潜油电泵井节能配套技术研究

李永强 赵祖德 高国栋

摘 要 针对电泵采油能耗高、系统效率低的问题，从优化电泵井的机、泵配置，变压器容量选择，沉没度，泵挂深度等参数入手，量化电泵井各部分功率损失与系统效率的关系，优化配泵扬程计算方法、优化潜油电机功率計算方法、合理选择沉没度等几个方面的研究工作，找出电泵井系统优化配套方法，提高电泵井系统效益。

关键词 潜油电泵井节能；潜油电泵井能耗；潜油电泵井系统效率优化

1 电泵井现状

1.1 生产现状

潜油电泵属于我国各大油厂提升油量增量的主要方式，不过由于多年以来的生产模式，产生了两个主要问题。首先是没有形成系列化的电泵产品，从业者对电泵成套的整体认识不够，导致电机与电泵的配套不合理。再者是我厂缺乏完善的电泵优化方案，电泵井的生产力预测比较保守（其中主要参数是液体量和动液面），实际生产状况与原先预估数据的差别较大，导致了电机与电泵的配对不合适，如：电泵所选用的扬程、所选用的电机功率过大、沉没度过大，导致了排量远远偏离了高效率产能区，从而不得不人工介入，控制油嘴的油量，造成了电泵井过度的用电。目前我厂所拥有的367口电泵井，系统的平均效率为26.5%，百米的顿液所消耗的电量为1.03kW.h，单井的平均输出功率为89kW·h，单井的平均日耗电2137 kW.h。每年需花费1.5亿元的用电费用，占全厂提液电耗的60%，基于经济考虑，我们要开展电泵与机组成组技术的优化系列研究，开发出一套适合我厂的电泵优化设计理论，从而制定电泵系列产品的优化成组系列，为日后的电泵低耗电治理提供技术上的支撑和产品保障，使得低耗能电泵治理成为一种长期有效的机制，并使电泵最后的运行产生一种良好的循环，具有重大的作用。

1.2 能耗现状

在对全厂的电泵井尽洗了耗电量测试、统计之后，所得到的调查结果为：全场电泵井每日的平均用电量为2137kWh，平均百米吨液耗电为1.03kWh/100m·t，平均系统效率为26.5%。

1.3 机、泵配套现状

依照调查的数据，统计全厂现有的电泵机型号、扬程、配套功率、动液面、泵挂深度等数据分别记录，再依次计算单个泵井工作时真正所需要扬程、实际需要配套的电机功率，调查结果：电泵平均配泵扬程高出实际需要扬程329m，电机平均功率高出实际需要功率27kW，导致了整套设备的实际运行经济效益低。

2 电泵井能耗影响因素分析

在对电泵井的电能使用量结果对电泵井的各个组成部分功率采取了量化地分析之后，发现了电泵井耗电量变化的主要因素。

主要为以下原因：电泵机组本身运行效率低下、机组电缆的新旧因素、泵的选择与配对原因、沉没度因素、泵挂深度因素、采出流体性质因素、油嘴节油所带来的损失以及管柱损失等因素。

2.1 电泵机组各部分能耗损失

电泵的组合所对应的功率损耗和电泵组合内在的构型、新老配合有关系，顺着电泵井系统能量流动的方向，能够得知电泵组合中的功耗遗失主要是在以下几个部分：电缆传输过程损失、电机自身损失、分离器损失、保护器泵损失。以上部分的损耗、效率分析如下[1]：

（1）电缆传输过程功率损失。电缆传输过程中的功率损失和传输运行电压、传输的电流大小、电缆所用的材质、规格、电缆的长度以及井液温度的高低有关，损耗能量转变为热能，主要体现为电缆的发热。根据测量与统计的数据，全场电泵井平均泵挂深度为1434m，平均运行电流大小为36A，电缆电阻的大小与温度有关，其中在20℃时电阻大小R=0.92Ω/Km，70℃时电阻的大小R=1.11Ω/Km，由此能够计算出每千米电缆功率损耗为4.3千瓦，得出电缆的最大工作效率可以达到93.1%。

（2）电机功率自身损失。潜油电机工作中所消耗的能量主要是因为金属自身损耗，如铜损、铁损以及运转机械的损耗共同构成。在潜油电机负载一定，运行功率一定的情形之下，它工作中所所产生的能量损耗的大小主要是由电机负载率以及井温及液体流速两个部分构成。在额定负载工况下，潜油电机工作的效率可以保持在62.2%～78.9%之间，其中负载率越小，则工作效率也随之降低[2]。

（3）保护器、分离器功率损失。保护器工作所产生的能量损失大部分是由于是机械结构之间的摩擦耗能，在型号与规格一定的保护器上，它的损耗一般为定值。分离器损耗则主要是由水力损失、容积损失和机械结构间的摩擦耗能等因素构成。在测试保护器和分离器在3kW的运作功率工况下，二者的工作效率能够高达96.6%。

（4）潜油电泵损失。潜油电泵系统的主要工作部件是多级离心泵，它的能量损耗主要由机械结构间的摩擦损失、水力损失和容积损失三大损失组成。其中机械结构间的损失在多级离心泵不变的情况下为定值，水力损失和容积损失则为主要的能量损失，且在泵的排量和扬程发生改变时，损失大小还与流体的黏度相关联。大排量电泵的理论效率一般为50%～60%左右，而较小排量电泵效率一般在38%～51.2%之间，由此可见，随着电泵的额定排量越大，其理论工作的效率越高。换句话说，电泵井的理论系统效率范围一般处于21.3%～42.6%左右。

2.2 潜油电泵运行特性分析

（1）不同排量电泵整机效率特性。从统计结果也可以看出，不同排量条件下的电泵井系统的工作效率，在电泵系统的排量增大时，平均系统工作效率从20.5%提高到28.7%，百米吨油液的耗电量从1.32kW·h/100m·t降低至0.95kW·h/100m·t。由此可见随之电泵排量的提高，整机效率也随之上升。

（2）电泵排量配合不恰当将远离经济运行区，影响整机效率。潜油电泵的经济运行区（高效区），一般情况下采取额定排量在80%～140%左右，如若电机与电泵配合不恰当，则会导致排量偏离经济运行区；潜油电泵的整体工作效率将会明显大幅度降低，从而导致了电泵消耗的电能增加。因此当在优化机、泵配置时，首当其冲应要考虑排量的经济运行区（如图1）。

排量偏离经济运行区的原因：

选定了排量之后，其一因为动液面估计值过大，导致了配泵扬程过大，损失扬程提高液量；其二，因为供液量的缺乏导致了排量偏离经济运行区。根据统计资料分析，排量在经济运行区的系统效率较高，排量配对不恰当的电井有55口井，它们的系统工作效率偏低。

（3）配泵扬程选择过大。配泵扬程过大，会导致两个问题。其一方是加剧了泵的机械结构摩擦耗能，其二是加剧了电机的功率，从而降低了系统的运行效率。

（4）沉没度不合理。沉没度不足（小于200m），首先需要考虑脱气点，系统的工作效率会随着沉没度的缺乏而降低，一是由于沉没度的不足影响了泵的充满程度，二是由于液量收到了脱气所带来的影响。沉没度过高，提高了泵挂所要求的深度，一方面加大了油管间的摩阻耗能，在油管摩阻曲线上可以查得，分析之后可得，随着泵挂的深度加大了100米，油管之间的摩阻损耗加大了0.28kW，第二方面是加大了电缆功率损耗，由此降低了系统整体的工作效率。

一般电泵井沉没度最合理的数值处于200～400米左右。

3 降低电泵井能耗的对策措施

3.1 优化电泵配套技术研究

（1）电机系列的合理化。在对电泵井的工作、机、泵组合和电能损耗测试的研究之后，根据数据的统计，电机组合后的功率会高于实际需求功率27kW左右，电机的使用功率偏低，也导致了电机损耗的加剧。究其原因是由于电机功率没有对应系列化的产品，从而无法对电机进行进一步优化，从而出现了电机功率的浪费——“大马拉小车”现象。对数据结果进行研究之后，本小组成员认为，在我厂电泵井的实际生产实际情况下，进一步细分现有的配泵标准所对应的电机功率，新组合出适应于我厂电泵井所产生的电机系列，并与生产厂家的相关工作人员共同制定7中新规格的电机，它们功率为15kW、21kW、31kW、37kW、43kW、55kW和62kW，来采取配对，以此来优化采油厂潜油电机的配对组合，从而能够进一步降低组装功率，电井的电耗量以及为之后的低效电泵治理提供产品保障。

（2）完善电泵系列化。在对数据分析后得出，平均配泵扬程高于实际需要扬程329m，配泵扬程过大，会导致两个结果。其一是加大了泵的机械结构间的摩擦耗能，其二是加大了电机的配置功率，使得系统工作效率降低。根据每100～200m一个台阶进行组合扬程配置，能够进一步地细化电泵扬程，从而优化了机泵配置。

3.2 制定潜油电泵井优化设计方法

（1）优化电泵设计及选泵配套模式。分析研究出了優化潜油电泵的设计方法，一方面依照杆泵或电泵井的具体生产参数，在配对地层压力、井组注参数相应地执行优化方式，依次选择适当油井产液量，从而保证电泵井能够有足够的供液能力。再者，在考虑了潜油电泵机组、油井和管路三者相互关系的基础上，通过对优选泵型、级数和电动机型号等参数使得潜油电泵井系统的工作效率尽可能地提高，并有更高的经济效益。并采取对机组选型的优化以及配对是参考泵的选型优化与配套、机组的附加功率耗能动力电缆参数的选择、潜油电动机的对应参数等等。并且，在给定的供液能力下选取适当的电泵排量与泵挂深度，尽量将电泵井的沉没度降低至400m以下，由此可确保证较高的电泵井系统工作效率[3]。

（2）优化机泵配置。严格根据泵特性曲线的关系，对电泵的排量、扬程和电机功率进一步采取系统的优化，使电泵排量、扬程、效率等数据尽可能达到最佳匹配，选择在潜油电泵系列中优选与优化值吻合程度最高的潜油电泵机组，让电泵能够在高效区内工作。除此之外，还应进一步根据泵的深度、产出液的流体性质、电机功率、机组扬程、油管内径等参数对系统效率所造成的影响，在能够使得油井举升高度、油井举升液体消耗功率的前提之下，尽量使得电泵扬程和电机功率减小，从而最大幅度地降低各种功率损耗[4]。

4 使用效果

在对优化电泵配套技术研究之后，检电泵作业共计213口井，抽改电65共计口井，根据产能预测优化电泵配套71口井，目前全厂电泵能耗与去年对比降低104kWh（表3）。

根据产能预测优化电泵配套100口井，其中可对比的66口井，通过测试数据统计分析，（见表12），平均装机功率由优化前的81.11kW下降到78.33kW，平均减少2.78kW；平均配泵扬程由优化前的1470m下降到1341m，平均减少129m；平均泵挂深度由优化前的1410m下降到1352m，平均减少58m；平均单井日耗电由优化前的2253kW·h下降到1826kW·h，平均单井日节电427kW·h。这66口井累计至今节电达到525.8万kW·h。

4.1 经济及社会效益评价

（1）经济效益

直接经济效益：

节电525.8万kW.h，减少用电费用：

525.8万kW.h×0.55元/度=289.19万元

间接经济效益：

在对电泵优化之后，上提泵挂13533米，节约电泵108节，每节泵按1.5万元计算：

1.5万元×108节=162万元

总的经济效益=直接经济效益+间接经济效益=289.19万元+162万元=451.19万元。

（2）社会效益

平均每个电泵井的能量损耗从2253kW·h下降至1826kW·h，对我厂精细化进程、挖潜增效起到了夯实了基础的作用。本活动形成的优化电泵配套技术，对其他采油厂具有较高的借鉴作用。

5 下步发展方向

结合我厂电泵井生产实际，综合分析、评价，开发出一套操作性强、适应性广、科学、先进的电泵井优化配套设计软件，为下一步全厂电泵井的优化设计工作提供技术保障。

参考文献

[1] 关成尧，赵国春，张翼翼，等.套管放气井环空流动与电泵井合理沉没度计算方法[J].石油学报，2010，31（1）：152-156.

[2] 孙浩玉.离心旋流式高效油气分离器的研制及仿真研究[D].北京：中国石油大学出版社（华东），2006.

[3] 秦积舜，李爱芬.油层物理学[M].北京：石油大学出版社，2003：37-47，67-80.

[4] 于伟杰，顾辉亮.开发中后期试井解释中的PVT及相关参数确定方法[J].油气地质与采收率，2004，11（2）：43-44.