高含水率区块能耗现状分析及技术改造探讨

陈雷（大庆油田有限责任公司第七采油厂）

近几年，在保证原油生产的同时，通过采取控水控液、节能技改[1-2]等综合治理措施，A 区块能耗水平得到改善：年耗电降幅19.55%，吨液耗电降幅0.85%；年耗气量降幅23.5%，吨液耗气降幅5.65%；能耗总量降幅21.81%。然而受举升工艺[3]单一、节能设备老旧、新技术应用规模较小等因素影响，进一步深挖节能潜力存在一定难度，需要从现状中挖掘主要问题，对症实施改造措施。

1 能耗及设备现状

1.1 举升设备

A 区块共辖采油井1 589 口，其中游梁式抽油机井1 575 口、塔架式抽油机井10 口、地面驱动螺杆泵井4 口。平均单井日产液24 t，日产油1.3 t，泵挂深度963 m，沉没度288 m，日耗电110.3 kWh，吨液耗电4.595 kWh/t，系统效率25.89%。

1.2 配套电动机、配电箱

A 区块应用节能型电动机1 555 台，覆盖率98.7%。其中，应用年限小于15 a 的1 542 台，平均装机功率21.2 kW，功率因数0.85；应用年限超过15 a 的13 台，平均装机功率22.8 kW，功率因数0.71。普通异步电动机20台，平均装机功率28.7 kW，功率因数0.6。应用节能型控制装置1 516 台，覆盖率96.25%；非节能型控制装置59 台，覆盖率3.75%。

1.3 站库设备

A 区所辖联合站2 座，注水站6 座，中转站15座、配水间118 座，阀组间58 座。应用各类机泵114 台，其中外输泵37 台，总装机功率3 601 kW；注水泵23 台，总装机功率34 300 kW；掺水泵54台，总装机功率3 494 kW。应用加热炉91 台，总装机功率319.55 MW。

2 存在的问题

2.1 举升工艺问题

1）A 区块举升工艺以游梁式抽油机为主，占比99%。常规游梁式抽油机受固有四连杆结构及皮带传动影响，能量传递效率相对较低。统计区块内在用的六型机、八型机和十型机抽油机，传动效率在75%以下，平均单井传动效率仅72.17%，与目前新型举升工艺塔架式抽油机（传动效率85%以上）、半直驱抽油机（传动效率90%以上）相比，传动导致的能耗浪费15%以上。

2）普通异步电动机运行效率低、能耗高。A区块现有普通异步电动机20 台，基本为Y 系列、YB 系列电动机，属于国家淘汰目录中的型号，不符合《中小型三相异步电动机能效限定值及能效能级》要求。这些电动机功率因数仅0.64，平均日耗电124.464 kWh，较A 区平均水平高出14.28 kWh。部分节能电动机使用年限过长，设备机体磨损、内部元件老化严重，导致能耗增高。A 区中使用年限超过15 a 的节能电动机有13 台，功率因数0.71，平均日耗电120.096 kWh，较A区平均高出9.912 kWh。

配电箱工频启动及运行过程中，无法实现能量缓冲，造成电量浪费。A 区现有非变频控制装置与变频设备相比，平均日耗电增高；变频器使用年限较长、老旧，与正常变频设备相比，平均日耗电增高。A 区机采配套电控装置参数对比见表1。

3）部分井因出砂、结蜡严重等因素影响，井下杆柱的上、下行阻力增加。统计A 区20 口问题井，运行载荷变化范围22.54～87.96 kN，消耗功率变化范围3.565～7.824 kW，平均日耗电119 kWh。这部分井采用皮带传动方式不仅效率低，而且在交变载荷作用下，会加快减速轴及皮带磨损，增大抽油机维护成本。

4）大部分平台井采用“一井一变”的方式供电，即一口井配备一台变压器。由于抽油机启动时转矩大，单井变压器设计余量大，导致高压线路供电质量下降，功率因数低，在0.8 kvar 以下；油井启动运行后实际消耗功率较小，变压器损耗增加，无功功率达到25%以上，无功损耗大。统计A 区三口井以上的平台有31 个，共99 口井，每天无功损耗增加电量2 000 kWh 以上。

2.2 站库设备问题

1）机泵。工频启动时电流大，且运行功率无法根据负载变化自动调节，造成能耗浪费[4-6]。低压机泵方面，A 区现有站库29 座，配套低压机泵432台，变频运行409 台，工频运行23 台。工频运行设备中，无变频控制装置6 台，日耗电1.5×104kWh；变频控制装置损坏15 台，日耗电3.7×104kWh；机泵增容导致变频不匹配2 台，日耗电0.5×104kWh。高压注水泵方面，AI-1 注水站高压注水泵无变频，注水负荷率仅81.31%，工频运行造成能量浪费，注水单耗6.375 kWh/m3，日耗电量11.4×104kWh。

2）离心式注水泵。A 区目前有离心式注水泵13 台，离心泵经过长期工况运行，部分泵腔和叶轮出现气蚀和腐蚀现象，导致泵效降低[7]。目前，泵问题较为突出的有5 台，平均效率仅在50%～60%之间，平均日耗电4.68×104kWh，与示范区平均值对比，每日多耗电0.45×104kWh。

3）加热炉。A 区共有加热炉91 台，平均日耗气量高达6.63×104m3，平均效率82.93%，低于公司节能标准85%。分析影响炉效原因：一是部分燃烧器元件老化故障频发；二是无法实时调控配风量、燃气流量，造成燃气浪费；三是炉体内部结垢，影响加热炉火筒传热效果，降低了加热炉的整体效率。

3 技术改造、推广及优化

3.1 技术改造

1）针对部分电动机老旧、损坏问题，对以往应用的各类节能电动机综合分析，选取适应范围广、节电效果好的高转矩系列节能电动机，在A 区开展电动机技术改造。对20 台普通异步电动机和13 台年限超过15 a 的节能电动机共33 台进行改造，预计改造后单井日节电12.4 kWh，按照节电效益计算，投资回收期2.26 a。节能电动机对比见表2。

表2 节能电动机对比Tab.2 Comparison of energy conservation motors

2）针对部分井载荷变化幅度大、皮带传动损耗高的问题，选用永磁半直驱同步技术改造，将永磁电动机直接安装于抽油机减速器输入轴上，固定于减速箱一侧，直接驱动抽油机运转，实现无皮带传动，提高传动效率。统计先导性试验测试效果，应用后平均单井有功功率下降0.694 kW，有功节电率16.03%；无功功率下降2.23 kvar，无功节电率19.45%；平均日耗电减少16.65 kWh，综合节电率16.12%，取得较好节能效果。对20 口井开展永磁半直驱同步技术改造，预计改造后单井日节电19 kWh，按照节电效益计算，投资回收期4.04 a。永磁半直驱技术应用前后部分数据对比见表3。

表3 永磁半直驱技术应用前后部分数据对比Tab.3 Comparison of some data before and after application of permanent magnet semi-direct drive technology

3）针对配电控制装置工频运行造成能量浪费问题，应用具有变频、电参数测试、不停机间抽等功能于一体的NPC 三电平控制技术，对非变频及变频器损坏无法修复的配电控制装置进行改造。测试数据显示，与工频控制柜相比，应用NPC 三电平控制柜后节电率在21.6%以上，以A 区工频井耗电情况计算，预计改造后单井日节电可达28 kWh，按照节电效益计算，投资回收期2.53 a。此外，该设备在实现节能降耗的同时，还可以实现信息化数据传输。该区块具备改造潜力井148 口，预计改造后年可节电145.1×104kWh，投资回收期2.53 a。NPC三电平配电箱内部基本原理见图1 。

图1 NPC 三电平配电箱内部基本原理Fig.1 Internal basic principle of NPC three-level distribution box

4）针对部分机泵无变频控制问题，开展变频改造，实现运行功率随负荷自动调节，减少无功损耗。

低压变频改造：对A 区内的非变频运行机泵进行改造，计划改造23 台机泵，总投资161 万元，预计改造后平均日节电0.207×104kWh，年节电62.1×104kWh，投资回收期4.07 a。

高压注水变频改造：对AI-1 注水站高压注水泵进行改造，总投资260 万元，预计改造后平均日节电0.412×104kWh，按照时率300 d 计算，年节电123.6×104kWh，投资回收期3.3 a。

5）针对离心泵长期运行[8]，泵腔和叶轮有部分的气蚀和腐蚀现象，泵效降低的问题，开展主要部件涂膜改造。一是表面处理，采用喷砂机对所有需要修复的表面作喷砂处理，去除锈层、垢层等。实现表面干净、清洁，并保证修复表面粗糙度达到75 μm，洁净度达到Sa2.5。二是刷涂抗腐蚀涂层，使用Belzona 抗腐蚀涂层材料对泵需要保护面进行涂装。计划改造5 台，总投资55 万元，预计改造后日节电0.2×104kWh，年节电61×104kWh，投资回收期1.42 a。

3.2 技术推广

1）针对游梁式抽油机传动效率低、举升能耗高等问题，推广应用“塔架式抽油机+长泵筒泵”组合工艺。塔架式抽油机主要由主塔架、电动机、配重箱及传动系统等部分组成。通过永磁同步换向电动机，驱动滚筒、皮带，带动光杆上下往复运动，实现举升原油的目的。该抽油机具有运行稳定、传动效率高等优点，配合长泵筒泵使用，可提高泵抽效率，实现节能降耗。

2021 年，对10 口井开展了先导性试验，平均单井泵效提高29.5%，日节电27.9 kWh，节电率22.3%，系统效率提高18.1 个百分点，取得了较好节能效果。计划对20 口井应用塔架式抽油机，预计改造后单井日节电43 kWh，按照节电效益计算，投资回收期18.3 a。塔架式抽油机先导性试验效果对比见表4。

表4 塔架式抽油机先导性试验效果对比Tab.4 Comparison of pilot test results of tower-frame pumping unit

2）针对平台井“一井一变”供电方式无功损耗大的问题，推广一变多井耦合式共直流母线群控技术，根据油井分布和油井实际做功情况，利用一台变压器集中供电，通过电流“交-直”转化，由“一井一变”向“一变多井”模式转变。该系统具有损耗小、效率高、电气设备简单、信息化集成度高、稳定性好等优点，大幅减少变压器数量和容量，无需无功补偿设备即可实现低压侧功率因数0.95 以上，达到降本增效的目的。一变多井耦合式共直流母线群控技术示意图见图2。

图2 一变多井耦合式共直流母线群控技术示意图Fig.2 Schematic diagram of coupling common DC bus group control technology for multi-variable wells

统计前期应用效果，在油井产液量、动液面基本一致的情况下，安装“一拖多”共直流母线群控装置后，变压器的平均有功功率下降14.2 kW，降幅24.38% ；吨 液 单 耗 减 少3.1 kWh/t，日 节 电233.15 kWh，年 节 电8.5 × 104kWh，节 电 率15.60%。计划对A 区31 个平台的99 口井开展技术改造，预计改造后年节电65.5×104kWh，按照节电效益计算，投资回收期4.51 a。一变多井耦合式共直流母线群控技术试验井节能测试结果见表5。

3.3 技术优化

1）加热炉传热性能优化。利用加热炉涂敷手段[9]，在加热炉的辐射受热面上涂刷耐高温远红外线节能涂料，使红外波被反复吸收，充分转化为内能传递，从而增强受热面吸收辐射热量的能力，使辐射面温度提高，吸收的热量能够透过火筒最大限度地传递给加热炉内的流体介质，强化加热炉火筒的吸热、传热效果，达到提高辐射传热效率的目的。通过前期应用效果对比，实施节能涂料涂敷后平均过剩空气系数由1.95 降至1.45；平均排烟温度由218 ℃下降至192 ℃；热效率由79.64%提升至85.14%；综合节气率7.27%。结合A 区设备现状，计划开展加热炉节能涂料涂敷40 台，总投资44 万元，预计改造后日节气量0.4×104m3，年节气120×104m3，投资回收期3 个月。加热炉应用远红外节能涂料对比测试计算数据见表6。

表6 加热炉应用远红外节能涂料对比测试计算数据Tab.6 Data of comparison test and calculation of far infrared energy conservation coating applied to heating furnace

2）加热炉燃烧器优化。开展一体化燃烧器改造，通过旋切混合及自动优化控制，实现加热炉温度自控，最佳配风量调节，使气量分布均匀，混合充分，燃烧更加完全。通过前期应用效果对比，改造后燃气单耗下降0.002 4 m3/kW，综合节气率6.77%。结合A 区设备现状，拟开展一体化燃烧器改造6 台，总投资156 万元，预计改造后日节气0.052×104m3，年节气15.6×104m3，投资回收期4.49 a。加热炉燃烧器更新改造前后能效测试数据见表7。

表7 加热炉燃烧器更新改造前后能效测试数据Tab.7 Energy efficiency test data of heating furnace burner before and after retrofit

3）加热炉智控系统优化。安装炉况优化监控装置[10]，实时监测加热炉排烟温度、含氧量、炉膛压力、燃料流量、进/出口温度等参数，通过炉效优化调节系统进行炉效及燃烧装置的一系列调节控制，最终实现优化加热炉炉况、提高加热炉运行效率的作用。通过前期应用效果对比，改造后燃气单耗下降0.003 878 m3/kW，综合节气率5.58%。结合示范区设备现状，拟应用炉况优化监控装置6 台，总投资78 万元，预计改造后日节气380 m3，年节气11.4×104m3，投资回收期4.28 a。加热炉炉况优化监控装置改造前后能效测试数据见表8。

表8 加热炉炉况优化监控装置改造前后能效测试数据Tab.8 Energy efficiency test data before and after the reform of furnace condition optimization monitoring device for heating furnace

4 结语

1）通过问题分析和现场调研发现，高含水率区块主要存在常规游梁式抽油机传动效率低、部分节能电动机使用年限过长，设备机体磨损、元件老化严重等问题，导致设备效率低，能耗高，需要统筹考虑，制定综合治理措施。

2）研究发现，A 地区具备一定的节能改造潜力，结合现有成熟、先进工艺技术试验效果，推动5 项技术改造，2 项技术推广，3 项技术优化。5 项技术改造节电效果可以达到预期效果，特别是NPC三电平控制技术改造和变频改造，年节电都能达到120×104kWh 以上，投资回收期可观，能够为企业节省生产成本，为环境保护做出更大贡献。

3）为了能够实现大幅度节能降耗需要推广2项新技术，大批量转变常规游梁式抽油机举升方式、更新更换节能设备。部分新工艺、新设备虽然节电效果非常好，但是由于成本较高的原因，单纯从节能产生的效益来看，回收期较长，不适宜大面积推广，只能作为储备技术进行小范围试验。

4）通过前期试验，对加热炉进行3 项优化，其中传热性能优化的节气效果最佳，投资见效快，应加大应用力度；燃烧器和智控系统优化的年节气效果一般，投入高，回收期4.3 a 左右，在资金不足的情况下，可适当延期应用。