抽油機(jī)采油節(jié)能潛力分析及節(jié)能方案設(shè)計(jì)

張董磊 閆靜（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

目前，某采油廠共有10 230口井，其中系統(tǒng)效率低于30%的井有3 069口，占比48.76%，這一部分井由于傳動(dòng)效率低、供采關(guān)系不完善、大馬拉小車(chē)等原因?qū)е孪到y(tǒng)效率低于30%。進(jìn)行技術(shù)改造后，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率提高2%，年可節(jié)電2 000×104kWh以上，提高機(jī)采系統(tǒng)效率是目前亟待解決的問(wèn)題。對(duì)于節(jié)約生產(chǎn)成本投入，緩解電力緊張具有重要意義。通過(guò)分析現(xiàn)有機(jī)采技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及能耗，研究節(jié)能潛力并設(shè)計(jì)節(jié)能技術(shù)改造方案，提高電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)效率并優(yōu)化供排關(guān)系，對(duì)節(jié)能改造技術(shù)的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，從系統(tǒng)效率入手，以節(jié)能降耗為目標(biāo)，通過(guò)科學(xué)管理，達(dá)到控本增效的目的[1-3]。

1 機(jī)采能耗現(xiàn)狀

1.1 機(jī)采井現(xiàn)狀

2019年底，根據(jù)采油工程建設(shè)情況，某采油廠共投產(chǎn)機(jī)采井總數(shù)9 146口，開(kāi)井?dāng)?shù)8 524口。抽油機(jī)井總井?dāng)?shù)7 640口，其中節(jié)能抽油機(jī)22口，占比0.31%，節(jié)能電動(dòng)機(jī)6 720口，占比87.95%。電泵井總井?dāng)?shù)126口，電泵井變頻控制柜12套，占比9.5%，螺桿泵井總井?dāng)?shù)1 380口，均為螺桿泵直驅(qū)其中提撈井28口[4-6]。

1.2 采油系統(tǒng)能耗現(xiàn)狀

1.2.1 抽油機(jī)井系統(tǒng)效率現(xiàn)狀

統(tǒng)計(jì)薩南油田抽油機(jī)井系統(tǒng)效率分級(jí)情況，系統(tǒng)效率低于30%井3 069口，占統(tǒng)計(jì)井?dāng)?shù)比例48.76%，舉升單耗9.86 kWh/t，高出平均水平3.3 kWh/t，抽油機(jī)各節(jié)點(diǎn)能耗狀況理論分析結(jié)果見(jiàn)表1。研究表明，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率提高2%，年可節(jié)電2 000×104kWh以上，不僅可節(jié)約油田生產(chǎn)成本投入，還可以緩解油田電力緊張的狀況。系統(tǒng)效率只取決于損失功率與輸入功率之比，在輸入功率一定的情況下，損失功率越大，系統(tǒng)效率越低；反之，系統(tǒng)效率就越高。因此，要提高系統(tǒng)效率，就要減少抽油系統(tǒng)各部分的功率損失，進(jìn)而提高各節(jié)點(diǎn)的效率[7-9]。根據(jù)抽油機(jī)各部分效率與系統(tǒng)效率的關(guān)系研究表明，可以看出抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)效率、抽油泵效率、抽油桿效率及管柱效率損失率相對(duì)較高，是影響系統(tǒng)效率的主要因素。

表1 抽油機(jī)各節(jié)點(diǎn)能耗狀況理論分析結(jié)果Tab.1 Theoretical analysis results of energy consumption at each node of pumping unit

1.2.2 舉升系統(tǒng)能耗現(xiàn)狀

2019年抽油機(jī)井年度總耗電5×108k Wh，系統(tǒng)效率31.26%，相當(dāng)于僅1.56×108kWh電量有效舉升消耗，其余3.44×108k Wh電量在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中無(wú)效消耗，若將系統(tǒng)效率提高2%，可減少無(wú)效消耗電量1 000×104k Wh，效益可觀。

2 節(jié)能潛力分析及技術(shù)改造方案設(shè)計(jì)

2.1 潛力井分析

2.1.1 電動(dòng)機(jī)效率低潛力分析

1）小馬拉大車(chē)潛力：統(tǒng)計(jì)該廠載荷利用率大于80%的抽油機(jī)井主要分布在含聚濃度高井、結(jié)蠟嚴(yán)重井、三元結(jié)構(gòu)井、桿管偏磨井、低沉沒(méi)度高產(chǎn)井等方面，根據(jù)維修記錄顯示，因載荷過(guò)大導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)損壞維修占比30.6%。統(tǒng)計(jì)低效井中“小馬拉大車(chē)”井176口，平均電動(dòng)機(jī)利用率87.1%，高于正常水平41.9%，系統(tǒng)效率28.8%，低于正常水平3.6%[10-12]。

2）大馬拉小車(chē)潛力：電動(dòng)機(jī)輸出功率與輸入功率的比值為電動(dòng)機(jī)效率，抽油機(jī)井一個(gè)沖次內(nèi)載荷變化較大，當(dāng)抽吸工況變化時(shí)，載荷也隨之變化。這些因素是保證抽油機(jī)設(shè)備最大啟動(dòng)力矩，避免極端過(guò)載工況的發(fā)生，通常會(huì)在系統(tǒng)中匹配較大功率電動(dòng)機(jī)，由于電動(dòng)機(jī)在如此低的負(fù)載率下運(yùn)行，使得電動(dòng)機(jī)的效率、功率因數(shù)都長(zhǎng)期運(yùn)行在低水平的狀態(tài)，造成電動(dòng)機(jī)自身?yè)p耗、線(xiàn)路損耗增大，變壓器負(fù)載率降低等危害，極大的增加了采購(gòu)成本與生產(chǎn)成本。低效抽油機(jī)井中，“大馬拉小車(chē)”井530口，平均電動(dòng)機(jī)利用率18.8%，低于正常水平16.4%，系統(tǒng)效率26.1%，低于正常水平6.3%[13]。抽油機(jī)井能耗合理匹配潛力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 抽油機(jī)井能耗合理匹配潛力統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of reasonable matching potential of energy consumption of pumping wells

2.1.2 傳動(dòng)效率低潛力分析

在日常生產(chǎn)過(guò)程中，由于皮帶松緊度不合理、四點(diǎn)不一線(xiàn)、抽油機(jī)不平衡、啟動(dòng)載荷過(guò)大、抽油機(jī)負(fù)荷大、皮帶材質(zhì)不過(guò)關(guān)、井筒結(jié)蠟、生產(chǎn)變化引起負(fù)荷不均等問(wèn)題的井組，因皮帶過(guò)載或偏磨而產(chǎn)生斷裂，導(dǎo)致抽油機(jī)傳動(dòng)效率降低5%～10%。統(tǒng)計(jì)低效井中傳動(dòng)效率低井460口，平均皮帶使用周期46 d，平均系統(tǒng)效率只有25.8%，低于平均水平5.46%。

2.1.3 供排關(guān)系調(diào)整潛力分析

低效抽油機(jī)井中，供排關(guān)系失衡井1 900口，占比30.1%，較合理區(qū)抽油機(jī)系統(tǒng)效率低5.31%，這類(lèi)井近60%參數(shù)已無(wú)調(diào)整空間，無(wú)法依靠參數(shù)調(diào)整等管理辦法來(lái)控制供排關(guān)系，供排合理區(qū)與失衡區(qū)能耗對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 供排合理區(qū)與失衡區(qū)能耗對(duì)比Tab.3 Comparison of energy consumption between reasonable supply and drainage area and unbalanced area

2.2 節(jié)能技術(shù)改造措施方案設(shè)計(jì)

2.2.1 應(yīng)用雙速雙功率電動(dòng)機(jī)提高效率

目前在機(jī)械采油中，游梁抽油機(jī)仍然是主要的機(jī)械采油設(shè)備，但游梁抽油機(jī)也存在著一些不利因素，主要是啟動(dòng)扭矩大，平衡效果差，其次是沖次內(nèi)載荷變化較大，當(dāng)抽吸工況變化時(shí)，載荷也隨之變化。為保證抽油機(jī)設(shè)備最大啟動(dòng)力矩，避免極端過(guò)載工況的發(fā)生，通常會(huì)在系統(tǒng)中匹配較大功率電動(dòng)機(jī)，由于電動(dòng)機(jī)在如此低的負(fù)載率下運(yùn)行，使得電動(dòng)機(jī)的效率、功率因數(shù)都長(zhǎng)期運(yùn)行在低水平的狀態(tài)，造成電動(dòng)機(jī)自身?yè)p耗、線(xiàn)路損耗增大、變壓器負(fù)載率降低等危害，極大的增加了采購(gòu)成本與生產(chǎn)成本。綜上所述主要是存在于“小馬拉大車(chē)”井（176口）和“大馬拉小車(chē)”井（530口）。應(yīng)用雙速雙功率電動(dòng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造來(lái)解決上述問(wèn)題。

雙速雙功率電動(dòng)機(jī)工作原理在結(jié)構(gòu)上與Y系列電動(dòng)機(jī)相似，區(qū)別在于利用單槽內(nèi)下入單線(xiàn)“引出多組頭”，通過(guò)在多組頭之間改變接線(xiàn)方式，即實(shí)現(xiàn)了“雙極雙速”，該電動(dòng)機(jī)沿用了高轉(zhuǎn)差率的特性，利用降低轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到提高扭矩實(shí)現(xiàn)降低裝機(jī)功率的目的。既解決“小馬拉大車(chē)”和“大馬拉小車(chē)”的問(wèn)題，又可以解決低效電動(dòng)機(jī)的問(wèn)題，更適用于目前油田供排關(guān)系的調(diào)整，提高油井時(shí)率，為一線(xiàn)工人減輕勞動(dòng)力，同時(shí)節(jié)能效果明顯，投資回收期短，投資對(duì)比情況見(jiàn)表4。

表4 投資對(duì)比情況Tab.4 Investment comparison

2.2.2 應(yīng)用永磁半直驅(qū)拖動(dòng)裝置提高傳動(dòng)效率

針對(duì)存在傳動(dòng)效率低的460口井，為延長(zhǎng)皮帶使用周期采取了一系列措施，通過(guò)對(duì)皮帶材質(zhì)、皮帶輪包角、調(diào)整皮帶周期等原因分析，終極目標(biāo)是取消皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，經(jīng)調(diào)研，目前市場(chǎng)技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、效益評(píng)價(jià)好、安全可靠的是永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置。永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置是專(zhuān)為游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)的低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)，取消皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)，利用超薄機(jī)身，直接驅(qū)動(dòng)減速機(jī)輸入軸，可以最低至0.1沖次運(yùn)行，同時(shí)，該永磁電動(dòng)機(jī)使設(shè)備免去了皮帶等傳動(dòng)部件，降低采油設(shè)備的占地面積，提高了采油效率，同時(shí)大幅增加采油設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性，并有效地降低故障率及維修維護(hù)成本，永磁半直驅(qū)拖動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)與安裝見(jiàn)圖1。

圖1 永磁半直驅(qū)拖動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)與安裝Fig.1 Structure and installation diagram of permanent magnet semi-direct drive driving device

2.2.3 多功能調(diào)速配電箱優(yōu)化供排關(guān)系

針對(duì)存在供排關(guān)系不合理的1 900口井，擬用多功能調(diào)速配電箱，根據(jù)油井的實(shí)際情況，設(shè)置油井工作參數(shù)和工作方式，抽油機(jī)的沖程頻次，達(dá)到上、下沖程間的平穩(wěn)過(guò)渡。裝置本身具有抽油機(jī)所需的各種保護(hù)功能及相應(yīng)的放電回饋電路。采用調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖程頻次和上、下行程的速度，達(dá)到節(jié)電又增產(chǎn)的目的。該裝置為成熟技術(shù)，在大慶油田應(yīng)用廣泛，目前我廠累計(jì)應(yīng)用4 993臺(tái)，占比58.8%，該裝置可根據(jù)油井的實(shí)際供液能力，實(shí)現(xiàn)了不停機(jī)即可動(dòng)態(tài)調(diào)整抽取速度。具備多參數(shù)測(cè)量通道，可測(cè)量抽油機(jī)井的電參數(shù)、示功圖、溫度、壓力、產(chǎn)量、流量等，具有過(guò)載、欠載等保護(hù)控制功能?？梢詫?shí)現(xiàn)油井節(jié)電、增效及增產(chǎn)，從而提高整個(gè)有桿抽油系統(tǒng)的機(jī)采效率。達(dá)到方便生產(chǎn)，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。

3 節(jié)能改造技術(shù)應(yīng)用效果及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

3.1 雙速雙功率電動(dòng)機(jī)

2020年，節(jié)能監(jiān)測(cè)中心對(duì)雙速雙功率電動(dòng)機(jī)進(jìn)行能耗對(duì)比測(cè)試，顯示該裝置平均綜合節(jié)電率11.9%，706臺(tái)電動(dòng)機(jī)全年累計(jì)節(jié)電688.6×104k Wh，直接經(jīng)濟(jì)效益為439萬(wàn)元，綜合系統(tǒng)效率提高2.05%。機(jī)采系統(tǒng)項(xiàng)目在整個(gè)生產(chǎn)期內(nèi)增量投資回收期為5.69 a，選取其中的8口井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，雙速雙功率電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目效益預(yù)測(cè)見(jiàn)表5。

表5 雙速雙功率電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目效益預(yù)測(cè)Tab.5 Benefit prediction of double speed and double power motor project

3.2 永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置實(shí)施效果及效益評(píng)價(jià)

2020年，節(jié)能監(jiān)測(cè)中心對(duì)永磁半直驅(qū)拖動(dòng)裝置進(jìn)行能耗對(duì)比測(cè)試，以8口井為例進(jìn)行對(duì)比分析，永磁半直驅(qū)拖動(dòng)裝置項(xiàng)目效益預(yù)測(cè)見(jiàn)表6。顯示該裝置平均綜合節(jié)電率25.36%，62套拖動(dòng)裝置累計(jì)節(jié)電195×104k Wh，直接經(jīng)濟(jì)效益為124.2萬(wàn)元，系統(tǒng)效率提高4.07%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，62口試驗(yàn)井皮帶原平均使用周期83 d，年節(jié)約皮帶272條，節(jié)約費(fèi)用18萬(wàn)元。該裝置因延長(zhǎng)皮帶使用周期，提高油井時(shí)率，累計(jì)節(jié)約調(diào)整皮帶時(shí)間272 h，平均單井時(shí)率提高0.48%，可創(chuàng)造效益7.4萬(wàn)元，合計(jì)效益149.6萬(wàn)元。

表6 永磁半直驅(qū)拖動(dòng)裝置項(xiàng)目效益預(yù)測(cè)Tab.6 Benefit prediction of permanent magnet semi-direct drive driving device project

3.3 多功能調(diào)速配電箱

2020年，節(jié)能監(jiān)測(cè)中心對(duì)多功能調(diào)速配電箱進(jìn)行能耗對(duì)比測(cè)試，以8口井為例進(jìn)行對(duì)比分析，多功能調(diào)速配電箱項(xiàng)目效益預(yù)測(cè)見(jiàn)表7。顯示該裝置平均綜合節(jié)電率達(dá)12%。500臺(tái)多功能調(diào)速配電箱累計(jì)節(jié)電945×104kWh，直接經(jīng)濟(jì)效益603萬(wàn)元，系統(tǒng)效率提高2.37%。依據(jù)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析計(jì)算，機(jī)采系統(tǒng)項(xiàng)目在整個(gè)生產(chǎn)期內(nèi)增量投資回收期為4.49 a，單項(xiàng)投資回收期小于生產(chǎn)期10 a，高于行業(yè)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)濟(jì)效益較好。

表7 多功能調(diào)速配電箱項(xiàng)目效益預(yù)測(cè)Tab.7 Benefit prediction of multi-functional speed regulating distribution box project

3.4 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

2020年機(jī)采共計(jì)實(shí)施3項(xiàng)工程，改造1 268口井，年節(jié)電約1 828.6×104k Wh，直接經(jīng)濟(jì)效益1 191.6萬(wàn)元，投資回收期5.05 a，累積系統(tǒng)效率提高2.71%，某采油廠2020年機(jī)采工程項(xiàng)目效益評(píng)價(jià)見(jiàn)表8。

表8 某采油廠2020年機(jī)采工程項(xiàng)目效益評(píng)價(jià)Tab.8 Benefit evaluation of mechanical production project of oil production plant in 2020

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)現(xiàn)有機(jī)采節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及抽油機(jī)井系統(tǒng)效率和舉升系統(tǒng)能耗進(jìn)行分析，對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)具有重要意義。

2）通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)效率、傳動(dòng)效率及供排關(guān)系的潛力分析，提出節(jié)能技術(shù)改造方案：一是應(yīng)用雙速雙功率電動(dòng)機(jī)提高電動(dòng)機(jī)效率，解決“小馬拉大車(chē)”和“大馬拉小車(chē)”的問(wèn)題；二是采用永磁半直驅(qū)拖動(dòng)裝置提高傳動(dòng)效率，解決抽油機(jī)傳動(dòng)效率低的問(wèn)題；三是通過(guò)多功能調(diào)速配電箱優(yōu)化供排關(guān)系，解決供排失衡、無(wú)法調(diào)整的問(wèn)題。

3）對(duì)三種技術(shù)改造方案的應(yīng)用效果及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)。共改造1 268口井，年節(jié)電約1 828.6×104kWh，系統(tǒng)效率提高2.71%，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，降本增效的目的。