yùn)行過程中負(fù)荷阻力，其主要通過應(yīng)用機(jī)械變矩結(jié)構(gòu)的原理來解決這一問題，用同一個動力源，轉(zhuǎn)動模式卻不相同。電機(jī)從電流大小來判斷出負(fù)荷變化，從而通過“變矩”機(jī)構(gòu)自動調(diào)整轉(zhuǎn)矩，確保抽油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。用在同類型抽油機(jī)上的電機(jī)功率大幅度下降，約為原機(jī)型的一半，其啟動變矩比2.7，啟動過程中最大電流不超過90A，運(yùn)行過程中電流保持在19～37A范圍。經(jīng)過投入現(xiàn)場多口油井使用，其性能穩(wěn)定，匹配性高，降耗節(jié)能效果較好，完全可以滿足安全生產(chǎn)。

此外在選好電機(jī)的情況下，還必須達(dá)到抽油機(jī)的平衡度要求，抽油機(jī)工作時平衡度（抽油機(jī)下行峰值電流比上行峰值電流）應(yīng)在80%～110%。抽油機(jī)運(yùn)行不平衡，會造成電動機(jī)運(yùn)行電流和功率因數(shù)波動過大，少量電動機(jī)出現(xiàn)負(fù)功現(xiàn)象，造成不必要的對電機(jī)的傷害。

3.2優(yōu)化沖程、沖次

對于低液、低能、低效及生產(chǎn)參數(shù)與產(chǎn)液不匹配的抽油機(jī)井，以“長沖程低沖次”的原則進(jìn)行參數(shù)運(yùn)行管理，提高機(jī)采系統(tǒng)效率。主要措施是應(yīng)用減速裝置、極電機(jī)、調(diào)小沖次，調(diào)大沖程。為了降低抽油機(jī)井的沖次，對抽油機(jī)沖次要求在4n/nin以下的抽油井必需配套10極以上的低速電機(jī)，沖次在2n/nin以下的必需配套16極的低速電機(jī)。一季度對比以上采取的措施前后檢測結(jié)果，平均節(jié)電率提高25.5%。

3.3優(yōu)化抽油桿柱

抽油桿柱的優(yōu)化主要包括選擇合適的長度、受力強(qiáng)度、不同直徑的組合及制造材料。為了確保抽油桿柱能滿足采液強(qiáng)度的需要，必須綜合制造材質(zhì)性能以及采液強(qiáng)度等綜合情況來確定其直徑。抽油桿柱在上下行過程中需要承受交變載荷，因此，在抽油桿內(nèi)產(chǎn)生了由最大到最小的不對稱循環(huán)應(yīng)力：

σmax=Pmax/frσmin=Pmin/fr

式中：fr—抽油桿柱橫截面積；σmax、σmin—抽油桿柱承受的最大、最小應(yīng)力，MPa。

當(dāng)計算抽油桿柱上部的σmax和σmin的時候，可以將整個抽油桿組合作為一個整體計算或者用儀器去測得相應(yīng)的最大或者最小應(yīng)力數(shù)據(jù)。在交變載荷作用下，抽油桿柱發(fā)生斷裂的主要因素是疲勞而非被最大應(yīng)力拉斷。因此，優(yōu)化抽油桿柱組合時除了考慮承受最大和最小應(yīng)力外，還必須考慮其所能承受的最大疲勞強(qiáng)度。

在非對稱循環(huán)應(yīng)力下的抽油桿強(qiáng)度條件為：σc≤[σ-1]

式中：[σ-1]—許用應(yīng)力，MPa；σ-1—對稱循環(huán)疲勞極限應(yīng)力，MPa；K—安全系數(shù)；σc—折算壓力，MPa。

3.4優(yōu)化沉沒度和泵徑，提高泵效

油井沉沒度不合理，造成有效揚(yáng)程減小及抽油機(jī)上下行程懸點(diǎn)載荷增加，井下效率較低。可以通過加深泵掛，調(diào)小泵徑，降低懸點(diǎn)載荷，增加產(chǎn)液量，提高機(jī)采系統(tǒng)效率。在提高泵效方面其主要原則為：

①油田開發(fā)后期，抽油泵需控制下入深度，特別是泵徑70mm或者83mm的深井泵更應(yīng)控制下井深度。

②合理沉沒度范圍應(yīng)因井而宜，油井含水超過85%，其沉沒度應(yīng)控制在150～250m之間，油井含水低于85%，其沉沒度應(yīng)控制在200～350m之間。

③提高泵效的另一個重要對策就是加強(qiáng)油井日常動態(tài)管理，對地層能量相對較差的油井可通過控制套氣的措施來確保合理的沉沒度，避免通過加深抽油泵下入深度來保證沉沒度。

④對于沉沒度偏高的井，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際采取換大泵或上提泵掛措施來提高泵效。

3.5加強(qiáng)井筒管理，減少管泵漏失

目前，因井筒內(nèi)油管與抽油桿之間偏磨以及腐蝕比較嚴(yán)重，油管本體或者絲扣部位穿孔漏失現(xiàn)象增多，主要解決辦法就是通過應(yīng)用各種新工藝降低腐蝕，延緩偏磨，要加強(qiáng)防偏磨工藝的使用效果跟蹤和評價工作，同時提高油井防腐工藝技術(shù)的利用率，以及確保入井管桿質(zhì)量來降低漏失。抽油泵漏失主要由于各種原因造成的上下凡爾密封不嚴(yán)形成的漏失。目前主要有效措施就是減少各種具有腐蝕性液體或者氣體腐蝕，擴(kuò)大防腐技術(shù)應(yīng)用面，加強(qiáng)地面配套工藝技術(shù)，優(yōu)化實(shí)施合理的生產(chǎn)參數(shù)，調(diào)整活塞深度，確保泵正常工作，減少漏失幾率。另外，提高系統(tǒng)效率，需要加密錄取油井各種生產(chǎn)資料，結(jié)合耗能平衡測試，在最低耗能的前提下保證最大的機(jī)采效率。

4、部分措施應(yīng)用情況

根據(jù)采油廠工藝所的安排，共調(diào)整優(yōu)化了42口井，系統(tǒng)平均效率由16.9%提高到21.5%，節(jié)能效果顯著。通過實(shí)施前后數(shù)據(jù)對比，單井日耗電下降51kWh，系統(tǒng)平均效率提高了4.6%，累計耗電節(jié)約59417kWh，具體效果如下表所示：

優(yōu)化調(diào)整工作量如下：

實(shí)施生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整9口，單井日耗電節(jié)約34kWh，系統(tǒng)平均效率提高5.2%，共節(jié)約用電15211kWh；更換電機(jī)17臺（調(diào)速換永磁電機(jī)12臺），單井日耗電節(jié)約55kWh，系統(tǒng)平均效率提高3.8%，共節(jié)約用電22153kWh；合理匹配電機(jī)9臺，單井日耗電節(jié)約18kWh，系統(tǒng)平均效率提高2.2%，共節(jié)約用電13521kWh；其它管理工作量7口，單井日耗電節(jié)約45kWh，系統(tǒng)平均效率提高5.3%，共節(jié)約用電8532kWh；

可見在現(xiàn)有的條件下，從日常管理出發(fā)，在確保采油廠生產(chǎn)經(jīng)營任務(wù)能順利完成的前提下，在日常生產(chǎn)管理中，完全可以通過優(yōu)化油井的生產(chǎn)參數(shù)、匹配合理的電機(jī)型號、提高抽油機(jī)的平衡率等一系列的管理優(yōu)化措施，來進(jìn)一步的提高整個采油系統(tǒng)的系統(tǒng)效率，從而達(dá)到降低耗能的目的。這是一項系統(tǒng)工程，通過精細(xì)化開展這項工程，可以保證油田的長期穩(wěn)定發(fā)展，對整個油田降本增效有著非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。

5、認(rèn)識和總結(jié)

①機(jī)采系統(tǒng)效率作為一項體現(xiàn)油田開發(fā)管理水平的極其重要的指標(biāo)，受到多種條件的影響。提高機(jī)采系統(tǒng)效率是一項對油井生產(chǎn)參數(shù)、采油設(shè)備和其他配套采油工藝不斷優(yōu)化調(diào)整以及進(jìn)行綜合優(yōu)化研究的重要工作，對整個油田降本增效有著非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。

②從影響系統(tǒng)效率提高的諸因素入手，依靠科技進(jìn)步，不斷開展節(jié)能新工藝的試驗(yàn)研究和應(yīng)用，是提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的重要手段。

③加強(qiáng)抽油機(jī)井的基礎(chǔ)管理工作包括機(jī)泵桿選擇、調(diào)參、作業(yè)、檢泵和調(diào)平衡等是提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的一個重要方面。油井生產(chǎn)管理工作做好了，投資少，效果好，這方面我們還需要長期的不斷的做好調(diào)整和優(yōu)化工作。

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