油田抽油机井系统效率节能潜力分析及提高措施

李丹丹 刘向东 张晓菡 宋泓霖 董伟佳

（1.胜利油田技术检测中心；2.胜利油田检测评价研究有限公司）

我国有92%的油井采用机械采油方式[1]，但部分机采系统效率一直处于较低水平，导致油气生产能耗成本较大；因此，提高机采系统效率对油田的节能降耗工作具有重要意义。机采系统能耗影响因素多且较为复杂，主要分地面及井下两部分[2-3]。近几年，对胜利、西北等8 家中石化范围内的油田分公司开展了4 000 余口井的机采系统效率测试分析，本文仅从电参数及生产参数两个影响机采系统能耗的主要方面进行节能潜力分析并制定相应的提高措施。

1 机采系统效率节能潜力分析

通过对机采系统测试数据进行深入、细致剖析，仅从电参数及生产参数两方面入手，发现影响油田机采系统效率的因素主要有以下五个方面。

1.1 部分电动机功率因数较低

1）不同类型电动机平均功率因数差异较大。根据测试数据，对目前油田应用的安装变频器电动机、永磁同步电动机、安装电容器电动机、三相异步电动机，进行功率因数的统计分析（图1）。由图1 可知，不同类型的电动机功率因数差异较大，由高到低的排序为永磁同步电动机、变频器电动机、电容器电动机、三相异步电动机。

图1 各类电动机功率因数情况统计

三相异步电动机功率因数低，原因是为维持电动机运转，需要消耗一部分功率来产生磁场；永磁电动机的磁场由磁铁产生，无需消耗这部分功率；电容补偿柜是利用电容的容抗来补偿电感负载的感抗，可有效改善线路功率因数。油田用变频器多为三相不可控元件，直流侧一般不外接电抗器，功率因数基本在0.65左右。需要说明的是，安装变频器电动机的功率因数较高，但因产生谐波，一般不作为功率因数治理手段。

2）节能技术产品应用占比较少。从上述分析中得出，节能技术产品应用占比是影响功率因数的主要因素，部分抽油机井应用普通电动机且投用年限较长，故功率因数较低，使得系统能耗增加。

3）节能技术产品运行状态欠佳。在测试及数据分析过程中发现，永磁同步电动机可能存在退磁、电压过多偏离电动机反电势点（超过±2%）的问题，变频器存在运行状态欠佳的问题，电容器存在自身损坏、容量不足或容量过量的问题。

1.2 部分变频应用缺乏针对性

对于频率大于45 Hz 的抽油机井，使用变频器对生产参数改变作用不大，但存在自身损耗，节电效果甚微，且需要增加运行维护费用；对于频率小于20 Hz 的抽油机井，变频器自身损耗增大，整体效率下降。同时，对部分应用变频器的抽油机井进行能效分析发现，在工况不变的前提下，使用变频器后系统效率下降明显；因此，在部分抽油机井上应用变频器反而会增加能耗。

1.3 平衡度存在问题

1）平衡度调整不及时。合理调整抽油机平衡度能够“短平快”地降低抽油机井能耗，提高地面系统效率，同时能够大幅延长传动机构使用寿命。而在抽测的油井中，有较大比例抽油机平衡度不合格，导致能耗增加。

2）平衡度评价方法欠佳。目前部分单位仍采用最大电流法评价平衡度，不能最准确反应抽油机的平衡状态。对于游梁式抽油机，建议采用最大功率法评价抽油机平衡度，平衡范围为70%～130%；对于皮带式抽油机，建议采用平均功率法评价抽油机平衡度，平衡范围为60%～160%[4-5]。

1.4 部分油井沉没度不合理

由图2 可知，随着沉没度的升高，抽油机井系统效率呈先升高后下降的趋势；沉没度在200～500m时，系统效率最高。沉没度过小，导致泵的充满度较低，甚至出现气锁或液击现象；沉没度过大，油管中静液柱及抽油杆柱的负载增大，效率降低[6]。因此，为了提高系统效率减少能耗，需保持合理的沉没度。

图2 沉没度与系统效率关系

1.5 部分油井泵排量系数偏低

由图3 可知，当泵排量系数小于0.4 时，系统效率随着泵排量系数的增大而明显增大；当泵排量系数大于0.4 时，系统效率随着泵排量系数的增大而变化较缓。通过以上分析表明，泵排量系数在0.4 以下时系统效率偏低；泵排量系数低时，产液量一般较低，有效功较小，因而系统效率低。

图3 泵排量系数与系统效率关系

2 机采系统效率提高措施

1）依托油田信息化、智能化发展，加速能源管控平台的建设，充分整合数据资源，搭建机采系统指标管理平台，加强指标的监督、调整、效果跟踪、考核力度，促指标提升；注重一体化能效提升节能技术改造，实施油（水）井地下、井筒、地面的综合优化，整体改造，实现油井能耗降低。

2）针对节能技术产品应用占比较少的问题，建议增加永磁同步电动机、无功补偿等节能产品技术的使用数量。

3）针对节能产品运行状态欠佳的问题建议：针对永磁电动机，利用自动有载调压技术及PCS 管理平台，使供电电压更加稳定，确保永磁电动机呈高功率因数（且为容性）状态运行[7]；加强电容补偿的管理维护[8]，确保其无故障运行。

4）针对部分变频应用缺乏针对性的问题，建议开展变频器合理性专项测试普查工作：对于液量常年变化不大、原油物性较好等运行工况的油井，重点评价其应用变频器的合理性；应用变频器，冲速1.2min-1以上且原油物性较好的油井，建议取消变频器、更换低速电动机。

5）对于游梁式抽油机，建议采用最大功率法评价平衡度，平衡范围为70%～130%；对于皮带式抽油机，建议采用平均功率法评价平衡度，平衡范围为60%～160%。

6）针对部分油井沉没度不合理的问题，建议根据油井实际工况，采取优化生产参数、改变泵挂深度、优化泵径等措施[9]，以维持200～500m 的合理沉没度。

7）针对部分油井泵排量系数偏低的问题，建议根据油井实际工况，采取降低冲速、优化泵径、优化供排关系等措施，以确保泵排量系数在0.4 以上[10]。

3 机采系统效率节能潜力

以某单位为例，进行抽测油井节能潜力分析。该单位共抽测323 口抽油机井，对抽测油井评价指标不合格的进行节能潜力分析。对于以上影响机采系统能效的主要因素，经采取措施后平均系统效率由30.4%提升至35.6%，年节能潜力为187.8×104kWh，年节约电费为137.1万元。

表1 影响系统效率各因素节能潜力

4 结论与认识

1）通过对机采系统测试数据进行深入、细致剖析，仅从电参数及生产参数两方面入手，发现目前影响油田机采系统效率的因素主要有以下五个方面：部分电动机功率因数较低；部分变频应用缺乏针对性；平衡度调整不及时；部分油井沉没度不合理，部分油井泵排量系数偏低。

2）针对影响机采系统效率的主要因素，一方面依托技术降耗，另一方面借助信息化加强管理，双管齐下，实现能效指标提升。

3）以上影响机采系统效率的五个方面节能潜力较大，以某单位抽测油井为例，进行节能潜力分析，平均系统效率可由30.4%提升至35.6%，实现年节电187.8×104kWh。