機采系統(tǒng)效率影響因素分析與對策研究

1、機采系統(tǒng)效率影響因素分析與對策研究通過對機械采油井耗能設備進行詳細的分析，找出了影響機械采油系統(tǒng)（簡稱機采系統(tǒng)）效率的諸因素。在做好參數(shù)優(yōu)化工作的同時，按照建設資源節(jié)約型企業(yè)的要求，以系統(tǒng)效率為突破口，針對影響系統(tǒng)效率的主要因素，堅持“系統(tǒng)優(yōu)化、綜合配套”的原則，將油藏與工程、地面與地下有機結(jié)合起來，積極采用國內(nèi)外成熟有效的新工藝、新技術(shù)，進一步提高了機采系統(tǒng)效率。 抽油機機械采油法是應用抽油機井生產(chǎn)系統(tǒng)采油的目的是將地面能量通過抽油機抽油桿抽油泵傳遞給井筒中的生產(chǎn)流體將其舉升到地面，整個系統(tǒng)的工作過程就是能量不斷傳遞與轉(zhuǎn)化的過程，而在能量傳遞和轉(zhuǎn)化的每一環(huán)節(jié)均會產(chǎn)生能量損失。從地面供入系統(tǒng)提

2、供的能量扣除系統(tǒng)中的各種損失，就是系統(tǒng)給井筒流體的有效能量，其與系統(tǒng)輸入能量之比即為抽油機井的系統(tǒng)效率。 通過優(yōu)化設計抽油機井生產(chǎn)系統(tǒng)的工作制度、選擇合理的生產(chǎn)設備、提高油井的管理水平來提高抽油機井系統(tǒng)效率不僅可以節(jié)約大量的能源，降低生產(chǎn)成本，而且還能緩解國家用電緊張的狀況，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。因此是油田高效生產(chǎn)的重要途徑之一。 有桿抽油系統(tǒng)由電動機、抽油機、井口裝置、油管柱、抽油桿柱和抽油泵組成。系統(tǒng)效率由地面效率和井下效率兩部分組成，地面的效率損失主要發(fā)生在電動機、膠帶輪、減速器和四連桿機構(gòu)中，井下部分的效率損失主要在盤根盒、抽油桿柱、油管柱和抽油泵中。 抽油機的傳動系統(tǒng)從動力端

3、到懸點，一般經(jīng)過減速、換向兩個階段，如果換向機構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)速與懸點運動周期的比等于1，如現(xiàn)在廣泛使用的游梁式抽油機，則減速系統(tǒng)的傳動比就較大，要實現(xiàn)低沖次就較為困難。然而在油藏開發(fā)中后期，二類儲量動用程度不斷上升，油稠造成摩擦阻力增大，稠油井需要低沖次運行來提高泵效和降低能耗，游梁式抽油機不經(jīng)過改造和其它配套很難實現(xiàn)低沖次（圖）。 游梁式抽油機的平衡率對抽油機井的系統(tǒng)效率影響較大，平衡差的油井能耗大，系統(tǒng)效率低。同時抽油機平衡狀況的好壞，直接影響抽油機連桿機構(gòu)、減速箱和電機的效率與壽命，對抽油桿的工作狀況也影響很大。因此，對于抽油機平衡狀況的判斷和及時調(diào)整，必須給予重視。在旋轉(zhuǎn)平衡或復合平衡方式

4、的抽油機上，調(diào)整平衡最方便的方法是調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)平衡塊的平衡半徑。實踐表明，通過合理地調(diào)整平衡，每口油井可減少有功功率0.3-1.5kw，平均節(jié)電0.5kw，節(jié)電效果顯著。 同時，通過理論研究和測試實踐，如果以抽油機的能耗最小作為抽油機平衡最佳的判斷標準，則上、下沖程的峰值扭矩不一定相等，一般來說每口井都有節(jié)電的平衡度最佳點，一般調(diào)在90%為最經(jīng)濟，通過調(diào)平衡可以降低能耗，是管理出效益最直接的例子。 電動機是油田抽油機井的主要動力設備，也是油田主要的耗能設備之一，機采系統(tǒng)的耗電量最終也體現(xiàn)在電動機耗電上。所以對電機的節(jié)能效果的要求越來越高，因此電動機及其相關(guān)改造是提高機采系統(tǒng)效率項目中不可回避的問題

5、。 電機負載率是指運行中電動機實際輸出功率n2與額定功率的比值。 電機的負載率及其特征曲線見圖2，從中可以得出，電機的負載率及功率因數(shù)越低，電動機的效率越低。 現(xiàn)場中一般用實測電流法計算電機負載率： 從中可以得出。在同樣負載系數(shù)下，軸功率波動越大，電動機的效率越低。這就要求驅(qū)動抽油機的電動機不僅本身節(jié)能，而且要求其工作特性能夠改善抽油機的工作狀態(tài)。 目前柱西采油廠抽油機井使用的部分電機能量損耗仍然較高，而且配置的額定功率遠大于抽油機實際輸入功率，存在“功率不匹配”現(xiàn)象，造成負載率和功率因數(shù)偏低，無功功率偏大是影響電機效率的重要因素。 多年來抽油機的驅(qū)動電機一直采用通用系列異步電機，這種電機額定

6、功率運行時的效率和功率因數(shù)呈現(xiàn)最大值，而當負載降低時效率和功率因數(shù)都隨之下降，能耗隨之增大。 通用異步電機啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)只有1.8-2.0倍，因此，在原來的“大機、強桿、粗管、深下”的稠油開采模式下，選用電動機時為考慮啟動和稠油在轉(zhuǎn)周期內(nèi)載荷變化大的因素，不得不提高裝機功率，造成運行時的“大馬拉小車”現(xiàn)象。 另外抽油機的扭矩特點是波動較大，且存在負扭矩，這就要求驅(qū)動抽油機的電動機，不僅電動機本身在較寬的載荷率下工作效率較高，而且更重要的是符合抽油機的載荷狀態(tài)，使抽油機懸點加速度變化趨于均勻，抽油機主要構(gòu)件如連桿、支架的受力，特別是減速器承受的扭矩有所改善，平衡效果變優(yōu)。即不僅要求驅(qū)動抽油機的電動

7、機節(jié)能，而且要求電動機的特性使抽油機的工作狀態(tài)優(yōu)化從而達到節(jié)能的目的。 從上面的分析中可以得出結(jié)論：驅(qū)動抽油機的節(jié)能電動機，應該具有以下特點： 一是在較寬的載荷率下工作效率較高，在低負載率時效率較高； 二是電動機的機械特性應該與抽油機的工作要求相匹配，一般認為特性較軟對三抽系統(tǒng)有利； 三要有一定承受過載的能力； 四啟動扭矩要大； 五是有利于抽油機的平衡。 光桿與盤根盒間的摩阻大小直接影響功率損失?，F(xiàn)場示功圖測試結(jié)果證明，部分油井盤根盒密封過緊或盤根盒與光桿的對中性差時光桿上、下行程中摩阻的增加可引起驢頭懸點負荷變化1-2噸左右，這樣最大、最小懸點載荷差值變大，抽油機功率損失增加8%-15%，引

8、起系統(tǒng)效率降低，這樣的油井在大約有280口。 在油藏開發(fā)中后期，由于含水的不斷上升，井液由原來的油包水變成了水包油，潤滑性變差，加上油井出砂加劇，造成井下抽油設備砂磨嚴重，使得抽油桿與油管間的摩阻、油管桿與流體間的摩阻、抽油泵與柱塞間的滑動摩阻增大。 隨著開發(fā)程度的不斷加深，二類儲量的動用程度不斷提高，稠油開發(fā)的規(guī)模不斷擴大，也帶來了不少生產(chǎn)難題，在熱采井的轉(zhuǎn)周后期，原油的粘度很高，使上、下沖程過程中的抽油桿、采出液與油管之間的粘滯磨阻非常大，在某些稠油井上還會出現(xiàn)光桿緩下的現(xiàn)象，造成光桿和驢頭打架；另外由于采出液的粘度高，在單井外輸管線中的流動阻力增大，造成油井回壓升高。這些都造成了大量的能

9、量和產(chǎn)量損失。 根據(jù)常規(guī)泵在高含水出砂油井中工作的泵效變化規(guī)律，常規(guī)泵在高含水出砂油井中工作一般幾個月以后，泵效就開始明顯衰減，部分低效檢泵井，在檢泵后5個月內(nèi)產(chǎn)液量衰減20-30%，這主要是由于井液砂磨導致泵密封間隙和泵閥漏失增大，并且漏失量會迅速上升，另外隨著含水的上升，產(chǎn)出液對泵的腐蝕性增加也是泵效降低的原因之一。 隨著開發(fā)的不斷深入，稠油開發(fā)的規(guī)模不斷擴大以及注聚區(qū)塊見聚濃度不斷升高，高粘度采出液對泵效及系統(tǒng)效率的影響越來越引起重視。沉沒度對抽油泵充滿度的影響在深井和稀油井上比較大，而對稠油井的泵效影響較小。采出液高粘度的情況下，粘度是影響抽油泵充滿度的主要原因，而抽油泵充滿度與泵效有

10、直接的相關(guān)性。稠油開發(fā)中，油井供液不足，造成大部分油井泵效低。 根據(jù)井下效率的計算原理，泵效與井下舉升效率成正比關(guān)系，油井周期泵效平均下降5%，井下舉升效率下降4.3%，因此泵效的下降使舉升效率也迅速下降。因此管理上和技術(shù)上提高稠油井抽油泵充滿度，也是提高系統(tǒng)效率的有效途徑之一。 生產(chǎn)參數(shù)中油井產(chǎn)量、泵掛深度、懸點載荷差以及沖程和沖次是影響油井井下效率的主要因數(shù)，而它們本身也是各種因素影響的綜合指標，相互之間存在相關(guān)性。對一具體的油井而言，在地面設備和油井產(chǎn)能是一定的條件下，不同的沖程、沖次、泵徑、下泵深度、抽油桿柱組合對井下效率有較大影響。當產(chǎn)量、泵徑、泵掛確定時，沖次與井下效率的關(guān)系是隨沖

11、次的增加，舉升效率降低。 因此，長沖程有利于提高舉升效率。當泵徑、沖程、沖次確定，泵掛深度變化時，油井產(chǎn)液量隨下泵深度的增加，有先上升后降低的規(guī)律，泵深過大，不但對提高產(chǎn)量無益，反而會增加懸點載荷，從而增大電機負荷，降低地面效率，在現(xiàn)場生產(chǎn)中當動液面確定時，沉沒度的選擇直接決定泵掛深度，因此，合理選擇沉沒度對油井系統(tǒng)效率的提高十分重要；假設產(chǎn)量不變時，隨下泵深度的增加，負載增加，油井舉升效率稍有降低。 因此，在生產(chǎn)過程中，不根據(jù)地面設備和產(chǎn)能的條件，科學合理地對抽油系統(tǒng)進行組合設計，是影響井下效率的主要原因之一。 在做好參數(shù)優(yōu)化工作的同時，按照建設資源節(jié)約型企業(yè)的要求，以系統(tǒng)效率為突破口，針對

12、影響系統(tǒng)效率的主要因素，堅持“系統(tǒng)優(yōu)化、綜合配套”的原則，將油藏與工程、地面與地下有機結(jié)合起來，積極采用國內(nèi)外成熟有效的新工藝、新技術(shù)，形成了提高機采系統(tǒng)效率的配套技術(shù)，進一步提高了機采系統(tǒng)效率。 由于目前油井供液能力比較強，導致油井的負荷較輕，大部分油井負荷都在60kn以下，采用6型抽油機就能維持油井的正常生產(chǎn)。而采油廠大部分抽油機是8型以上的大抽油機，而且老化嚴重。為此，采油廠加大了抽油機更換力度，根據(jù)油井負荷情況，將負荷小的普通抽油機更換為6型抽油機。6型機采用雙驢頭結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)利用變徑原理，做到上沖程平衡扭矩大，下沖程平衡扭矩小，從而更好的與驢頭負荷相匹配，降低電機負荷扭矩波動量，使

13、負荷扭矩更平穩(wěn)，達到節(jié)能降耗的目的。截止到目前共更換6型機58臺，更換后平均單井日節(jié)電23.0kwh/d，系統(tǒng)效率提高2.2%，節(jié)電效果明顯。 據(jù)統(tǒng)計,采油廠異相型抽油機井占生產(chǎn)井總數(shù)的0.58%。異相型抽油機具有峰值扭矩低、所需電動機功率低等特點,運轉(zhuǎn)時平衡效果較好。其中33口測試井中,平衡度在85以上的占62,高于其它類型游梁機。通過與相同井況使用的常規(guī)機相比,可以看出異相型游梁機在同樣井況下動載小,減速器所需扭矩小,平衡效果好，異相型抽油機的系統(tǒng)效率比常規(guī)型機高2.5%4%的優(yōu)越之處。 目前采油廠常用的無游梁式抽油機主要是皮帶式抽油機,其中勝利油田設計的皮帶機有9臺,占抽油機總數(shù)的0.4

14、1%。 勝利皮帶機采用長沖程、低沖次,減少了沖程損失,由于其懸點運動的勻速克服了游梁機高速時的供液不足現(xiàn)象,提高了泵的充滿系數(shù),同時改善了井下管柱的載荷狀況,延長了油井免修期,提高了油井利用率。 根據(jù)19臺皮帶機的統(tǒng)計，平均泵效達到80%左右,平均日產(chǎn)液40.8t,與相同生產(chǎn)參數(shù)的游梁式抽油機井相比沖程損失減少67.1%，示功圖形狀近似于平行四邊形。 稀土永磁電動機是一種新型節(jié)能電機，其轉(zhuǎn)子主要由稀土永磁體構(gòu)成，所以不用勵磁，從而省去了勵磁功率，當永磁同步電動機同步運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子既無銅耗，又無鐵耗，提高了效率，降低了耗損，因無功功率很小，其功率因數(shù)很高。 電機的效率與其功率利用率有較大的關(guān)系，電

15、機是以磁場為媒體進行能量轉(zhuǎn)換的以一種機電產(chǎn)品。根據(jù)電機學原理，異步電機的轉(zhuǎn)速不可能等于氣隙內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，原因在于必須在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)產(chǎn)生感應電動勢和感應電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。為使轉(zhuǎn)子繞組上有電流流過，除感生方式外，也可以采用傳導方式，即同步電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電流的方法。為建立機電能量轉(zhuǎn)換所需的磁場，電動機的磁路需要一定的磁勢源進行勵磁，有電勵磁和永磁兩種方式，前者需外接電源供給能量進行勵磁，如交流勵磁電動機和一部分同步電動機；后者是采用永磁材料的固有特性，經(jīng)預先磁化后不需外加能量就能建立起永久磁場，這就是同步永磁電機（圖3、圖）。 抽油機用永磁同步電機具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、起動力矩大、

16、過載能力強、效率高、功率因數(shù)高、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，集中了異步電機和同步電機的優(yōu)點，克服了兩者的缺點。同普通電機相比具有以下特點： 效率高：采用永磁材料代替電勵磁，減少了勵磁損耗；采用同步工作方式，轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)完全同步，無轉(zhuǎn)差率損耗（普通電機轉(zhuǎn)差率2%5%，高轉(zhuǎn)差率電機812%）；普通電機額定效率為90%，永磁同步電機額定效率可達94，經(jīng)優(yōu)化設計使高效區(qū)得到延寬，可大幅度提高整個沖程內(nèi)的平均運行效率，平均效率一般可提高12%以上。 該電機起動方式簡單，起動力矩大：tnm稀土永磁同步電機采用異步起動方式，可直接起動，因此結(jié)構(gòu)簡單。它的最大起動轉(zhuǎn)距倍數(shù)為3.8倍，普通電機為1.82.0。 功率因數(shù)高

17、：永磁電機的功率因數(shù)通過轉(zhuǎn)子永磁體磁場決定，因此可獲得較高的功率因數(shù)，可以達到0.90，輕載時還高于此值，一般運行在0.9以上，無功節(jié)電效果相當顯著。 截止到2009年12月，共安裝92臺，安裝后平均單井日節(jié)電32.0kwh/d，系統(tǒng)效率提高2.7%。 對配套電機額定功率過大，出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象的油井，根據(jù)負荷情況更換為較小功率電機，以達到節(jié)電提高系統(tǒng)效率的目的。小功率電機適用于抽油機配套電機額定功率過大，出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象的油井。其節(jié)電原理是通過提高電機負荷率，使電機效率、功率因數(shù)得到提高，達到節(jié)電的目的。到2009年12月共安裝31臺，平均單井日節(jié)電17.4kwh/d，系統(tǒng)效率提高

18、2.1%。 采油廠部分稠油井仍然采用電磁調(diào)速電機小參數(shù)生產(chǎn)。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，調(diào)速電機井平均單井日耗電340.8kwh，普通電機+調(diào)速器井單井日耗電為259kwh/d，調(diào)速電機單井日耗電高出43.2kwh/d。造成調(diào)速電機耗電量偏高的主要原因是電磁調(diào)速電機是一種滑差變速電機，其在調(diào)速時，隨著轉(zhuǎn)速降低，電機的效率也相應地按比例下降，效率降低將會導致電機的耗電上升，油井系統(tǒng)效率降低。 抽油機的電動機的軸功率n2周期性變動時，電動機的電流i也在作周期性變化，用一個周期內(nèi)的平均值來代表這一變動電流是毫無意義的。正弦變化的交流電的在一個周期內(nèi)的平均值為零，所以在變動軸功率情況下，只能用熱電流及均方根電流來代

19、表才有意義。 當電動機軸功率變動時，其輸入功率亦隨之變動，一個周期內(nèi)的平均輸入功率也隨之變化，一個周期內(nèi)的平均輸入功率為： 由此可見，在相同平均軸功率的情況下，軸功率波動越大，電動機的消耗的有功功率也越大。因為均方根功率n2e總是大于平均軸功率n2m，所以在平均軸功率相同的情況下，變動負載比恒定負載的電動機電流更大；軸功率波動越大，其對應的電動機電流越大。從中可以得出，在同樣負載系數(shù)下，軸功率波動越大，電動機的效率越低（圖5、圖6）。 針對電磁調(diào)速電機存在效率低、耗電高的問題，為滿足稠油井生產(chǎn)的需要，近幾年推廣應用了變速器，既滿足了油井生產(chǎn)，又節(jié)約了電能。 截止到2009年12月底，共安裝38

20、臺，安裝后平均單井日節(jié)電36.2kwh/d，系統(tǒng)效率提高2.9%。變速器具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，傳動效率高的特點，現(xiàn)場試驗證明普通電機+變速器可以替代電磁調(diào)速電機實現(xiàn)稠油井的小參數(shù)運行。 除此之外，為了更好的做好節(jié)能降耗工作，根據(jù)油井的實際情況，實施了以調(diào)平衡、合理匹配電機、電容補償?shù)却胧橹鞯母黜椆芾砉?jié)能措施，積極開展“油井每天節(jié)約一度電”活動，這些管理措施有力的促進了油井節(jié)能工作的開展和系統(tǒng)效率的提高，使節(jié)能降耗工作保持了先進水平。 根據(jù)部分油井供液能力的變化規(guī)律，當油井供液不足或是熱采井轉(zhuǎn)周中后期，泵效就開始明顯衰減，系統(tǒng)效率減低。游梁式抽油機的啟動電流為其正常工作時最大電流的56倍，而

21、變頻調(diào)速后抽油機啟動電流接近抽油機正常工作時的最大電流，功率因數(shù)由使用游梁式抽油機時的0.30.5上升到0.95以上。 電動機的損耗分為不變損耗和可變損耗兩部分。在電壓一定的條件下，鐵損和風損可以認為是恒定的，不隨負載變化的損耗；而定子和轉(zhuǎn)子的銅損和負載雜散損耗都隨負載電流的平方而變化的損耗。當電動機的負載減小時，可變損耗相應減小，而不變損耗保持不變。然而，電動機負載減小時,負載轉(zhuǎn)矩降低，就不要求與額定負載時同樣強的電動機磁場。適當降低電動機電壓,就可得到與負載減小相適應的減弱了的電動機磁場，其結(jié)果是鐵耗降低，效率提高，功率因數(shù)也相應改善（圖7）。 任意改變抽油機的沖程。可做到上沖程快提，下沖程慢放，快提可減少抽油泵泄漏，慢放可提高泵的充滿系數(shù)，以提高泵效，減少了粘滯損失（圖8、圖）。 軟啟動功能。應用變頻調(diào)速技術(shù)對抽油機