抽油機節(jié)能降耗的研究及探索

張 倩

(中國石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 輪臺 841604)

塔河油田主力油藏為奧陶系碳酸鹽巖縫洞型油藏，平均井深6.2 km，稠油密度介于0.92～1.12 g/cm3，平均黏度(50 ℃)為450 Pa·s，屬于典型的超稠油油藏，開采難度極大。經(jīng)過多年的實踐，形成了機抽、電泵2種主要的舉升方式，其中機抽是最主要的開采方式。早期油田應用14型抽油機，后引進了16型游梁式抽油機以解決高載荷的問題[14]，應用井下混配器、尾管懸掛裝置、電加熱桿增強稠油與稀油的混合能力，提升了機抽系統(tǒng)的井下效率[13]。隨著塔河稠油進入二次開采階段，注水、注氣保壓開采補充了地層能量，泵掛上提的工藝設(shè)計降低了井下負荷，井下系統(tǒng)效率進一步提升，現(xiàn)有抽油機配套進一步表現(xiàn)出偏大的情況。王雷等結(jié)合塔河油田抽油機井地面能耗的生產(chǎn)現(xiàn)狀，提出了應用節(jié)能變頻柜、高效電機、加強抽油機運行管理等治理措施提升地面效率[11-12]，但由于成本較高，推廣面有限。筆者針對抽油機老化、低效、能耗高的問題，運用節(jié)點分析法對影響地面能耗的主導因素進行分析，提出了優(yōu)化改進措施。

1 地面效率分析

抽油機地面效率包括電機效率、皮帶效率、減速箱效率、四連桿機構(gòu)效率四部分。

η地面=η電機×η皮帶×η減速箱×η四連桿

(1)

皮帶傳動效率一般可達91%～96%、減速箱效率為88%～93%左右、四連桿機構(gòu)傳動效率約為88%～95%[15]，通過強化管理，效率均能保持在較高的水平，因此，此次重點對與電機相關(guān)的效率進行分析。

采用影響因素無因次歸一化方法，通過分析單位量度下影響因素的權(quán)重，找出影響地面抽油機效率的主要方面依次是電機功率利用率、抽油機載荷利用率、抽油機平衡度[10]，如表1所示。

表1 機抽井地面效率影響因素權(quán)重表

1.1 電機功率利用率

電機功率指電機軸輸出功率與電機輸入功率的比值，主要功率損失包括銅損、鐵損、通風系統(tǒng)及軸承摩擦損耗[8]。采油二廠常用的14型抽油機配套的37 kW電機、16型抽油機配套55 kW電機。受抽油機系統(tǒng)載荷的不均衡特性及井下載率不高等因素的影響，電機功率無法達到額定值(見圖1)。

圖1 各類型抽油機做功分布圖

1.2 載荷利用率

各類型抽油機載荷利用率如表2所示。由表2中可以看出，抽油機平均載荷利用率低于55%，其中14型抽油機載荷利用率最高，為54.7%；900型抽油機次之，16型抽油機最低，因此，目前抽油機配套普遍偏大，造成設(shè)備的極大浪費。

表2 各類型抽油機載荷利用率

從抽油機載荷利用率和功率因數(shù)繪制分布圖，如圖2所示。由圖2中可以看出，電機額定功率配備偏大，按功率因數(shù)大于0.4的標準衡量，65%油井不合格。

圖2 功率因數(shù)與載荷利用率關(guān)系圖

1.3 抽油機平衡率

國內(nèi)油田普遍采用電流法進行抽油機平衡調(diào)整，電流法是利用鉗形電流表記錄抽油機運行過程中上、下沖程的電流峰值，以此判斷抽油機的平衡狀況[1]。通常將85%～115%區(qū)間作為電流平衡度的標準區(qū)間，認為標準區(qū)間內(nèi)的抽油機系統(tǒng)能耗最低。但電流法只能測試瞬時電流，無法判斷因負功引起的虛假平衡現(xiàn)象[2-3]。

2 技術(shù)對策

通過對地面效率的分析，影響地面抽油機效率的主要方面依次是電機功率利用率、抽油機載荷利用率、抽油機平衡度。載荷利用率與地面抽油機和井下機桿泵的匹配度相關(guān)、電機功率利用率與電機做工是否在合理區(qū)間有關(guān)、抽油機平衡度與懸點載荷、后配重相關(guān)，以下重點進行技術(shù)對策分析。

2.1 機型配套

結(jié)合液壓反饋式抽稠泵桿柱受力及載荷利用率分析發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有抽油機載荷利用率低，在確保抽油機、抽油桿安全的情況下，14型抽油機即可滿足56/38、70/44抽稠泵的舉升要求，16、900型抽油機可滿足70/32抽稠泵的舉升要求。根據(jù)目前各類型泵的分布，16型抽油機在6、7、10區(qū)及1000型抽油機在12區(qū)的配合造成抽油機載荷利用率低，產(chǎn)生極大的設(shè)備與電能浪費。

2019年新投入抽油機12臺，其中16型7臺，900型抽油機5臺，16型與14型單臺差價17萬，900型與16型單臺差價按照8萬計算，70%的優(yōu)化空間下可節(jié)約成本117.3萬元。

2.2 電機優(yōu)化

針對抽油機配套電機偏大，造成設(shè)備成本增加、功率浪費的情況，在選型設(shè)計時通過對配套的電機進行節(jié)能優(yōu)化。對于正常生產(chǎn)井通過電機換小節(jié)能[4]。

2020年6月對3口16型抽油機井實施55 kW換37 kW電機，更換后油井生產(chǎn)正常，平均日節(jié)電31.2 kW·h，節(jié)電率為14.2%，詳見表3。目前采油廠有16型抽油機159口，預計年節(jié)約用電181 kW·h，折算費用83.2萬元。

表3 抽油機55 kW換37 kW電機情況對比表

2.3 降低電壓

電器設(shè)備電壓過高會消耗電量、縮短電器壽命，適當降低電壓可以提高電機的功率因數(shù)，達到節(jié)電效果[5-8]。

選取2口井開展現(xiàn)場試驗調(diào)電壓節(jié)電效果如表4所示。由表4中可以看出，TH121124井電壓由242 V降至229 V，小時節(jié)電3.3 kW·h，節(jié)電率為22.8%；TH121124井電壓由247 V降至230 V，小時節(jié)電13.1 kW·h，節(jié)電率為73.4%。

表4 調(diào)電壓節(jié)電效果表

2.4 游梁平衡

針對電流平衡失真的情況，通過功圖懸重計算抽油機后配重，從而確定出配重調(diào)整的幅度[9-10]。

(1)雙驢頭式14型抽油機平衡符合公式：

W懸點=G配重*L/A+G結(jié)構(gòu)

(2)

式中：G配重是G配重箱和G配重塊的組合重量，W懸點為功圖上下死點懸點載荷的一半，其他參數(shù)見表5。

(2)16型復合平衡抽油機平衡符合公式：

W懸點=(L平衡錘*G平衡錘×n+(G曲柄×L曲柄))*

C/A*R+G結(jié)構(gòu)

(3)

式中：L平衡錘是平衡錘在曲柄上的位置，m，其余參數(shù)見表5，表中n為平衡錘個數(shù)，取值0、2或4。

表5 游梁式抽油機參數(shù)表

例：TH10115井70/44抽稠泵配套16型抽油機，4.2*3的工作制度生產(chǎn)平穩(wěn)，電流為69/72 A，功圖最大載荷為82.9 kN，最小載荷為63.2 kN，計算可得W懸點=(82.9+63.2)/2=73.05 kN。

現(xiàn)場平衡錘在0.3 m位置，平衡錘個數(shù)n=4，平均日耗電285 kW。

結(jié)合表5，應用式(2)計算抽油機懸點載荷W抽油機=83.37 kN，大于W懸點的73.05 kN。

依據(jù)公式可得：減少平衡錘n為2、調(diào)節(jié)L平衡錘為0.1 m時，W抽油機≈W懸點，調(diào)整后檢測抽油機電流為52/53 A，平均日耗電143 kW，平均日節(jié)電142 kW。

3 結(jié)論

(1)源頭設(shè)計時優(yōu)化機型配套可有效提高抽油機載荷利用率，降低設(shè)備費用與電能的損耗；

(2)更換小功率電機可以變相解決“大馬拉小車”的問題，該措施在滿足油井生產(chǎn)的同時可有效節(jié)電；

(3)電流法會產(chǎn)生負功引起的虛假平衡，嚴重耗費電量，游梁平衡法可取得機械上的有效平衡，降低抽油機能耗；

(4)適當降低電壓可以提高電機的功率因數(shù)，不影響油井生產(chǎn)的同時可有效節(jié)電；

(5)三項節(jié)能方式中游梁平衡法節(jié)電效果最佳，具有廣泛的適應性，可全面推廣。