潛油電泵節(jié)能降耗措施應(yīng)用及效果分析

吳秋詩（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

1 現(xiàn)狀

電動潛油離心泵采油系統(tǒng)由多級潛油離心泵、潛油電動機(jī)、保護(hù)器、油管柱及附屬部件、動力電纜、地面控制裝置（包括變頻器、控制屏、接線盒等）及輔助裝置（包括井口裝置）組成[1]。電動潛油離心泵采油系統(tǒng)與其他機(jī)械采油方式相比，具有排量大、揚程范圍廣、生產(chǎn)壓差大、井下工作壽命長、地面設(shè)備簡單等特點，也是一種應(yīng)用較廣的無桿式采油系統(tǒng)。當(dāng)油井日產(chǎn)液量較大時，系統(tǒng)效率較高。一般油井產(chǎn)液量在100 m3/d 以上時，多采用電動潛油離心泵采油。

某油田現(xiàn)有潛油電泵1 113 口，占總井?dāng)?shù)的1.5%左右。隨著油田進(jìn)入高含水開發(fā)階段，油井生產(chǎn)情況出現(xiàn)較大變化，潛油電泵出現(xiàn)不適用于中低產(chǎn)量井、維護(hù)工作量增加、偏離高效區(qū)不能在理想工況點下工作等問題。為了解決上述問題，通過優(yōu)化潛油電泵井參數(shù)，應(yīng)用自動補償控制技術(shù)、永磁同步電動機(jī)技術(shù)、電泵變頻調(diào)速技術(shù)，以及推廣應(yīng)用成熟管理技術(shù)，強(qiáng)化電泵井的日常管理，改善工作狀況，提高經(jīng)濟(jì)運行能力，實現(xiàn)電泵井節(jié)能降耗的目的。

2 潛油電泵節(jié)能降耗措施

2.1 自動補償控制柜技術(shù)

通過對345 口潛油電泵井進(jìn)行節(jié)能監(jiān)測，功率因數(shù)分布在0.5 以下的潛油電泵井有3 口，占總井?dāng)?shù)的0.87%；分布在0.5～0.7 有118 口，占總井?dāng)?shù)的34.20%，在0.7 以上潛油電泵井有224 口，占總井?dāng)?shù)的64.93%。潛油電泵功率因數(shù)監(jiān)測分布統(tǒng)計見表1，監(jiān)測的潛油電泵井有超過30%功率因數(shù)不合格，主要原因是潛油電泵井生產(chǎn)是變負(fù)載過程，由于產(chǎn)液量變化導(dǎo)致電動機(jī)功率利用率降低，進(jìn)而導(dǎo)致功率因數(shù)降低。

表1 潛油電泵功率因數(shù)監(jiān)測分布統(tǒng)計Tab.1 Distribution statistics of power factor monitoring for submersible electric pumps

針對功率因數(shù)不合格情況，在潛油電泵井上應(yīng)用自動補償控制柜，該技術(shù)主要是應(yīng)用動態(tài)補償技術(shù)[2]。動態(tài)補償是相對于靜態(tài)補償而言，新發(fā)展起來的一種先進(jìn)的補償裝置。動態(tài)補償與靜態(tài)補償最主要的區(qū)別就是補償?shù)乃俣炔煌憫?yīng)速度大于5 s的補償裝置即為靜態(tài)補償；能在2 s 內(nèi)對負(fù)荷變化作出反應(yīng)并開關(guān)的補償裝置則為動態(tài)補償。動態(tài)補償?shù)膬?yōu)勢主要為響應(yīng)速度很快、補償效果較好，適用于負(fù)荷變化較大的場合，還可以有效補償不平衡負(fù)載。但其應(yīng)用成本相對較高，若負(fù)載負(fù)荷穩(wěn)定則沒必要選擇動態(tài)補償。

對某采油廠25 口功率因數(shù)不合格潛油電泵井采用自動補償控制技術(shù)，改造前功率因數(shù)平均為0.652 0，改造后功率因數(shù)平均為0.810 4，無功節(jié)能率為38.26%，年可實現(xiàn)節(jié)電10.25×104kWh，潛油電泵應(yīng)用自動補償控制技術(shù)效果見表2。

表2 潛油電泵應(yīng)用自動補償控制技術(shù)效果Tab.2 Effect of applying automatic compensation control technology for submersible electric pumps

2.2 永磁同步電動機(jī)技術(shù)

潛油電泵用潛油電動機(jī)主要是三相異步電動機(jī)，可適應(yīng)油田潛油電泵井的交變負(fù)載特性。但作為異步電動機(jī)，由于需要外部電源供電進(jìn)行勵磁才能建立轉(zhuǎn)子磁場，因此損耗較大[3]。由于產(chǎn)液量較生產(chǎn)之初產(chǎn)生較大變化，導(dǎo)致潛油電泵低負(fù)載運行，對于異步電動機(jī)，在低負(fù)載下運行，其電動機(jī)效率、功率因數(shù)都比較低，產(chǎn)生了能源浪費。為了改變異步電動機(jī)低效、高耗的問題，應(yīng)用永磁同步電動機(jī)拖動潛油電泵。由于永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁場是永磁體，無須外部電源勵磁，而且在25%～120%負(fù)載下均可保持較高的效率和功率因數(shù)，因此與異步電動機(jī)相比效率可以提高2%～8%，線路損耗也將大幅降低[4]。

通過對某采油廠20 口潛油電泵井應(yīng)用永磁同步電動機(jī)，結(jié)合參數(shù)優(yōu)化和裝機(jī)功率優(yōu)選，改造后潛油電泵井綜合節(jié)能率達(dá)到了26.75%，可實現(xiàn)年節(jié)電量37.35×104kWh，潛油電泵應(yīng)用永磁電動機(jī)節(jié)能效果見表3。

表3 潛油電泵應(yīng)用永磁電動機(jī)節(jié)能效果Tab.3 Energy conservation effect of applying permanent magnet motor for submersible electric pumps

潛油電泵應(yīng)用永磁電動機(jī)在生產(chǎn)過程中具有以下優(yōu)點：效率高，無須勵磁電源，損耗小，且在25%～120%的負(fù)載下均持較高的效率，在輕載時效率遠(yuǎn)高于普通異步電動機(jī)；功率因數(shù)高，運行電流小，配電網(wǎng)損耗小。永磁電動機(jī)的功率因過永磁體磁場的強(qiáng)弱來決定，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，平均運行功率因數(shù)可達(dá)0.9 上。由于異步電動機(jī)的平均運行功率因數(shù)在0.4 左右，因此無功節(jié)電效身顯著，平均運行電流能降低50%以上，配電網(wǎng)損耗可以降低75%；起動力矩大、過載能力強(qiáng)，最大起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)達(dá)到3，解決了電動機(jī)功率匹配過大的問題。

2.3 潛油電泵變頻調(diào)速技術(shù)

電泵機(jī)組合理的排量效率應(yīng)為80%～120%。目前，油田進(jìn)入三次采油階段，電泵井產(chǎn)液量與投產(chǎn)初期產(chǎn)生了較大變化，生產(chǎn)負(fù)荷下降導(dǎo)致電泵機(jī)組生產(chǎn)運行過程中處于不合理運行狀態(tài)，對設(shè)備能耗及機(jī)組壽命產(chǎn)生較大影響[5]。同時，僅依靠油嘴調(diào)整產(chǎn)液的運行方式滿足不了油井產(chǎn)液量變化的需要，電泵機(jī)組較高的投入費用導(dǎo)致更換電泵會增加生產(chǎn)成本。因此，為了匹配潛油電泵生產(chǎn)實際，降低生產(chǎn)能耗，同時延長潛油電泵井的檢泵周期，保證正常生產(chǎn)，可采用變頻調(diào)速技術(shù)。

潛油電泵變頻調(diào)速技術(shù)是運用變頻控制柜和普通的潛油電泵機(jī)組配套調(diào)速的工藝技術(shù)，通過變頻控制屏內(nèi)的變頻系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)電泵井生產(chǎn)負(fù)荷變化自動跟蹤改變電源頻率，改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)多級離心泵的排量，使?jié)撚碗姳玫奶匦院陀途a(chǎn)能力相匹配、電泵機(jī)組在最佳工作區(qū)內(nèi)工作，達(dá)到減少機(jī)械及電氣故障、延長電泵井壽命、增產(chǎn)及節(jié)能的目的[6]。

對某采油廠6 臺潛油電泵井應(yīng)用變頻控制技術(shù)，電泵井安裝變頻控制柜前均為工頻50 Hz 運行平均運行電流為32.18 A， 平均有功功率為34.03 kW，平均系統(tǒng)效率為25.30%。安裝變頻控制柜后以變頻45～49 Hz運行，平均運行電流為26.83 A，平均系統(tǒng)效率為28.76% 。 運行電流降低了16.62%，平均綜合節(jié)能率為11.85%?？蓪崿F(xiàn)年節(jié)電量23.76×104kWh。潛油電泵應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能效果見表4。

表4 潛油電泵應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能效果Tab.4 Energy conservation effect of applying variable frequency speed regulation technology for submersible electric pumps

2.4 潛油往復(fù)泵采油技術(shù)

潛油往復(fù)泵結(jié)構(gòu)見圖1，潛油往復(fù)泵采油系統(tǒng)主要由地面控制裝置、往復(fù)泵、電纜、直線電動機(jī)等組成。該技術(shù)將數(shù)控往復(fù)泵潛入油井套管內(nèi)的油層底部，以直線電動機(jī)作為動力源，通過電動機(jī)帶動柱塞泵做往復(fù)運動，將油液舉升。由于傳動鏈短，節(jié)能效果較好，系統(tǒng)效率大大提高[7]。該技術(shù)對低產(chǎn)井具有降低能耗、消除偏磨、維護(hù)簡單、安全環(huán)保等優(yōu)勢，尤其適用于大斜度井、低洼井和環(huán)境敏感區(qū)井。以定型了永磁直線電動機(jī)、往復(fù)式抽油泵、地面控制系統(tǒng)三項主體技術(shù)。

圖1 潛油往復(fù)泵結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of submersible reciprocating pump

針對外圍采油廠產(chǎn)液量、滲透率低等實際情況更換潛油往復(fù)泵，目前已實施250 口井（直井69口，定向井178 口，水平井3 口），開井238 口，有效時率91.2%；平均免修期731 d，40 口井免修期超過1 000 d，其中8 口井超過2 000 d，最長2 695 d；與同排量抽油機(jī)相比，系統(tǒng)效率提高3.8 個百分點，節(jié)能率54.5%。

由于直線電動機(jī)直接驅(qū)動往復(fù)泵的柱塞運動而不需要任何中間傳動環(huán)節(jié)，能夠有效提升系統(tǒng)運行效率，節(jié)能效果顯著，與有桿泵相比可節(jié)能30%以上[8]。同時，應(yīng)用數(shù)控方式調(diào)整系統(tǒng)的運行參數(shù)，提高了油井?dāng)?shù)字化和智能化管理水平，降低了后期運行維護(hù)成本和勞動強(qiáng)度。

2.5 電潛螺桿泵采油技術(shù)

通過研制系列專用螺桿泵、低速大扭矩潛油電機(jī)和地面控制系統(tǒng)，主體技術(shù)基本成熟，形成了一套適用于排量10～80 m3/d、揚程1 200 m 電潛螺桿泵舉升工藝技術(shù)?！皾撚吐輻U泵+玻璃鋼敷纜復(fù)合連續(xù)油管”是井下機(jī)組與地面設(shè)備通過玻璃鋼敷纜復(fù)合連續(xù)油管相連接，電纜一端與潛油電動機(jī)相連，另一端與控制柜相連。地面變頻控制柜通電后，動力通過電纜傳送到潛油電動機(jī)，潛油電動機(jī)通過減速器、保護(hù)器、聯(lián)軸器（擾性軸）驅(qū)動螺桿泵的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而將井筒流體舉升至地面[9]。

投撈電纜式潛油螺桿泵工藝和“潛油螺桿泵+玻璃鋼敷纜復(fù)合連續(xù)油管”舉升工藝相比，主體舉升原理不變，改變的是電纜下入的方式。將潛油電動機(jī)及其他組件通過油管下人預(yù)定位置，在潛油電動機(jī)的上部設(shè)置對接插頭，再用特殊的承荷潛油電纜連接對接頭，從油管內(nèi)下入，在井內(nèi)實現(xiàn)插接和密封。該技術(shù)的核心部位是電纜插頭組件，必須確保其具有良好的密封性和穩(wěn)定性，以實現(xiàn)電纜的井下對接。

目前在用22 口井，平均日產(chǎn)液64.1 m3，動液面428 m，平均轉(zhuǎn)速265 r/min，與同區(qū)塊抽油機(jī)相比，節(jié)電率17.5%，系統(tǒng)效率提高3.1 個百分點，檢泵周期511 d。

2.6 其它措施

除采取相應(yīng)的技術(shù)改造措施外，在技術(shù)及生產(chǎn)管理方面采取搞好供排關(guān)系的協(xié)調(diào)，使?jié)撚碗姳门帕刻匦耘c油井的供液能力相匹配，及根據(jù)油井的產(chǎn)液、壓力、液面、電流、電壓等參數(shù)的變化，及時調(diào)整電泵井生產(chǎn)參數(shù)，減少停機(jī)故障，通過加強(qiáng)電泵井的動態(tài)管理，提高其運行效率。

主要包括以下幾個方面內(nèi)容：①優(yōu)化生產(chǎn)工作制度。對于潛油電泵排量較大，而油井產(chǎn)量相對較小的情況，可以采取間歇生產(chǎn)工作制度。②在潛油電泵機(jī)組中使用的控制屏，應(yīng)調(diào)整到欠載電流，當(dāng)運行電流低于這個值時，機(jī)組會自動停機(jī)。一段時間后，當(dāng)井中液面恢復(fù)到一定的高度，機(jī)組又會自動啟動繼續(xù)生產(chǎn)。③保證潛油電泵在特性曲線最佳排量范圍內(nèi)工作，達(dá)到連續(xù)生產(chǎn)的目的。有時還可以從油套環(huán)形空間輸入一部分液體，以便增加被舉升液體，保持電泵在高效點工作。④優(yōu)化電泵下泵深度要充分考慮油井靜壓、流壓等基礎(chǔ)資料的準(zhǔn)確可靠及油井的復(fù)雜狀況。⑤應(yīng)在檢泵作業(yè)時進(jìn)行優(yōu)化措施實施。由于潛油電泵系統(tǒng)的設(shè)備投資高，應(yīng)在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，根據(jù)各油井的具體情況進(jìn)行如電動機(jī)型號、下泵深度、電泵揚程等參數(shù)的優(yōu)化和選擇，實現(xiàn)節(jié)約資金又節(jié)能的目的[10]。

3 結(jié)束語

隨著油田進(jìn)入單井產(chǎn)能降低及高含水開發(fā)后期，原有傳統(tǒng)潛油電泵出現(xiàn)與生產(chǎn)實際不匹配，能耗高、不適用于中低產(chǎn)量井、檢泵費用高等問題。結(jié)合油井生產(chǎn)實際，通過管理措施與技術(shù)改造措施并用，針對原有電泵井采取優(yōu)化參數(shù)設(shè)計、自動補償控制柜技術(shù)、永磁同步電動機(jī)技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)等電泵節(jié)能降耗技術(shù)；對低產(chǎn)井推廣應(yīng)用電動潛油柱塞泵技術(shù)，中等產(chǎn)量井采用舉電動潛油螺桿泵技術(shù)等措施。相關(guān)措施的應(yīng)用可有效提高潛油電泵井在新的生產(chǎn)情況下的適應(yīng)能力，解決電泵揚程偏大、能耗偏高、運行效率降低等問題，提高安全環(huán)保性能，進(jìn)一步拓展?jié)撚碗姳镁膽?yīng)用空間。