潛油電泵電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行監(jiān)測與評價(jià)

馬中山（中國石油新疆油田分公司實(shí)驗(yàn)檢測研究院）

1 現(xiàn)狀

在油田機(jī)械采油系統(tǒng)中，潛油電泵因其設(shè)備簡單， 安裝方便， 排量大， 是保持穩(wěn)產(chǎn)的一種有效采油方式， 也日益成為油田開采的重要手段之一[1-2]。為保證潛油電泵的經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行，需要對其主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行定期監(jiān)測，其中電動機(jī)功率利用率是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。

目前機(jī)械采油系統(tǒng)電動機(jī)功率利用率的測試與計(jì)算主要依據(jù)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6374—2016《機(jī)械采油系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)范》。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了機(jī)械采油系統(tǒng)電動機(jī)功率利用率具體的計(jì)算方法[3]，計(jì)算見公式（1）：

式中：ηd為機(jī)械采油系統(tǒng)電動機(jī)功率利用率，%；Pr為機(jī)械采油系統(tǒng)電動機(jī)平均輸入有功功率，kW；Pe為機(jī)械采油系統(tǒng)電動機(jī)額定功率，kW。

在測試潛油電泵井過程中，由于潛油電泵及電動機(jī)置于井下，無法測試潛油電泵電動機(jī)的實(shí)際輸入功率，通常在地面控制柜進(jìn)行電參數(shù)的采集，并以此為電動機(jī)輸入功率來計(jì)算電動機(jī)的功率利用率，使計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)大范圍的不合理偏差。

2 功率利用率測算方法分析

公式（1） 中要求測試電動機(jī)平均輸入功率。這需要對游梁式抽油機(jī)、地面驅(qū)動螺桿泵等在地面驅(qū)動的機(jī)械采油系統(tǒng)電動機(jī)進(jìn)行電參數(shù)測試采集，其采集過程相對簡單，電動機(jī)功率利用率的測試計(jì)算結(jié)果也是正確的。但對驅(qū)動電動機(jī)處于井下的潛油電泵類設(shè)備，由于舉升工藝的不同，因此無法直接測量井下潛油電動機(jī)輸入電功率參數(shù)，一般在地面控制柜的輸入端測試相應(yīng)的電功率參數(shù)，并以測試數(shù)據(jù)作為潛油電動機(jī)輸入功率計(jì)算功率利用率。潛油電泵井系統(tǒng)基本上由三部分八大件組成[4-5]：地面部分，包括控制屏、接線盒和變壓器；中間部分，主要為動力電纜；井下部分，包括潛油電動機(jī)、保護(hù)器、分離器和多級離心泵等。

潛油電泵機(jī)組下設(shè)到井里，動力電纜通過控制柜連接到井口變壓器上，電能通過動力電纜輸送給井下潛油電泵電動機(jī)，其中最主要的部分是潛油電動機(jī)，它驅(qū)動潛油電泵吸取地下井液實(shí)現(xiàn)舉升開采[6]。潛油電泵井系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 潛油電泵井系統(tǒng)流程Fig.1 Flow of submersible electric pump well system

其工作原理為潛油電泵機(jī)組將電能通過動力電纜傳輸給電動機(jī)，電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能帶動電潛泵高速旋轉(zhuǎn)。潛油電泵中的每級葉輪旋轉(zhuǎn)，致使井液壓力逐步升高，在潛油電泵出口處達(dá)到潛油泵要求的舉升壓力，井液便通過油管舉升至地面，最后通過地面管線傳輸至地面集輸系統(tǒng)[4]。

公式（1） 計(jì)算方法與實(shí)際情況存在較大偏差，因?yàn)闇y試的地面控制柜輸入端功率數(shù)據(jù)并不等于潛油電泵電動機(jī)輸入功率，不能作為電動機(jī)功率利用率的計(jì)算依據(jù)，這是由潛油電泵井的設(shè)備結(jié)構(gòu)決定的。潛油電泵井的電能經(jīng)地面控制柜通過動力電纜輸送至潛油電動機(jī)[7]，由于存在電纜電阻，必然會產(chǎn)生一定的功率消耗，并且隨著泵掛深度的增加，電纜消耗的功率也會增大，包含電纜的消耗功率，這導(dǎo)致在地面控制柜輸入端測得的電功率會大于潛油電動機(jī)實(shí)際輸入功率。因此，在地面控制柜的輸入端測得的電功率并不等于潛油電動機(jī)輸入功率，它包括了動力電纜損耗及潛油電動機(jī)消耗的兩部分功率，以此作為潛油電動機(jī)輸入功率來計(jì)算電動機(jī)功率利用率，會出現(xiàn)較大的結(jié)果偏差，影響了潛油電泵井經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的技術(shù)評價(jià)。

為正確評價(jià)潛油電泵運(yùn)行狀況，需要準(zhǔn)確測算潛油電泵電動機(jī)的實(shí)際輸入功率及功率利用率。由于在潛油電泵井地面控制柜測得的輸入功率主要包括動力電纜損耗及潛油電動機(jī)消耗兩部分功率，因此可采用動力電纜損耗功率及潛油電動機(jī)輸入功率分段計(jì)算的方法得到潛油電動機(jī)的實(shí)際輸入功率。

計(jì)算動力電纜消耗功率的理論依據(jù)是：首先測定潛油電泵機(jī)組的輸入電流，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16750《潛油電泵機(jī)組》 的動力電纜電阻參數(shù)[8]，參考SY/T 5904《潛油電泵選井原則及選泵設(shè)計(jì)方法》中電纜功率損失的計(jì)算方法[9]，計(jì)算電纜的實(shí)際功率損失。該方法是根據(jù)潛油電泵井動力電纜實(shí)際長度來計(jì)算電纜的消耗功率，同時(shí)也體現(xiàn)了泵掛深度對電纜實(shí)際消耗功率的影響。

潛油電泵動力電纜消耗功率：

式中： ΔP為動力電纜消耗功率，kW；I為控制柜輸出電流，A；R為動力電纜總電阻，Ω；Re為動力電纜單位電阻，Ω/m；L為動力電纜長度，m。

潛油電泵電動機(jī)功率利用率：

式中：η′d為潛油電泵電動機(jī)功率利用率，%；Pr為系統(tǒng)平均輸入有功功率，kW；Pe為潛油電泵電動機(jī)額定功率，kW。

對于潛油電泵類設(shè)備，由于舉升工藝的不同，動力電纜通過潛油電泵井地面控制裝置由油管垂直鋪設(shè)至井下電動機(jī)，因此無法直接測量井下潛油電動機(jī)輸入電功率參數(shù)。在地面控制裝置測試與計(jì)算潛油電泵電動機(jī)的功率利用率時(shí)，通常未考慮潛油電泵動力電纜損耗功率，導(dǎo)致出現(xiàn)潛油電泵電動機(jī)功率利用率不合理偏高現(xiàn)象。通過動力電纜損耗功率及潛油電動機(jī)輸入功率進(jìn)行分段計(jì)算的方法可得到潛油電動機(jī)的實(shí)際輸入功率，使?jié)撚碗姳秒妱訖C(jī)功率利用率的評價(jià)更加規(guī)范。

3 實(shí)測案例驗(yàn)證

對2 臺不同功率、不同生產(chǎn)工況的潛油電泵井進(jìn)行了現(xiàn)場測試，其他參數(shù)不變的情況下電動機(jī)功率利用率計(jì)算結(jié)果對比見表1。

表1 電動機(jī)功率利用率計(jì)算結(jié)果對比Tab.1 Comparison of calculation results for motor power utilization rate

2 臺潛油電泵采用不同計(jì)算方法得到的電動機(jī)功率利用率差別明顯，均有較大幅度下降。特別是HD4-15H 井的電動機(jī)功率利用率由122.0%下降到84.3%，運(yùn)行狀態(tài)由超負(fù)荷變?yōu)檎Ｘ?fù)荷，這與該井長期正常運(yùn)行的實(shí)際狀況是相符的。

按照修正后的計(jì)算方法，對20 臺潛油電泵井的電動機(jī)功率利用率進(jìn)行對比測算，整體評價(jià)結(jié)果出現(xiàn)了較大的變化。電動機(jī)功率利用率評價(jià)結(jié)果對比見表2。

表2 電動機(jī)功率利用率評價(jià)結(jié)果對比Tab.2 Comparison of evaluation results for motor power utilization rate

可以看出，采用常規(guī)測算方法對其電動機(jī)功率利用率進(jìn)行評價(jià)，測試的20 臺潛油電泵井中有13臺潛油電動機(jī)功率利用率超過100%，占比為65.0%；結(jié)果評價(jià)認(rèn)為這13 臺潛油電泵井的電動機(jī)為偏高或超負(fù)荷運(yùn)行，并存在一定的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。這說明以往在測試潛油電泵井的過程中，通常在地面控制裝置進(jìn)行潛油電泵井電動機(jī)輸入功率的參數(shù)采集，其中就包括了井下動力電纜所消耗的功率，如以此計(jì)算潛油電泵電動機(jī)的功率利用率，測算結(jié)果就會偏高；那么以常規(guī)測算方法的測算結(jié)果來判定電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，就會認(rèn)為電動機(jī)處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)；根據(jù)潛油電泵配套參數(shù)設(shè)計(jì)[10]，電動機(jī)的功率規(guī)格選型存在不合理情況。

采用修正后的動力電纜損耗功率及潛油電動機(jī)輸入功率分段計(jì)算方法的結(jié)果來看，在20 臺常規(guī)測算方法潛油電動機(jī)功率利用率評價(jià)100%合格的結(jié)果中，出現(xiàn)了9 臺功率利用率未達(dá)到大于或等于80%評價(jià)指標(biāo)要求的情況，評價(jià)結(jié)論為9 臺潛油電動機(jī)負(fù)載率偏低，不滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)的要求；并且20 臺潛油電泵未出現(xiàn)電動機(jī)功率利用率超過100%的情況。修正后的測算結(jié)果對應(yīng)了相關(guān)潛油電泵井的運(yùn)行記錄及技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)，且均與其電動機(jī)的設(shè)計(jì)值相吻合；因此采用修正后的測算方法及計(jì)算結(jié)果反映了潛油電動機(jī)真實(shí)的功率利用率，可以準(zhǔn)確評價(jià)潛油電動機(jī)功率利用率指標(biāo)。

4 節(jié)能潛力分析

通過對表2 中電動機(jī)功率利用率偏低的潛油電泵井（HD10-1-4F）進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整，油井整體運(yùn)行效果出現(xiàn)了較大的變化，潛油電泵井電動機(jī)功率利用率運(yùn)行調(diào)整結(jié)果見表3。

表3 潛油電泵井電動機(jī)功率利用率運(yùn)行調(diào)整結(jié)果Tab.3 Operation adjustment results of motor power utilization rate for submersible electric pump well

調(diào)整前HD10-1-4F 潛油電泵井電動機(jī)功率利用率為75.5%，對其運(yùn)行頻率進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整后，電動機(jī)功率利用率達(dá)到了80.5%，油井產(chǎn)液量提高了11.6 t，系統(tǒng)效率提高了1.2 個百分點(diǎn)，節(jié)能率為5.6%，日節(jié)電量為41.53 kWh。如對9 臺電動機(jī)功率利用率未達(dá)到評價(jià)指標(biāo)要求的潛油電泵井運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其均達(dá)到指標(biāo)要求，日可節(jié)電373.76 kWh，年可節(jié)電13.46×104kWh。

因此通過修正后的計(jì)算方法，首先對潛油電泵井功率利用率做出準(zhǔn)確的測算及評價(jià)，針對電動機(jī)負(fù)載率偏低的原因，根據(jù)油井供液能力科學(xué)合理地調(diào)節(jié)其工作頻率，可提高電動機(jī)的功率利用，使其達(dá)到節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5 結(jié)論

在潛油電泵節(jié)能監(jiān)測過程中，通常以地面控制柜輸入功率作為潛油泵電動機(jī)輸入功率，造成電動機(jī)功率利用率測算結(jié)果高于實(shí)際值，部分經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的電動機(jī)被判定為超載運(yùn)行，輕載電動機(jī)被判定為合格運(yùn)行，影響了潛油電泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理。通過分段計(jì)算電纜損耗功率的方法可準(zhǔn)確得到潛油電泵電動機(jī)的輸入功率，反映出潛油泵電動機(jī)實(shí)際負(fù)載情況，為潛油電泵井經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理及參數(shù)調(diào)整提供了科學(xué)依據(jù)。在潛油電泵電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行監(jiān)測與評價(jià)過程中發(fā)現(xiàn)：

1）以潛油電泵地面控制柜輸入功率作為電動機(jī)輸入功率計(jì)算得到的電動機(jī)功率利用率高于實(shí)際值，應(yīng)當(dāng)以潛油電泵電動機(jī)實(shí)際輸入功率來計(jì)算和評價(jià)電動機(jī)功率利用率。

2） 在SY/T 6374《機(jī)械采油系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)范》要求基礎(chǔ)上，參考SY/T 5904《潛油電泵選井原則及選泵設(shè)計(jì)方法》，采用分段計(jì)算法可獲得潛油電泵電動機(jī)的實(shí)際輸入功率值。

3）對電動機(jī)功率利用率較低的潛油電泵合理調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)電動機(jī)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及潛油電泵井系統(tǒng)效率的提高，降低采油單耗，取獲較好的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

由于未對電纜內(nèi)部的感抗、容抗作出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)檢測，忽略其對潛油電泵電動機(jī)功率利用率計(jì)算結(jié)果造成的偏差，后期需針對電纜的感抗、容抗對潛油電泵電動機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)影響作出進(jìn)一步的分析研究。