提高抽油機井系統效率技術及應用

楊建華 曹新彩（中原油田分公司采油二廠）

提高抽油機井系統效率技術及應用

楊建華 曹新彩（中原油田分公司采油二廠）

針對濮城油田抽油機井系統效率低、浪費能源這一問題，通過系統能耗分析，找出了抽油機井系統效率低的原因和影響系統效率的主要因素；提出并實施了抽油機拖動節能裝置、抽油泵革新配套、地面節能及機采提液管理等提高機采系統效率相關配套技術，使抽油機井平均機采系統效率提高了3.89%,年節電23.14×105k W h，累計增油18363 t，在抽油機生產中，見到了明顯節能降耗效果。

抽油井 系統效率 能耗分析 技術 效果

濮城油田抽油機井系統效率低的主要原因是：地面設備影響（如電動機老化，運行效率低，不平衡等）；負荷不匹配；井下效率低（如井下系統的摩擦，動液面、氣體影響，泵、管漏失等）；產液量低。

濮城油田共有1140V高壓電動機抽油機512口，380V低壓電動機抽油機204口。對抽油機井進行能量平衡測試表明，單井日均產液量達17.71 t，單井平均動液面1177m，平均單井日耗電量259.2k W h，平均系統效率為19.08%。日耗電量大于300k W h的井472口，單機系統效率低于17.3%的井124口，占被測井的13.2%；電流平衡度低于80%的井為120口，占被測井的16.76%。這部分井有較大的節能潛力，只要采取相應的措施，合理優化參數設計，綜合治理，系統效率會有較大幅度的提高，對油田的節能降耗、原油增產及提高經濟效益具有重要意義。

1 系統效率

機械采油方式的目的是將電能從地面傳遞給井下液體，從而把井下液體舉升到井口。整個機械采油系統的工作，就是一個能量不斷傳遞和轉化的過程，能量的每一次傳遞和轉化都會有一定的損失。從地面供入系統的能量扣除系統的各種損失以后，就是系統所給液體的有效能量，該有效能量與系統輸入能量之比稱為機械采油系統的系統效率。

1.1 系統效率的分解[1]

根據抽油機井系統工作的特點，可將抽油機系統分為兩部分，即地面效率和井下效率。一般情況下，以光桿懸繩器為界，懸繩器以上機械傳動效率和電動機運行效率的乘積為地面效率，而懸繩器以下到抽油泵，再由抽油泵到井下的效率為井下效率。

地面部分的能量主要損失在電動機、三角帶、減速箱、抽油機的連桿機構上；井下部分的能量主要損失在盤根盒、抽油桿、抽油泵、管柱的摩擦中，故抽油機井系統效率又可分解表示為：

式中：

k——有效載荷數，與四連桿機構效率及井下

液柱質量和抽油桿質量之比有關；

η電、η皮、η減、η連、η盤、η桿、η泵、η管——系統各分效率。

抽油機井的系統效率主要由以上8個分效率組成，各個分效率的大小，也就是說各部分能量損失的多少，主要取決于油井井況系統的設計、設備運行狀況、操作條件及生產管理等。

1.2 系統效率的能耗分析

系統效率的總損失ΔP損可表示為：

電動機的功率損失ΔP電：由于常規抽油機驅動系統的扭矩特性和特殊的使用環境，使抽油機的驅動電動機處于電動機和發電機兩種工作狀態，匹配電動機容量大，負荷率低，造成電動機效率降低，損耗增大，特別是不平衡時，效率更低?，F場測試中電動機損耗有的高達30%~40%。由此可見，它對系統效率影響最大，節能潛力較大。為了減少損耗，在選擇電動機時，應該適應拖動系統的扭矩特性（如高轉差電動機等）或改變拖動系統的特性（如節能抽油機）。

皮帶功率損失ΔP皮：以彎曲損失和負載有關的彈性滑動損失為主。

減速箱功率損失ΔP減：主要是軸承與齒輪傳動損失。

四連桿機構的功率損失ΔP連：主要是摩擦損失與驢頭鋼絲變形損失。

盤根盒的功率損失ΔP盤：主要是摩擦損失。抽油桿的功率損失ΔP桿：主要是抽油桿與油管內壁的摩擦損失。

抽油泵的功率損失ΔP泵：主要是抽油泵的摩擦損失、容積損失及水力損失。

管柱的功率損失ΔP管：主要是容積損失與水力損失。

就一般的生產井而言，在正常情況下地面設備的效率不會太低，其能量損失主要是電動機，大多數低效井的功率損耗主要在井下。因此，提高抽油機井系統效率的關鍵在于降低井下的能量損耗，從而提高井下效率。井下的能量損耗主要有：抽油桿與盤根盒之間的摩擦損耗；抽油桿與油管之間的摩擦損耗；柱塞與襯套之間的摩擦損耗；抽油桿與液體的摩擦損耗（主要在下沖程）；液柱與油管之間的摩擦損耗；深井泵、油管等的漏失及容積損失[2]。

1.3 提高系統效率的有效途徑

抽油機井系統效率是指抽油系統在一段時間內（一個或幾個沖程周期）用于舉升液體所消耗的有用功功率P有與電動機輸入功率P輸入的比值。在一定的輸入功率下要提高系統效率，必須降低無用功率ΔP損；在消耗有功功率一定的情況下，要提高系統效率，必須降低系統的輸入功率，即通過降低系統能耗來實現。

系統效率的計算公式為：

式中：

P有——抽油機井的有效功率，即水力功率，k W；P輸入——電動機輸入功率，k W；

α——排量系數；

H——有效揚程，m；

Qt——理論排量，m3/d；

ρ——液體密度，t/m3；

g——重力加速度，m/s2。

從式（1）、式（2）可以看出，提高系統效率要提高有效功率P有，即降低系統的各項損耗，主要是電動機損耗、摩擦損耗和非正常漏失損耗；要提高產液量，提高排量系數，確定最佳的有效揚程，降低抽油機井的井下功率損失。

2 提高抽油機井系統效率技術的應用及效果

2.1 抽油機拖動裝置節能技術

2.1.1 寬帶式長沖程抽油機

該機具有電氣與機械兩套安全保護系統，安全性好，沖程可在不停機狀態下無級調節；因此，調沖程特別方便，同時也減輕了工人的勞動強度?，F場應用表明，寬帶機比常規游梁式抽油機平均節電20%~40%，系統效率提高5%~9%。沖程越長，沖速越低，節電效果越明顯。

相繼推廣實施15臺，平均單井日節電59.5 k W h，年累計節電3.5×105k W h，系統效率提高6.4%。

2.1.2 900型MODE1900節能抽油機[3]

900型MODE1900抽油機是沈陽機械廠生產的新型節能抽油機，此型抽油機屬于非對稱循環機構抽油機，懸點上沖程所用時間長于下沖程所用時間；通過對機構尺寸優化設計后，其動力性能明顯優于常規型抽油機。在相同工況下與常規型抽油機相比，節能效果顯著。

相繼推廣實施4臺，平均單井日節電58.9 k W h，年累計節電8.6×104k W h，系統效率提高5.9%。

2.1.3 高轉差電動機

高轉差電動機是通過增加轉子電阻來提高電動機轉差率，具有堵轉電流小、轉差率高、機械特性軟等特點，轉速可隨負載的變化減緩對抽油機的沖擊力，同時也減少了抽油機的彈性變形，實現了抽油桿運行中負載的自我削峰填谷；有利于提高抽油機井的系統效率，增加原油產量，降低產液單耗；因而可以有效地改善抽油機的啟動狀況，較大幅度地降低電動機的額定容量，提高抽油機井的負載率。

相繼推廣實施Y QCH 1.14k V高轉差率電動機52臺，平均單井日節電49.4 k W h，年累計節電9.38×105k W h，產液量上升2.1%，系統效率提高3.9%。

2.1.4 抽油機專用永磁同步電動機

永磁同步電動機的額定效率可達到94%，高于普通異步電動機約4%；通過優化設計，輕載時在一定范圍內的效率可高于額定值，最高可達到96%左右，大大地提高了整個沖程內的平均運行效率。

相繼推廣實施TNY C系列抽油機專用永磁同步電動機10臺，在產液量相同的條件下，平均有功節電率為21.82%，無功節電率為57.6%；平均運行電流下降43.27%，平均功率因數由0.57提高到0.90；10臺永磁電動機年累計節電2.07×105k W h，系統效率提高5.4%。

2.1.5 實施窄V型聯組帶

窄V型聯組帶與普通三角帶雖然都是靠摩擦力來傳遞動力，但由于窄V型聯組帶的傳動尺寸小，較C型三角帶窄得多，因此質量輕，配組性能好，摩擦損失??；并且較窄V型聯組帶其承載能力強，使用壽命長，滑差率小，丟轉數少，相同工作條件下比普通帶平均提高0.45次/min。而且，窄V型聯組帶傳動效率比普通三角帶高，不但節能而且不易損皮帶，保證抽油機生產時效率的提高。相繼更換窄V型聯組帶64套，年累計節電1.12×105k W h，系統效率提高0.4%。

2.1.6 改制盤根盒

抽油桿與盤根盒之間存在滑動摩擦，根據現場示功圖測試，盤根盒太緊與正常松緊時相比，抽油機驢頭懸點載荷會增加1~2t；盤根盒太緊，還會造成光桿發熱磨損，引起摩擦阻力的進一步增大?，F場通過對盤根盒改制，由原來的直徑1.5 i n（1 i n=25.4 mm）改制成1.2i n以下，并采用機油潤濕法取得了較好的效果。經現場測試，節電率達2.4%，系統效率提高0.3%。

2.1.7 玻璃鋼抽油桿

玻璃鋼抽油桿具有質量輕、彈性好、抗腐蝕性能強、抗拉強度與D級鋼桿相當等特點，尤其適宜于深抽提液的要求，并能降低抽油機扭矩。通過合理組合、優化工作參數，還可產生超行程效應，充分發揮玻璃鋼桿的增產節能效果。

通過實施的46口井前后效果對比，在泵徑增加1.9mm的情況下，平均泵掛加深255 m，泵效提高8.9%；單井日增液5.0t，日增油2.0t，累計增液11040t，累計增油3680t；單井電流下降8.5 A，載荷降低16.2k N，累計節電6.21×105k W h，系統效率提高6.3%。

2.2 抽油泵配套新技術

為了克服砂卡、氣體、摩擦等影響，提高排量系數，使油井參數與供液能力相匹配，提高系統效率，引進了防砂泵、防氣泵、新型固定閥罩等新技術，取得了明顯效果。

2.2.1 防砂抽油泵

隨著油田的開發及各種作業措施的實施，地層出砂現象越來越嚴重。為此，應用了防砂抽油泵，這對降低活塞上行阻力、減少砂卡起到了積極作用。相繼實施防砂抽油泵79井次，無一井因砂卡造成躺井；前后對比，平均泵效提高3.6%，年累計增液9408t，累計增油329t，系統效率提高1.8%。

2.2.2 防氣抽油泵

防氣抽油泵泵筒的中部開有排氣孔并使用了雙柱塞，上沖程時，游動閥關閉，固定閥打開，油管內的油、氣被吸到尾管與泵筒內；當上沖程活塞下端通過下排氣孔時，固定閥關閉；此時，套管環形空間的油可以通過上下進排流孔進入泵筒內，而原來從固定閥進入泵筒內的氣體也可從進排流孔排到套管環形空間去，由于排氣孔的作用提高了沖程中的充滿度，防止了氣鎖，因而提高了泵效。通過15口井的實施對比，平均單井日增液3.5 t，累計增液2038t，日增油1.2 t，累計增油656 t，泵效由29.5%提高40%，系統效率提高5.7%。

2.2.3 固定閥罩的改進

新型固定閥罩是在不減少油流通過的情況下，使閥球對球心的移動距離從原來的45 mm縮短到12mm，由直進油孔改為閥罩邊上3個傾斜的過油通道，使進入泵腔的原油一面貼于泵腔內壁，有效地減少氣體和氣蝕影響。通過42口井的實施對比，平均單井日增液4 t，日增油0.7t，累計增液8480t，累計增油482t，系統效率提高4.4%。

2.3 地面節能管理技術

2.3.1 定期保養潤滑，減少地面磨損[3]

地面部分的能量損失除電動機外，還有三角帶、減速箱、抽油機的連桿機構。因此，電動機變速箱、皮帶輪、光桿應及時保養、更換、扶正，并加強對抽油機運行時的潤滑，減少連桿機構的磨損，以免造成不必要的傳遞能量損失，降低傳動效率。

2.3.2 搞好抽油機的平衡

抽油機運行不平衡會造成電流、功率因數波動太大，少量電機出現負功現象，而且平均運行電流升高8.0%左右，造成不必要的耗電；因此，要保證抽油機的平衡度要求，抽油機工作時平衡度應調整在85%~120%。

2.3.3 低效電動機強制檢修

由于電動機長期運行和特殊的使用環境（如機械磨損、三相電壓不平衡運行），造成電動機轉子與定子間空隙度增大，磁阻增大，漏磁嚴重，使電動機運行效率降低，損耗增加，并且在現場應用中不容易被發現。為此，在工作中，加強對抽油機井調參跟蹤測試，對能耗高、效率低的井及時更換電動機、變速箱，調平衡及工作參數。

2.4 機采提液管理技術

油井生產是一個相對不穩定的過程，隨著地下能量的變化，油井供液能力將發生變化，因此抽油參數只有和油井供液能力相匹配，才能更多地采出液量和油量。為此，通過應用優化設計軟件、宏觀控制圖、功圖診斷及自動檢測技術，實時跟蹤并調整設計，相繼通過泵升級、泵加深、下大泵、嚴防非正常漏失等機采提液管理技術，保持合理的沉沒度，使油層供液能力和抽汲參數相協調，變間隙出油為連續出油，系統效率得到了大大提高。從實施的85口油井生產情況來看，平均單井日增液12.9t，日增油2.7t，累計增液126857t，累計增油13216t；平均單井泵效由46.7%提高到50.6%，泵效提高3.9%，系統效率提高2.3%。

總之,通過抽油機拖動節能裝置、抽油泵革新、地面節能及機采提液管理等配套技術，抽油機井平均機采系統效率提高了3.89%，年節電23.14×105k W h，累計增油18363t。但影響抽油機系統效率的因素及環節較多，提高抽油機井系統效率涉及面廣，它除了與抽油設備及抽汲參數有關外，還受井況和油井管理水平的影響，需要做大量的現場測試與研究工作。另外，抽油機系統各部分的耗能又存在一定差異，所以在實際生產中應根據油井不同情況確定提高其系統效率的具體措施。

[1]崔振華,余國安,安錦高,等.有桿抽油系統［M］.北京:石油工業出版社,1994:453-477.

[2]陳建東.抽油機系統耗能分析[J].石油知識,1994(5):22-25.

[3]牛爍,盧素萍,張瑞英.機采系統效率研究[M]//徐樹漢.濮城油田高含水期開發技術文集.北京:石油工業出版社,2002:338-345.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.04.006

楊建華，1987年畢業于重慶石油學校，工程師，從事采油技術管理工作，E-mail：Yangyang8058@sina.com，地址：河南省范縣采油二廠工藝研究所，457532。

2012-01-05）