提高机采井系统效率节能技术的应用与探讨

李飞（大庆油田有限责任公司第七采油厂）

1 影响机采井系统效率主要原因

1.1 沉没度对系统效率的影响

随着举升高度H 的增加，系统效率增加。试验得知，无论使用什么机型以及抽汲参数大小，随着举升高度的增加，系统效率都增加。当然，它们之间并非线性关系，随着举升高度的增加，系统效率增加的趋势逐渐变缓，直到达到最大。这是因为，当下泵深度一定时，随着举升高度的增加，而抽油泵的沉没度逐渐变小，导致抽油泵的排量系数下降，使抽油泵产量减少，影响系统效率的提高，所以举升高度并非越高越好。为了提高系统效率，就必须确定一个合理的举升高度[1]。因此，通过建立系统效率与沉没压力的关系式，在确定合理沉没压力的条件下，得出一个合理举升高度H0的计算公式，即

式中：L 为泵深，m；K 为油气比，t/m3；fw为含水率，%；Po为油压，MPa；H 为举升高度，m。

举升高度与液面的关系可由公式（2）表示：

式中：H 为举升高度，m；H液为液面高度，m；P油、 P套为油井的油压和套压，MPa；ρ 为混合液密度，kg/m3；g 为重力加速度，m/s2。

利用举升高度可以得到动液面，进而计算出沉没度。因此，采取相应的措施，使沉没度保持在合理值附近，系统效率达到较高水平。表1 为葡9-8-48 井系统效率随沉没度变化表。由表1 可知，油井的系统效率首先随着沉没度的上升而增加，到达一定的高度后又开始下降。

表1 葡9-8-48 井沉没度和系统效率数据变化

1.2 泵效对系统效率的影响

泵效是影响系统效率的重要因素，对于各种不同的泵径，泵效越低，系统效率就越低。通过分析葡112-57 井数据，证实泵效变化对系统效率变化的影响。由表2 可知，对抽油泵泵效下降的井，应检查抽油泵的工作状态，及时采取化清、检泵或者随检换泵等治理措施。

表2 葡112-57 井数据变化

1.3 抽汲参数对系统效率的影响

抽油机在长冲程、低冲速下运行，随着冲速降低，最小载荷上升，下行阻力减少，抽油杆收缩量减少，有效冲程增加，增加泵排量；冲速降低，可增加油层液体向泵筒内流动时间，泵筒充满程度增加，提高油井的泵效，增加油井的产量，进而提高油井的系统效率。

水力模型试验表明：对于同一有效扬程H ，抽汲参数（冲程S 、冲速n）不同，抽油机系统效率η 不同（图1），而且差别很大；同一冲程下，系统效率随冲速的增加而降低，冲速过高缩短抽油杆寿命，增加能耗，降低泵效和系统效率。

图1 抽油机系统效率随冲程、冲速变化情况统计

对冲速下调的14 口抽油机井进行了调参前后能耗对比，由对比数据可知，沉没度由36.0 m 提高到138.3 m，系统效率由21.50%提高到22.76%。结果表明，吨液百米耗电由2.22 kWh 降至2.10 kWh，节电率为5.78%。

通过以上分析认为，充分利用冲程、降低冲速可减少抽油杆弯曲及运动次数，从而减少杆管偏磨及杆管断裂，延长抽油泵使用寿命，提高检泵周期；长冲程、低冲速增加了泵筒充满程度，提高了系统效率。

1.4 设备对系统效率的影响

有杆抽油系统效率可表示为

式中：η 为系统效率，%；P1为输入功率，kW；ΔP 为损失功率，kW。

由式（3）可知，有杆抽油系统效率值取决于损失功率与输入功率之比，即在输入功率一定的条件下，损失功率越大，有杆抽油系统效率越低，反之系统效率就越高。根据有杆抽油系统组成情况，可以把有杆抽油系统的功率损失分为八部分，分别用ΔP2～ΔP9表示，因此有

式中：ΔP2为电动机损失，包括电动机热损失和机械损失；ΔP3为皮带损失，主要是皮带传动中的摩擦损失；ΔP4为减速箱损失，主要是减速箱传动中的摩擦损失；ΔP5为四连杆损失，主要是轴承摩擦损失和钢丝绳变形损失；ΔP6为盘根盒损失，主要是盘根盒的摩擦损失；ΔP7为抽油杆损失，主要是抽油杆摩擦损失和弹性变形损失；ΔP8为抽油泵损失，包括抽油泵的机械损失、容积损失与水力损失；ΔP9为管柱损失，主要为管柱的水力损失。

2 提高机采井系统效率的主要方法

2.1 节点分析提高系统效率

通过对影响系统效率主要原因分析，找出影响系统效率的主要因素，细化能耗节点（图2），提出下步治理措施进行调整，主要从沉没度、平衡率和日常管理三个方面进行治理。

图2 节点分析

例如，葡70-斜712 措施前系统效率仅为15.7%，对该井影响系统效率部位进行分析，确定沉没度和平衡率为影响该井系统效率的主要因素。对该井制定了调大冲速和调整平衡率的调整措施，措施后该井沉没度下降了397.4 m，平衡率上升了26%，系统效率上升了16.2%（表3）。

针对抽油机系统运行部位对系统效率的影响程度，分别对2534 口井5044 节点分析和调整，平均系统效率由16.64%上升到19.64% （表4），提高3个百分点，年可节电662.6 kWh，取得了良好的节电效果。

表3 葡70-斜712 井措施前后对比

2.2 采用塔架式抽油机

低渗透、特低渗透油藏开发过程中，油层埋藏深，泵挂深度长，地层能量不足，动液面深；举升高度高，抽油泵沉没度低；系统运行效率低，单机耗电量大；油田开发成本增加，不能适应节能降耗的发展要求。为此，开展塔架式抽油机（图3）节能试验。

图3 塔架式抽油机

2.2.1 主要结构

塔架式抽油机由基础、塔架、上平台、动力系统、控制系统组成。动力系统由电动机、联轴器、减速机、驱动轮、弹性缓冲器及钢丝绳、前后动滑轮、平衡配重等部件组成；控制系统由伺服控制箱、上下限位开关、中位传感器及手持遥控器等组成，用于实现设备各种功能的控制[1]。

2.2.2 技术优势

用齿轮、联轴器传动代替传统的四连杆机构传动和皮带传动，结构简单，减少皮带和连杆直接的动能损失，机械效率高；采用动滑轮提升光杆，减少一半的举升载荷，降低了电动机功率；采用天平平衡方式，平衡可精调到95%以上，无功损耗大幅降低；采用变频技术，电动机在运行过程中，电压是随井下载荷变化而变化，降低电动机的功率消耗，与普通游梁抽油机对比，综合节电率可达33.47%。

2.2.3 应用效果

在葡172-24 井上进行试验。经现场试验表明，有功功率降低了1.1 kWh，无功功率降低了14.6 kvar，系统效率提升了1.5%，日节电27.4 kWh，综合节电率达29.8% （表5），起到了良好的节能效果。

表5 塔架式抽油机应用效果对比

综合节电率可按中国石油天然气行业标准中的SY/T 6422—2008《石油企业节能产品节能效果测定》计算，其计算公式如下：

表4 2014年机采井系统效率节点分析效果对比

式中：ξj为综合节电率，%；W1为应用节能产品前吨液百米提升高度有功耗电量，kWh；W2为应用节能产品后吨液百米提升高度有功耗电量，kWh；Q1为应用节能产品前吨液百米提升高度无功耗电量，kWh；Q2为应用节能产品后吨液百米提升高度无功耗电量，kWh；Kq为无功经济当量，kW/kvar。 Kq取值应符合GB/T12497 的规定，宜取0.03[2]。

2.3 应用智能化多功能调速装置

对于地层条件差、供液能力不足、单井产量低、举升能耗高的抽油机井，可应用智能化多功能调速装置（图4），动态分配功率，在降低抽油机井举升能耗的同时，方便机采参数动态管理。

图4 多功能调速装置

2.3.1 工作原理

在智能化多功能调速装置上，根据抽油机交变工作载荷的特点，内置了专用的矢量变频装置及控制程序，采用优化节能控制软件，利用负荷传感器，适时检测抽油杆（或电动机）在每个冲程的负荷变化；根据负荷变化，通过自动设定并调整上下冲程速度，使抽油机工况达到最佳，提高运行系统效率，达到节能的目的[3]。

2.3.2 技术优势

该装置具有软启动功能，启动扭矩大；具有无极调参功能，无需更换皮带轮；变频控制，功率动态分配，节电效果明显。

2.3.3 应用效果

现场应用232套，有功功率平均单井降低1.22 kW，无功功率降低3.68 kvar，系统效率提升3.7%，日耗电减少29.21 kWh，综合节电率达24.24%（表6），起到了良好的节能效果。

表6 智能化多功能调速装置应用效果对比

3 结论与认识

1）机采井系统效率的主要影响因素有沉没度、抽汲参数、泵效、杆管组合、平衡率和地面设备等，通过对机采井沉没度、平衡率和日常管理等方面的综合治理，可提高机采井的系统效率，达到节能的目的。

2）长冲程、慢冲速可改善抽油杆受力状况，减少抽油杆断裂概率，提高系统效率，降低能耗。

3）应用塔架式抽油机和智能化多功能调速装置等节能设备，可在一定程度上提高机采井的系统效率，减少单井的日耗电量。

[1]关运忠.有关塔架式抽油机的应用分析[J].石油石化物资采购,2013(12):87-89.

[2]郑刚锐.SY/T 6422—2008 石油企业节能产品节能效果测定[S]北京:石油工业出版社,2008.

[3]闫静.智能化多功能调速装置的应用与评价[J].石油石化节能,2014(4):28-29.