机采系统节能潜力研究与应用

孙守渊　陈勇　徐秀治　李鑫（.玉门油田分公司钻采工程研究院；.玉门油田分公司规划计划处；.玉门油田分公司青西油田作业区）

机采系统节能潜力研究与应用

孙守渊1陈勇2徐秀治3李鑫3
（1.玉门油田分公司钻采工程研究院；2.玉门油田分公司规划计划处；3.玉门油田分公司青西油田作业区）

摘要：目前，通用的系统效率不能完全判别油田机采系统节能潜力和反映油井的管理水平。笔者提出重新划分抽油机井系统输入功率的构成，以及各部分功率的具体计算方法和影响因素，研究开发出系统效率实现率理论基础，以满足不同管理层对抽油机井系统效率管理的需求，为油气田企业挖掘抽油机井系统节能潜力、节约电能和降低开采成本开辟了新的途径。

关键词：抽油机；系统效率；实现率

1　概述

玉门油田油井多为低渗透的低能、低产井，所以主要开采手段是采用机械采油设备进行地面抽汲的方式。而在玉门油田的采油设备中，游梁式抽油机应用最为普遍，数量也最多。且近年来随着对石油的连续开采，部分油井已进入开采的后期，油层出现明显的供液能力不足，使得抽油机正常工作时多是以轻载运行。油泵在充满度较低时，抽油机的电动机处于轻载运行，抽油机工作效率不高，造成大量电能浪费。

目前，玉门油田共有低能、低产井1000多口，平均系统效率不足12%，年耗电约4.4×107kWh，占油田总耗电量的1/3。大量的抽油设备长期运行在低效率区，造成能源浪费，给油田带来了一定的经济损失。因此，我们要寻求、研究和推广机采系统节能潜力评价[1-2]。

2　理论依据

研究机采系统评价指标，创立系统效率实现率计算理论，建立基于系统效率实现率的系统效率评价理论，制定评价指标，应用系统效率实现率指标的节能潜力与耗能评价，挖掘抽油机井系统节能潜力，降低开采成本。

2.1抽油机井能耗

在现有技术条件的情况下，不更换抽油机，以保持产量基本不变，以抽油机能耗最低为准则，计算得出理论最低能耗与现阶段能耗水平的比较，得出油井能耗水平，判别抽油机井的节能潜力。

对抽油机井系统开展能量分析，输入功率划分为地面损失功率、滑动损失功率、黏滞损失功率、溶解气膨胀功率、抽油机井系统有效功率5部分。

2.1.1地面损失功率

深井泵生产过程中，地面抽油机和电动机所损耗的功率称作地面损失功率，包括电动机空载功率、地上传输损失功率和井下传输损失功率。地面损失功率影响因素包括电动机空载功率、井下负荷、抽油杆运行速度、传输功率传导系数、光杆功率传导系数。

式中：N地——地面损失功率，kW；

No——电动机空载功率，kW；

Nd——地面传输损失功率，kW；

Nj——井下传输损失功率，kW；

Fu——光杆上冲程平均载荷，kN；

Fd——光杆下冲程平均载荷，kN；

ns——光杆实测平均冲速，min-1；

sl——冲程，m；

k1——传输功率传导系数；

k2——光杆功率传导系数。

2.1.2黏滞损失功率

深井泵生产过程中，被举升的液体因与油管、抽油杆发生摩擦而损耗的功率称作黏滞损失功率。黏滞损失功率的影响因素为杆速、管径、杆径、泵挂、原油黏度。

式中：Nr——黏滞损失功率，kW；

μi——平均液体黏度，MPa·s；

li——油管长度，m；

m——油管直径与抽油杆直径之比。

2.1.3滑动损失功率

因井斜造成的抽油杆与油管之间发生的摩擦以及泵柱塞与泵筒间发生的摩擦而损失的功率称作滑动损失功率。滑动损失功率的影响因素包括杆速、单位长度杆重、井斜轨迹水平投影长度、杆与管的摩擦系数。

式中：Nk——滑动损失功率，kW；

fk——杆与管的摩擦系数；

q杆——单位长度杆柱重量，kg；

l水平——抽油杆在斜井段的水平投影长度，m。

2.1.4膨胀功率

原油在举升过程中，溶解气因所受压力的降低而不断从原油中析出，从液态转化为气态。一方面导致物质本身的能量降低，即内能降低；另一方面，这部分能量转化成体积膨胀能而作用于举升系统。这一功率称作溶解气膨胀功率。膨胀功率的影响因素为日产液量、饱和压力、井口压力、沉没压力、溶解系数。

式中：N膨——溶解气膨胀功率，kW；

P沉——沉没压力，MPa；

Pb——饱和压力，MPa；

P

井口——井口压力，MPa；

Q——油井产液量，m3/d；

α——溶解系数。

当P沉≥Pb且P井口≥Pb时，N膨= 0

当P井口＜P沉＜Pb时

2.1.5有效功率

在一定扬程下，将一定排量的井下液体提升到地面所需要的功率称为有效功率。有效功率影响因素为日产液量、液体密度、有效扬程。

式中：N2——抽油机井系统有效功率，kW；

H——有效扬程，m；

ρ——液体密度，kg/m3；

g——重力加速度，取9.81 m/s2。

2.2抽油机参数

1）最佳输入功率。抽油机井的输入功率理论计算为地面损失功率、黏滞损失功率、滑动损失功率、有效功率之和再减去溶解气膨胀功率。

在保持抽油机不变的情况下以测试所得产液量、含水率、动液面、油套压，将管径、杆柱钢级、泵径与泵挂（对应科学的杆柱组合）、冲程、冲速进行各种组合，每1种组合对应着1种机采系统效率，即对应着1种能量消耗。根据输入功率计算公式分别计算出每1种机采参数组合所对应的输入功率。以输入功率最低者对应的功率为抽油机井最佳输入功率Nbest；但根据玉门油田抽油机井实际情况，在现有技术条件下，保持抽油机不变，以产量为目标、以能耗最低为准则，优化最佳输入功率计算理论。滑动损失功率只有在斜井存在，膨胀功率影响微乎其微，以目前抽油机井下参数组合对应的输入功率为抽油机井最佳输入功率。故最佳输入功率理论计算变为电动机空载损失功率、地面传输损失功率、井下传输损失功率、黏滞损失功率、有效功率之和。计算方法为

式中：Nbest——最佳输入功率，kW。

2）最佳系统效率为抽油机井系统的有效功率与最佳输入功率的比值，以百分数表示。

式中：ηbest——抽油机井最佳系统效率，%。

3）系统效率实现率为抽油机井目前系统效率与最佳系统效率（或最佳输入功率与目前输入功率）的比值，以百分数表示[3-7]。

式中：R——系统效率实现率，%；η——系统效率，%；

N1——抽油机井系统输入功率，kW。

表1　鸭儿峡油田抽油机井优化前后对比

表2　老君庙油田抽油机井优化前后对比

2.3系统效率实现率评价

抽油机井评价的指标主要是系统效率，其影响因素很多，如地质条件、油层物性、供液能力等。由于这些因素的限制，每口井系统效率极限是由其客观条件决定的，若其系统效率未达到该井的极限值，则可以通过加强对该井的能耗评价来挖掘其系统效率的潜力，反之若其系统效率已达到该井的极限值，尽管其系统效率很低，但该井已无潜力可挖，其能耗水平已经很好了。所以系统效率指标不能反映油井的能耗水平和节能潜力，而系统效率实现率则能够反映油井的能耗水平和判别节能潜力。例如有些井系统效率高达40%，系统效率实现率只有60%，说明该井系统效率还有提升空间；而有些井的系统效率5%，系统效率实现率90%，说明该井系统效率提升空间不大了。并且根据系统效率实现率的计算找出单井高耗能环节，优化抽油机井参数，挖出在每口井的系统效率未达到该井的极限值之前的潜力。另外，各油田或各区块系统效率差异较大；横向与纵向比较可比性不大，而运用系统效率实现率指标可以实现各油田作业区、队（站）、区块之间、各油井之间指标管理的横向与纵向比较。

因此，我们通过研究以产量为目标、以抽油机井能耗最低为准则建立的系统效率实现率计算理论，统计了近几年油田抽油机井应用系统效率实现率指标评价的结果，结合油田抽油机井管理状况和节能潜力要求，提出系统效率实现率大于或等于60%为合格；大于或等于72%为良好；大于或等于80%为优秀。

3　现场应用

1）鸭儿峡油田作业区。该作业区应用抽油机井系统能耗测试与评价体系评价，见表1。可以看出5口井评价优化前平均系统效率11.13%，平均系统效率实现率51.34%，说明还有48.66%的节能潜力。按照评价体系找出抽油机井系统高耗能环节，优化组合抽油机井参数实施节能改造。实施后平均系统效率实现率提高到79.54%，达到了评价指标的良好值，平均系统效率14.01%，提高了2.88%，平均有功节电率22.54%，综合节电率28.52%。

2）老君庙油田作业区。该作业区应用抽油机井系统能耗测试与评价体系评价，见表2。可以看出5口井评价优化前平均系统效率7.84%，平均系统效率实现率41.9%，还有58.1%的节能潜力。按照评价体系找出抽油机井系统高耗能环节，优化组合抽油机井参数实施节能改造。实施后平均系统效率实现率提高到75.9%，达到了评价指标的良好值，平均系统效率12.56%，提高了4.72%，平均有功节电率40.89%，综合节电率48.55%。

4　结论

1）重新划分抽油机井系统输入功率的构成，提出各部分功率的具体计算方法，

找出影响各部分功率的因素，开发了系统效率实现率理论基础。

2）系统效率值的高低不能完全反映油井或油田的管理水平，应用系统效率实现率指标可以满足不同管理层对抽油机井系统效率管理的需求；反映油田系统效率的管理水平；判别抽油机井系统节能潜力。

参考文献：

[1]孙守渊，姜丽娟，赵万军.老君庙油田作业区节能改造实验项目节能效果分析[J].玉门石油科技动态，2011（1）：54-58.

[2]孙守渊，李亚军，王艳丽.变频技术对抽油机的节能影响[J].中国高新技术企业，2008（2）：73-74.

[3]郭宏亮，宋学红，李忠.提高抽油机井系统效率的有效途径[J].油气田地面工程，2008（12）：38-39.

[4]崔学军，张永利，盛学芳.提高抽油系统效率的研究与应用[J].新疆石油科技，2009（1）：25-31.

[5]张伟，范登洲.提高抽油机井系统效率措施研究[J].石油工业技术监督，2004（5）：16-17.

[6]卜文杰，王文秀，秦晓冬.提高抽油机井系统效率的理论分析与对策措施[J].论文集萃，2008（3）：38-41.

[7]郑海金，邓吉彬.能耗最低机采系统效率评价方法的研究与应用[J].复杂油气藏，2010（2）：18-21.

（编辑沙力妮）

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.01.004

第一作者简介：孙守渊，工程师，2003年毕业兰州理工大学，从事节能监测工作，E-mail：ymsunsy@petrochina.com.cn，地址：甘肃省酒泉市新城区石油基地档案楼811室，735019。

收稿日期2015-09-11