高能耗抽油機井分析及多方案治理

姜秋菊（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

1 背景介紹

能耗是衡量機采節(jié)能管理水平的重要指標，隨著油田開發(fā)，橫向上機采井數逐年增多，縱向上機采能耗逐年增加，耗電量攀升。據統(tǒng)計2019年A采油廠新投產265口油井，年耗電增加1160.7×104kWh，而措施節(jié)電僅達到951.2×104kWh，措施井節(jié)電量無法彌補新井增加電量，節(jié)能工作面臨巨大壓力和挑戰(zhàn)。

2020年抽油機能耗統(tǒng)計見表1，從中可以看出單耗高于10 kWh/t井占比35.71%，占較大比例。經分析單井能耗高的主要原因是產量低和電動機效率較低（占82.6%）[1-3]。對這部分井進行治理將有利于A采油廠控制能耗水平。

表1 2020年抽油機能耗統(tǒng)計

2 針對產量低井采取措施

單井產量低問題主要影響因素為泵況影響、供采不平衡影響兩方面。從采油工程角度出發(fā)，采用電參數判定異常井，縮短泵況井診斷周期，及時發(fā)現采取措施，減少能耗浪費；而對于供采不平衡井，根據具體情況采取優(yōu)化間抽制度和調整參數方式提高采油效率，降低單井耗電量。

2.1 電參數法判定異常井

泵況異常井的噸液耗電高、系統(tǒng)效率低、節(jié)能改造措施后基本達不到理想節(jié)能效果，不利于節(jié)能工作的開展，后期效果統(tǒng)計也會下拉節(jié)電效果，使節(jié)能指標降低，數據失真。

目前現場核實異常井沿用產量、功圖、動液面實測結果綜合判定，而現場示功圖測試管理規(guī)范要求為每月測試僅1～2次，頻次不足導致油井泵況發(fā)現不及時，現場核實需要時間也較長，不利于節(jié)能工作開展。A采油廠率先采用電參數擬合示功圖進行泵況診斷，借助該手段可以及時發(fā)現泵況異常井，提高抽油機井節(jié)能工作管理質量。借助“油氣生產物聯網系統(tǒng)”，利用系統(tǒng)對油井的生產狀態(tài)進行全面監(jiān)測能力，實現生產數據自動采集并實時傳輸回中控平臺，利用回傳的實時監(jiān)測電參數據，實現無載荷傳感器的示功圖生成，進而進行泵況診斷，實現即時發(fā)現泵況問題的目的。與傳統(tǒng)泵況診斷相比，電參法泵況診斷具有極強的時效性且不會受技術人員水平限制，提高了泵況井的發(fā)現率及準確性。

以電參數為基礎，結合其他數據如物性數據及設備數據等，分析電參數與懸點負荷關系，建立反擬示功圖模型；然后進行圖形特征識別，結合油井電流、產液等生產動態(tài)數據變化實現工況診斷[4-5]；形成適應局域網環(huán)境的電參數泵況在線分析診斷工具，軟件在局域網安裝成功后可自動采集數據并自動繪制電參數示功圖。

軟件在服務器安裝后，可通過局域網在線自動采集所需要的電參、生產動態(tài)等數據，訪問計算機與局域網聯網平臺軟件，實現局域網在線自動繪制電參功圖及自動診斷泵況?？蓪崿F電參數自動擬合示功圖曲線，移動光標可瀏覽曲線各個點數據值。圖形特征識別后，進行分類和標記，對比歷史示功圖，結合電流變化、產液變化、動液面變化等綜合進行桿斷、參數高、參數低、不平衡、結蠟、漏失等工況診斷。以B-1井為例，機型CYJY10-3-37HB，電動機額定功率37kW，沖程3 m，沖次4.5次/min，電流與有功周期性波動曲線見圖1，電參功圖與載荷力功圖對比見圖2。

圖1 電流與有功周期性波動曲線

圖2 電參功圖與載荷力功圖對比

自2020年4月應用以來，通過該平臺軟件，對安裝電參數采集設備的抽油機井進行監(jiān)測診斷，以采集的電參數為基礎，結合設備參數、現場動態(tài)生產數據等，對泵況進行初步診斷分類后人工進行核實，及時發(fā)現泵況變差問題。截至目前共診斷1 200井次，對比診斷工具診斷結果與實際，符合率達到90.5%。

2.2 優(yōu)化間抽制度解決低產井供采不平衡

間抽技術是通過關井提高井筒的儲液量，開井提高抽油效率，降低噸液耗電[6]。合理的間歇生產工作制度，不僅能保持較高的產液量，同時還能降低噸油成本并實現節(jié)能效果?，F場通過實測多個“開－關－開”工作制度下的壓力歷史曲線并進行擬合反映測試井在關井后的壓力恢復速度和抽油速度[7]。

通過現場試驗的方式，對不同產液級別井進行井下壓力測試，利用不穩(wěn)定試井資料解釋確定間歇生產情況下地層壓力情況，確定合理的間歇生產工作制度。以井E為例，對該井進行壓力測試后，給出五種間抽優(yōu)化方案，并建議推薦一種優(yōu)化方案，或建議連抽。基礎數據見表2，優(yōu)化方案對比見表3。

表2 基礎數據

表3 優(yōu)化方案對比

依據上述原理，進一步確定了以沉沒度、日產液量、日產油量（用含水率代表）為主要劃分依據的間抽制度，優(yōu)化調整的間抽制度見表4。

表4 優(yōu)化調整的間抽制度

由于間抽井受產量影響較大，因此在實際執(zhí)行時需考慮產量是否主動，并制定了相應的原則。即產量主動時，液量0～20 t井，多停、多節(jié)電；液量大于20 t井，適時間抽，增加節(jié)電量。產量波動時，液量0～20 t井，縮短停機時間；液量大于20 t井不執(zhí)行間抽，少影響油?，F場按新方案實施835井次，間抽前后液量降低1.9 t/d，單井節(jié)電46.98 kWh/d，平均單耗下降2.8 kWh/t，依據《石油企業(yè)用節(jié)能產品節(jié)能效果測定》ST/T 6422—2016中所述綜合節(jié)能率計算方法測算的節(jié)電率為23.7%），達到了提高抽油效率、節(jié)約用電的目的。

2.3 優(yōu)化生產參數

機采節(jié)能人員通過與動態(tài)組人員溝通，每月對參數偏大區(qū)內的井及時發(fā)現、及時分析、及時調整。優(yōu)化方式以“大泵徑、長沖程、低沖次”為原則[8]。累計調小參335井次，調小泵徑108井次，提高抽油效率，降低生產用電。

通過加強節(jié)能管理，及時在443口井采取調整措施，系統(tǒng)效率提高5%。機采單耗下降1.15 kWh/t，綜合節(jié)電率19.52%。節(jié)能調整措施實施效果見表5。

表5 節(jié)能調整措施實施效果

3 針對電動機效率低井采取措施

現場主要通過降低裝機功率和應用變頻控制箱解決電動機效率偏低的問題。

3.1 降低裝機功率

電動機效率與負載呈正相關變化，電動機負載率和效率關系曲線見圖3。在電動機負載由0%升高至20%過程中，電動機效率快速提升至70%以上；負載率在20%～40%，效率升高減緩；到40%～60%處電動機效率達到最高值；而后由于電動機銅損隨負載的提高呈二次方速度增加，致使總的電動機效率有一定幅度下滑。并實測了YCH225-8-15 kW和ZYCYT200L-15 kW等三相異步電動機的電動機效率隨負載變化情況。以上理論和實驗結果均表明，當電動機負載率在20%以下時，電動機效率將低于70%，能耗損失大，耗電量大，噸液單耗也隨之增大，此時提高電動機負載率在技術上應以降低電動機裝機功率為主[9]。

圖3 電動機負載率和效率關系曲線

對負載率小于20%的井，采取調整裝機功率提高電動機效率。目前雙速雙功率電動機在油田應用廣泛，其采用深槽式轉子提高啟動力矩、通過提高鐵芯容量降低鐵芯損耗、采用換向變極繞組提高了繞組系數、最小載荷與最大載荷之比的雙功率狀態(tài)可方便人工的隨時切換?，F場對配備雙速雙功率電動機的抽油機井實施了裝機功率調低檔位最小載荷運行措施，對低裝機功率下負載率仍處于較低水平的井采取更換其他更小功率電動機措施?，F場共實施150口井，平均裝機功率下降8.8 kW，平均消耗功率由5.28 kW降低到4.15 kW，降低了1.13 kW，措施合節(jié)綜電率為13.12%；電動機負載率由平均13.57%上升到20.41%，提高了6.8%，電動機效率得到了極大提高。

3.2 應用變頻控制箱

變頻控制箱可以方便的調節(jié)頻率、控制抽油機運行參數，可根據電動機的實際負載自動調節(jié)供給電動機的電壓，減少電動機的多余勵磁電流，減少電動機運行時的鐵損和銅損，使電動機始終處于高效、高功率因數的狀態(tài)下運行[12]。

CYJ-TS型智能化多功能調速變頻控制箱通過內置專用的運動控制程序，針對功率因數和效率低問題，可實時監(jiān)控抽油機的負載情況，利用獨特的算法自行調整電動機運行速度，實現上下沖程平穩(wěn)過渡。通過對電動機動態(tài)控制，實現提高電動機效率，改善電動機運行狀態(tài)的目的。為提高采油效率且易于調節(jié)，現場可以采用抽油機上、下沖程速度的變頻獨立控制模式，也可以通過鍵盤設定選擇普通的變頻調控。2020年更換該CYJ-TS型智能化多功能調速變頻控制箱664臺，調后功率因數由0.35上升到0.47；單井平均有功功率5.35 kW降低到3.98 kW，降低了1.37 kW，綜合節(jié)電率25.6%。

綜上，通過對不同問題井采取措施，機采系統(tǒng)節(jié)能水平提高，取得了良好的效果。多方案治理節(jié)能管控工作實施中，對高能耗機采共計采取節(jié)能措施1 992井次，措施后平均功率降低0.44 kW，系統(tǒng)效率提高了3.7%，全年節(jié)電794.27×104kWh，折合電費506.03萬元。

4 結論

1）數字化油田機采井電參數計量診斷測控平臺通過對示功圖進行圖形特征識別，可通過局域網在線自動采集所需要的電參、生產動態(tài)等數據，訪問計算機與局域網聯網平臺軟件，實現自動診斷泵況。該診斷工具可實現快速、批量發(fā)現泵況問題。

2）在間抽制度實施中，考慮了停井對產油量的影響，形成了綜合考慮產液量和含水率變化的新間抽制度，減少間抽對產液產油量的影響，緩解了間抽與生產之間的矛盾。

3）通過降低電動機裝機功率和應用變頻控制箱方式，可提高電動機的運行效率，進而降低單井能耗水平，減少高耗能井對整體電量影響。