利用测试分析提高螺杆泵井系统效率

赵海麟（大庆油田工程有限公司）

螺杆泵是油田开发生产过程中仅次于有杆泵的一种重要机械采油设备。螺杆泵由于排量相对较低、能耗低，主要用于供液不足、动液面深、产量低的油井。随着油田的深入开发，高品质的整装区块日益减少，低渗透低效率区块的比例逐渐增加，油井存在严重的供液不足问题。油井液面逐年下降，产液量降低，电耗增加，特别是对稠油井造成油井系统效率低、能耗高、开采成本高、能源浪费现象严重等问题[1]。为提高开发效率和降低能耗，各油田普遍采用油井螺杆泵采油工艺取代传统的游梁式抽油机生产工艺，但不少油井特别是稠油井仍不能满足螺杆泵抽油装置的生产工艺要求，存在油泵空抽、能耗高、系统效率低等诸多问题，如何提高螺杆泵系统效率成为一个重要的研究课题。胜利油田孤东采油厂在调查研究的基础上，提出了“利用测试分析提高螺杆泵井系统效率”这一攻关课题。

1 螺杆泵井系统效率测试情况

目前，胜利油田孤东采油厂共有螺杆泵井85台，平均产液量为19.34 t/d，油井平均动液面为654 m，泵挂平均深度为1 162.3 m，油管吸入口平均深度为1 174.1 m，平均泵理论排量为35.7 m3/d，所配电动机绝大多数为4极、6极和8极三相异步电动机，其额定功率以22 kW为主（共60台，）占总数的70.6%，其余电动机额定功率为30 kW、18.5 kW和15 kW（共15台，占总数的29.4%），电动机运行方式主要采用变频控制运行方式。

2012年，胜利油田孤东采油厂共完成螺杆泵井系统效率专项测试35台，螺杆泵井系统效率测试率达到41.78%，平均系统效率为28.66%，平均功率因数为0.703。根据《孤东采油厂质量监督考核细则》，在测试的35口螺杆泵井中，单井效率不合格井有9口，单井功率因数不合格井有16口。表1为孤东采油厂2012年螺杆泵井系统效率测试数据统计表。

表1 孤东采油厂螺杆泵井系统效率测试数据统计

2 影响螺杆泵井系统效率因素分析

螺杆泵采油系统由电动机、螺杆泵、抽油杆柱、皮带减速箱以及井口装置等部件组成。系统通过电动机将地面的电能传递到井下，从而将井下流体举升到地面。螺杆泵采油系统的工作过程就是一个能量不断传递转化的过程，而在能量的每次传递过程中都会造成能量损失。螺杆泵采油系统举升流体所必须的有效功率与输入功率的比值为螺杆泵采油井的系统效率[2]，即

式中 P 为电动机的输入功率，kW；P 为有效功率，即在某一扬程下，将一定量的井下流体举升到地面所需要的功率，kW。

式（1）中P 和P 分别可以表示为

式中 U 为电动机的工作电压，V； I 为电动机的工作电流，A； λ 为功率因数； H 为泵的扬程，m；q 为泵的实际排量，m3/h。根据螺杆泵举升系统的结构和工作特点，按部件在系统中所处的位置，以盘根盒为界将系统分为地面效率和井下效率两部分，则有

2.1 井下效率分析

螺杆泵井下效率可以表示为

式中 η1为抽油杆效率，%；η2为螺杆泵效率，%； η3为管柱效率（油管锚锚定时， η3=100%），%。

抽油杆柱效率η1为光杆功率与泵排出口效率的比值，即

式中 P 为光杆功率，kW；P 为杆液之间摩擦损失功率，kW；式（6）中杆柱与井下流体黏滞摩擦损失功率P 可表示为

式中 M 为杆管之间的摩擦扭矩，kN· m；ω 为螺杆的自转角速度，rad/s。

1）螺杆泵泵效低。表2为采油厂2012年螺杆泵油井泵效分布情况统计，可以看出，目前采油厂螺杆泵效低于30%的井有46口，占螺杆泵油井总井数的54.12%。从抽油泵效分布情况看，低泵效井多数是产液量较低的螺杆泵井，由于供液差，动液面深，油井产液量低，因而泵效较低，螺杆泵泵效低是造成螺杆泵井系统效率低的一个重要原因。

表2 85口螺杆泵油井泵效分布情况

从以上分析可看出影响井下效率最主要的因素是螺杆泵泵效低。

2）抽汲参数偏小。从现场测试数据结果来看，有11口油井抽汲参数偏小，转速低，因而造成产液量低，均小于10 t/d。由于油井排量低，有效功率小，造成油井系统效率低。

3）供排不协调。从现场测试数据结果来看，全厂35口螺杆泵井平均动液面为551 m，而平均泵挂为1 102.3 m，平均沉没度超过600 m，沉没度过大，能耗增加，严重影响井下效率。

2.2 地面效率分析

地面部分由电动机、减速箱和皮带组成，因此地面效率可以表示为

式中 η4为电动机效率，%；η5为减速箱和皮带的效率，%。

1）电动机配置过大。现场测试数据表明，35口油井平均输入功率仅为4.73 kW，而电动机装配平均功率为21.73 kW，电动机配置功率高，而运行功率低，电动机功率因素低，造成自身耗电增加，影响电动机运行效率。

2）电动机效率低。电动机使用时间长，或者是经修复后使用，电动机效率降低。从现场测试情况来看，有5台电动机是修复电动机，这些电动机效率低，电动机自身发热损耗严重，其效率相对较低。

3）油井电动机功率因素低。从2012年测试数据可以看出，所测电动机功率因数在0.7以下的有20台，占所测比例的57.14%，最低的为0.241，造成功率因数低的原因是部分电动机没有安装补偿电容，或者补偿量不合适。

4）皮带传动效率差。造成传动效率低的主要原因是皮带带滑过松，两轮对正度低；此外还与皮带质量、皮带防滑剂的使用和使用效果等因素有关。

3 措施与效果

3.1 提升井下效率措施

1）应用螺杆泵井优化设计软件。该软件是在系统研究地面驱动螺杆泵采油系统的工作特点的基础上进行的，以螺杆泵产量和泵效作为优化目标，优化螺杆泵采油系统工作参数。建立了螺杆泵定向井杆柱动力学模型和杆柱空间三维运动模型，可以计算杆柱在任意时刻、位置的轴向力、侧向力、扭矩，以及杆管间的接触程度。

2）推广应用油井生产参数自动监测技术，实现油井生产参数自动监测、生产数据在线自动查询。实现机采螺杆泵油井电参数、压力、产液量等参数自动采集，数据自动处理，并建立采油厂螺杆泵油井生产数据库，具备停机自动报警功能等。

3）上提泵挂。随着泵挂深度的增加，泵效先增加后下降，在泵挂深度达到一定深度时泵效最高，因此，采用此深度作为该井的设计泵挂深度。沉没度过大，能耗增加，严重影响井下效率，建议将油井泵挂沉没度控制在200 m左右。

4）改进泵的质量，强化产品质量监督。严格控制下泵质量，做好井下工具的产品质量监督，严禁不合格产品流入生产现场，同时加强测试。开井后若发现因质量问题泵效较低和泵漏严重，应立即进行检泵测试。

5）针对孤东油田油井出砂严重的问题，积极推广应用防砂新技术、新工艺，提高油井防砂的成功率。

3.2 提升地面效率措施

1）合理匹配电动机，降低电动机额定功率。针对部分电动机额定功率过大现象，有针对性地更换小功率电动机，降低额定功率。对电动机不匹配的低效井进行优化匹配，解决负荷不足问题。

2）淘汰低效电动机，推广永磁同步节能电动机。由于永磁同步电动机永磁体的作用，其有较强的启动力矩，与异步电动机相比具有很好的节能降耗效果，可有效降低一级功率的使用。

3）采用终端无功补偿，提高功率因数。推广动态无功自动补偿控制柜，降低无功损耗，实现功率因数的动态补偿，提高油井的功率因数。

4）选用高效传动带。采用窄形联组带或齿形同步带，克服因震动、打滑现象造成的损失；使用普通三角带，以每组5根为最佳组合。

3.3 其他管理措施

1）建立动态分析机制。将采油厂螺杆泵井用能分析纳入采油厂月度生产经营制度中，做到每月组织一次用能分析，每季度组织一次现场能耗监测，找出影响油井低效的主要因素，制定“一井一策”措施方案。

2）建立检查考核机制，加强监督考核。

3）建立螺杆泵井定期系统效率跟踪监测制度。对效率低于10%的低效井实行重点系统调整，做到油井综合治理同系统运行参数相结合；对高效井继续加大跟踪测试力度，及时调整生产参数，确保螺杆泵井在生产条件变化的情况下始终在高效区内运行。

通过以上措施的实施和跟踪分析，孤东采油厂机采系统螺杆泵井效率得到明显提高，低效井比例有效下降。据统计，目前全厂平均螺杆泵井系统效率达30.89%，油井平均功率因数达到0.829，与2012年相比，分别提高了2.23%和0.126，取得理想的措施效果。

4 结束语

实践证明，从影响螺杆泵井系统效率的诸因素入手，加强测试分析，有针对性地提出改进措施，推广应用新技术、新工艺是提高螺杆泵井系统效率的重要手段。对低效井实行重点系统调整，建立螺杆泵井定期系统效率跟踪监测制度是提高螺杆泵井系统效率的重要途径。

[1]朱益飞,张士杰,何卫兵.变频调速控制技术在油田螺杆泵井上的应用[J].变频技术应用,2010,5（2）:95-96,113.

[2]吕彦平,吴晓东,李远超,等.螺杆泵井系统效率分析模型及应用[J].石油钻采工艺,2006,28（1）:64-68.