抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用和常見(jiàn)問(wèn)題的分析及應(yīng)對(duì)策略

王斌 趙聚豪 焦曉明 何國(guó)珍（青海油田公司采油四廠）

機(jī)械采油是我國(guó)陸上油田生產(chǎn)原油的重要手段之一。而長(zhǎng)期、無(wú)間斷的運(yùn)行采油設(shè)備，會(huì)造成設(shè)備以及電能大量消耗，對(duì)抽油機(jī)所帶動(dòng)的抽油泵能否有效做功提出了較高的能耗要求。因此，必須要加強(qiáng)對(duì)傳統(tǒng)抽油機(jī)采油技術(shù)能耗的優(yōu)化和技術(shù)完善，用以滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)石油資源的實(shí)際需求。

1 高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

抽油機(jī)由于其特殊的運(yùn)行要求，所匹配的拖動(dòng)裝置必須同時(shí)滿足三個(gè)“最大”的要求，即最大沖程、最大沖次、最大允許掛重。另外，還須具有足夠的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，以克服抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)的靜態(tài)不平衡。為了可靠、快速地計(jì)算出抽油機(jī)系統(tǒng)臨界點(diǎn)，引用了電動(dòng)機(jī)功率裕度的定義，為抽油機(jī)提供高于輸出功率的后備能力[1-2]。

1.1 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，抽油機(jī)絕大部分負(fù)載的電動(dòng)機(jī)額定功率（輸出功率）為20%～30%。對(duì)普通電動(dòng)機(jī)而言，該運(yùn)行效率和功率因數(shù)特別低。對(duì)高轉(zhuǎn)差率多速電動(dòng)機(jī)來(lái)講，由于曲線平坦，在負(fù)載變化的情況下，其值變化不大，且由于機(jī)械效率和功率因數(shù)高于普通電動(dòng)機(jī)，致使有功功率降低，功率因數(shù)提高。抽油機(jī)具有啟動(dòng)平穩(wěn)、節(jié)電效果明顯、減小抽油機(jī)減速箱扭矩等優(yōu)勢(shì)。就節(jié)能方面而言，抽油機(jī)匹配高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)是合理的。

高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性造就了抽油機(jī)懸點(diǎn)最大負(fù)荷降低，抽油泵上行速度緩慢，抽油桿的彈性變形減小，從而使抽油泵的填充系數(shù)增加，吸液量增大，每沖次來(lái)油量增加，使單位液耗電能降低[3-4]。

1.2 存在問(wèn)題

青海油田自2010年自主生產(chǎn)并批量投產(chǎn)抽油機(jī)設(shè)備以來(lái)，基本配套安裝了YCCH系列高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)在使用中也存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)存在較多轉(zhuǎn)矩接線形式，對(duì)接線人員要求較高，須由專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行接裝。

2）高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)由于其自身特性，轉(zhuǎn)子電阻損耗功率發(fā)熱后散熱困難，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸承易磨損，造成非機(jī)械性損壞。

3）高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)作為抽油機(jī)的拖動(dòng)裝置，所匹配抽油機(jī)必須具備最大沖程、最大沖次、最大允許掛重三個(gè)基本要求。要想發(fā)揮其節(jié)能作用，對(duì)抽油機(jī)工作參數(shù)的調(diào)配要求較高。

4）受供電穩(wěn)定性影響較大。供電不穩(wěn)定或短暫波動(dòng)，極易造成超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)的繞組燒壞，維修成本高。

1.3 應(yīng)對(duì)策略

針對(duì)高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)使用中存在的問(wèn)題，建議采取相應(yīng)策略：安排專(zhuān)人負(fù)責(zé)對(duì)電動(dòng)機(jī)的拆裝及調(diào)整管理；定期維護(hù)檢修轉(zhuǎn)子軸承，加注專(zhuān)用的高溫潤(rùn)滑脂，以保障軸承工作環(huán)境；最大可能匹配抽油機(jī)工作參數(shù)，發(fā)揮高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)的功效；提升管理，定期開(kāi)展供電系統(tǒng)的檢查檢修。

2 低壓變頻啟動(dòng)柜的應(yīng)用

在青海油田現(xiàn)場(chǎng)，近千臺(tái)RD167系列低壓變頻器裝置配置安裝在相應(yīng)的啟動(dòng)柜中，通過(guò)改變工作電源頻率的方式來(lái)控制抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

2.1 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1）調(diào)節(jié)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)功率。主要體現(xiàn)在當(dāng)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)受載荷影響不能滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，多余的力矩增加了電動(dòng)機(jī)有功功率的消耗，造成電能浪費(fèi)。傳統(tǒng)方法是通過(guò)調(diào)整電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)輪的直徑大小來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)功率調(diào)整，費(fèi)時(shí)耗力；現(xiàn)在通過(guò)使用變頻裝置，只需調(diào)整輸出頻率即可滿足電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整的需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)通過(guò)該方法，節(jié)電量在75%以上。

2）有功功率得到提升，功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能。傳統(tǒng)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)無(wú)變頻控制，受生產(chǎn)的影響，電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率大，增加了線損和電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱，功率因數(shù)降低導(dǎo)致了供電有功功率的降低。大量無(wú)功電能消耗了設(shè)備的使用功率，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。通過(guò)使用變頻裝置，減少了無(wú)功損耗[6-8]。

3）軟啟動(dòng)節(jié)能。電動(dòng)機(jī)硬啟動(dòng)對(duì)供電沖擊較大，硬啟動(dòng)時(shí)過(guò)大電流對(duì)電動(dòng)機(jī)設(shè)備沖擊大，對(duì)設(shè)備使用壽命不利，因此對(duì)供電容量要求較高。通過(guò)使用變頻裝置后，利用變頻器軟啟動(dòng)功能，啟動(dòng)電流從0開(kāi)始，最大值也不會(huì)超過(guò)額定電流，減輕了啟動(dòng)大電流對(duì)供電和設(shè)備的沖擊。

2.2 存在問(wèn)題

盡管抽油機(jī)井采用變頻器裝置節(jié)能效果明顯，但在現(xiàn)場(chǎng)使用中仍然存在較多問(wèn)題，主要有以下方面：

1）變頻器安裝維護(hù)要求高。變頻器作為專(zhuān)門(mén)的設(shè)備控制裝置，通過(guò)一系列電力半導(dǎo)體控件的通斷作為電能控制裝置，現(xiàn)場(chǎng)安裝及后續(xù)維護(hù)對(duì)于技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)能力要求較高。

2）受供電或電網(wǎng)穩(wěn)定性影響大。現(xiàn)場(chǎng)所采用的變頻裝置受其處理單元的要求，過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)功能完備，受供電或電網(wǎng)穩(wěn)定性影響較大，變頻器工作不正常比較常態(tài)。如極速過(guò)電壓、母線過(guò)壓、恒電流保護(hù)等故障頻發(fā)，現(xiàn)場(chǎng)解除故障困難。

3）受工作環(huán)境影響大。油田采油現(xiàn)場(chǎng)大多為自然條件惡劣的開(kāi)放式環(huán)境，變頻裝置基本以模塊元件構(gòu)成，開(kāi)放環(huán)境下的粉塵等顆粒物質(zhì)和高溫對(duì)模塊的損害不可逆，導(dǎo)致變頻裝置更換成本高。

2.3 應(yīng)對(duì)策略

針對(duì)變頻器在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在的問(wèn)題。提出的應(yīng)對(duì)策略為：依托專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)裝置進(jìn)行維護(hù)。與此同時(shí)在維護(hù)過(guò)程中培養(yǎng)自主人員，以緩解變頻器受制不能正常工作，從而造成電能的過(guò)渡浪費(fèi)和消耗。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)控制柜加裝網(wǎng)格過(guò)濾裝置，解決變頻裝置密閉與散熱的矛盾，從而實(shí)現(xiàn)變頻裝置長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)。

3 其他節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

3.1 調(diào)整合適的沖程

油田常見(jiàn)的游梁式抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)游梁、驢頭做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)抽油桿、抽油泵不斷抽吸原油，經(jīng)泵和桿將原油帶出地面的過(guò)程。而沖程就是抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，光桿運(yùn)行到上死點(diǎn)和下死點(diǎn)之間的距離。

3.1.1 調(diào)整優(yōu)勢(shì)

對(duì)抽油機(jī)合適沖程的調(diào)整是制定抽油井“工作制度”的重要內(nèi)容之一。在對(duì)抽油井管理中，最常見(jiàn)的是通過(guò)對(duì)沖程的調(diào)整，控制油井的產(chǎn)液量，從而控制開(kāi)發(fā)速度。假定地層供液充足的情況下，如果調(diào)大沖程，油井的產(chǎn)液量就會(huì)增加；反之油井的產(chǎn)液量就會(huì)減少。當(dāng)?shù)貙拥墓┮耗芰Σ蛔銜r(shí)，通過(guò)調(diào)小沖程，可以減少油井產(chǎn)液量，通過(guò)控制適當(dāng)液面深度，使深井泵有一定的沉沒(méi)度，從而保證一定的泵效[9-10]。

3.1.2 效果分析

結(jié)合高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)和變頻裝置在油田的推廣應(yīng)用，對(duì)油井“工作制度”沖程、沖次進(jìn)行適度調(diào)整，能夠有效起到節(jié)能效果。例如，自2018年以來(lái)，對(duì)南翼山油田75口抽油機(jī)井進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整前，單井日用電量40kWh，單井產(chǎn)液量為1.4～3.2m3/d，抽油泵平均泵效36.4%。結(jié)合單井產(chǎn)液量調(diào)整后，變頻器頻率調(diào)整為28～35Hz時(shí)，單井日用電量30kWh，節(jié)約用電量達(dá)25%，與此同時(shí)，油井單井產(chǎn)液量為0.9～2.8m3/d，抽油泵平均泵效34.2%。較之調(diào)整前產(chǎn)液量下降，平均泵效下降。在此情況下，對(duì)抽油機(jī)沖程進(jìn)行了調(diào)整，將其中71口抽油機(jī)沖程調(diào)整至4.2m最大沖程。通過(guò)錄取數(shù)據(jù)可以看到，油井單井產(chǎn)液量為1.25～3.2m3/d，抽油泵平均泵效36.2%，達(dá)到了調(diào)整目的，并且取得了較好的節(jié)能效果。

3.2 抽油機(jī)的合理選型與適配

根據(jù)《能耗最低機(jī)采系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論》，應(yīng)用能耗最低機(jī)采系統(tǒng)設(shè)計(jì)10個(gè)步驟，從預(yù)測(cè)油井目標(biāo)產(chǎn)液量、含水率、動(dòng)液面入手，測(cè)定地面脫氣原油黏度和原油析蠟溫度，獲取油井底層原油物理參數(shù)，測(cè)定油層中部溫度和地表溫度，選取抽油機(jī)機(jī)型。

通過(guò)理論分析，初定機(jī)采系統(tǒng)中的油管管徑，抽油泵泵徑，下泵深度，抽油桿材質(zhì)，桿柱結(jié)構(gòu)，抽油機(jī)沖程、沖次的范圍，找出能夠達(dá)到產(chǎn)液量目標(biāo)的全部組合，對(duì)新投油井進(jìn)行優(yōu)化管柱配置，優(yōu)選抽油機(jī)機(jī)型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的合理選型和適配。

2020年12月開(kāi)始，在南翼山油田選出4口新投油井進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)選CYJB5-2.7-18HPF型抽油機(jī)作為試驗(yàn)機(jī)型，單從抽油機(jī)能耗分析取得了良好的節(jié)能效果。

優(yōu)化前平均單井實(shí)測(cè)功率為13.66kW，優(yōu)化后平均單井實(shí)測(cè)功率為6.32kW，平均單井節(jié)省功率7.34kW，平均單井年節(jié)電32149.2kWh，平均節(jié)電率53.73%。

3.3 間抽器在油井中的應(yīng)用

隨著油井壓裂后產(chǎn)量逐漸降低，僅采用優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)或降低電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)頻率，存在著油井沖次過(guò)低和電動(dòng)機(jī)發(fā)熱的現(xiàn)象，針對(duì)這部分油井現(xiàn)場(chǎng)采用外裝間抽設(shè)備（LBJC-22間抽器），油井間抽的生產(chǎn)制度。

油井間抽不但可以提高單井泵效，同時(shí)可以提高單井的系統(tǒng)效率，降低桿管干磨時(shí)間，可以延長(zhǎng)油井的免修期。截止2021年4月份，在南翼山油田調(diào)整間抽制度生產(chǎn)78井次。抽取12口間抽井對(duì)其泵效和系統(tǒng)效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。間抽井效率統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表1。

表1 間抽井效率統(tǒng)計(jì)分析

測(cè)試結(jié)果顯示，調(diào)整后平均泵效由24.83%提高到27.04%，系統(tǒng)效率由20.39%提高到22.07%。通過(guò)對(duì)比分析得出，78井次間抽制度調(diào)整前日均產(chǎn)液186.9m3，日均產(chǎn)油58.09t，調(diào)整后日均產(chǎn)液185.86m3，日均產(chǎn)油57.81t，產(chǎn)液量與產(chǎn)油基本持平，調(diào)整后單日生產(chǎn)時(shí)間較調(diào)整前減少142h，單井日生產(chǎn)時(shí)間減少11.8h/井次。

4 應(yīng)用評(píng)價(jià)

通過(guò)以上論述，不論應(yīng)用高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)，還是選用低壓變頻啟動(dòng)柜，以及采用抽油機(jī)沖程調(diào)整技術(shù)和抽油機(jī)的合理選型與適配技術(shù)分析，各項(xiàng)節(jié)能新技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果都比較顯著，單一應(yīng)用都有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與薄弱點(diǎn)。因此，通過(guò)對(duì)抽油機(jī)井管、桿、泵及地面參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，地面配套設(shè)備進(jìn)行綜合節(jié)能項(xiàng)目?jī)?yōu)化改造，才是節(jié)能技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的最優(yōu)解。2019年油井優(yōu)化節(jié)能技術(shù)節(jié)能測(cè)試綜合情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。從表2可以看出，綜合應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，能夠達(dá)到大幅度提高油田機(jī)采井系統(tǒng)效率，降低生產(chǎn)能耗的目的。

表2 2019年油井優(yōu)化節(jié)能技術(shù)節(jié)能測(cè)試綜合情況統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)陸上油田應(yīng)用有桿泵往復(fù)抽汲采油方式應(yīng)用廣泛，體量較大（92%的油井采用）。在采油工藝上應(yīng)用節(jié)能技術(shù)是油田企業(yè)適應(yīng)國(guó)家和企業(yè)自身發(fā)展的必然要求。僅僅依賴(lài)一種或兩種節(jié)能技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足企業(yè)效益發(fā)展的要求，而且通過(guò)分析不難得出，一種或兩種獨(dú)立的節(jié)能技術(shù)在應(yīng)用中都存在較多的問(wèn)題，各項(xiàng)技術(shù)各有優(yōu)劣。只有將各種技術(shù)有效結(jié)合，共同發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，摒棄劣勢(shì)，才能真正做到節(jié)能降耗，提高整體產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。