浅谈提高机械采油系统效率的几种方法

              我国油田常用的机械采油方式为有杆抽油、潜油电泵抽油和螺杆泵抽油等，有杆抽油在我国9万多口机采井中，约占90%。本文着重探讨提高有杆采油系统效率的方法，下面提到的机采系统即有杆抽油系统。   一、概述   在有杆抽油系统中，井下抽油泵载荷交替变化造成地面系统工作不稳定，加剧了动力系统的无功损耗，导致抽油系统长期低效率运行。国内外科技工作者从不同角度出发，在提高抽油机系统效率方面做了大量工作，并取得了一些重要成果。1987年，大庆油田曾经组织力量测试了100口未上任何节能措施的抽油机井，机采系统平均效率仅为18.1%。全面系统地分析影响有杆采油系统效率的因素及能量在传递过程中消耗的原因，开展提高抽油系统效率的研究，已成为我国降低石油开采成本，实现高效经济采油的重点研究课题。 纯梁采油厂正常运转的抽油机井大约有800多口，一年仅电费开支就是两千多万元。因此研究有杆抽油系统效率提高的方法，并大力推广配套节电产品，应用新技术、新工艺，对于提高系统效率，节约电费开支具有重要意义。   二、系统效率分析及理论上提高的几种方法   1.系统效率分析 国内外的研究表明，影响机械采油系统效率的因素很多，它不仅受机械采油设备和运行参数的影响，而且还受油井管理水平和地质情况的影响。 机械采油系统由电动机、抽油机、井口装置、油管柱、抽油杆和抽油泵等装置组成，其中抽油机又包括胶带轮传动装置、减速器、四连杆机构和游梁装置。 根据抽油机井的工作特点，抽油机的系统效率分为地面效率和井下效率两部分，并且存在以下关系。                        N=NsNw 式中：N ——抽油机系统效率； Ns——抽油机系统的地面效率； Nw——抽油机系统的井下效率。  地面系统效率损失主要发生在电动机、皮带、减速箱及四连杆机构中，井下效率损失主要发生在盘根盒、抽油杆、抽油泵和管柱中。 由于能量（此处指电能和机械能）在转换过程中，会发生不可避免的损失，所以有效功率一定小于输入功率，系统效率一定小于1。根据能量守恒定律，输入功率应当等于有效功率（输出功率）与损失功率之和，有效功率与输入功率的比值就等于系统效率。 2.理论上提高系统效率的几种方法 由机械采油系统效率损失分析可知：提高系统效率有以下两种办法：一是增加系统的有效功率；二是减少损耗功率，推广应用节能技术设备或加强管理工作。 具体可以分为4类措施。 (1) 推广应用节能型抽油机和电动机。目前我国使用较多的节能型抽油机有异相曲柄平衡抽油机、异型游梁式抽油机和宽带机等，使用较多的节能电机有高滑差电机、双速电机等。 (2) 进行有杆抽油系统优化设计。有杆抽油系统的设计就是要根据油井的实际情况选择机、杆、泵及抽汲参数，所选择的有杆抽油系统不仅要满足油井的生产要求，而且必须经济合理。有杆抽油系统的设计包括两大类设计内容，一是新投产油井系统的优化设计；二是已投产井抽汲参数的优选，即在满足抽油机的承载能力以及满足配产要求的条件下，合理地设计抽汲参数。 (3) 加强抽油机的科学管理。在现场管理中，经常采取的方法有定期检查传动装置，定期更换减速箱内机油，提高地面传动部分效率；使用窄V联组带；对于油气比高的油井应采取适当加大泵的沉没度，加装油气分离器和定期放套管气等措施，以提高泵的充满系数；加强特殊井的分类维护；保持抽油机的较高的平衡度等。 (4) 认真解决抽油机电动机的欠载问题。电动机运行的效率取决于负载率β，轻载时电动机的效率很低，而当负载增加到一定值时变化则很小。当β<0.4，效率的变化不大，在负载率β=0.75左右时，效率达到值。经现场测定发现，当前每台抽油机电动机的平均负载大约只有它额定功率的1/3左右，同时工作在负载率小于25%的时间占整个工作时间的50%以上，造成电动机有效功率过低，也就是说电动机大量时间在低效区工作，直接导致系统效率普遍偏低。   三、胜利油田机采系统生产现状   胜利油田目前处于油气开发的中后期，高含水原油及中低粘原油居多。游梁式抽油机由于具有结构简单、工作平稳、性能可靠等优势而在各油田广泛应用，据统计胜利油田使用的游梁式抽油机占生产井总数的82%以上。 但游梁式抽油机同时又存在能耗大、工作效率低的缺陷。该种抽油机的悬点载荷为周期性变载荷，悬点载荷在减速器曲柄轴上的扭矩曲线与曲柄平衡的正弦曲线差别很大，使曲柄轴上的净扭矩曲线波动很大，甚至出现负值。而普通的三相异步电动机输出的转速和扭矩基本上恒定不变，为保证抽油机的启动要求和在运行时有足够的过载能力，通常电动机的装机功率较大，而电动机正常工作时均以轻载运行，因此造成抽油机与电动机的匹配不合理，即一般俗称的“大马拉小车”现象。 电动机应处于允许运行状态，即综合效率小于额定综合效率，但大于或等于额定负载时的允许综合效率的运行状态。此时电动机效率为86.7%左右，而额定综合效率为88.7%左右。1998年有关部门统计了胜利油田438口油井电动机，约有67.6%的抽油机电动机处于非允许运行状态，充分说明“大马拉小车”现象相当普遍。 抽油机运行时普遍存在不平衡现象，导致多数电动机电流变化不均匀，使电动机内耗大大增加，寿命也受到严重影响，造成能源浪费，影响整个抽汲系统的效率。 1999年在纯梁采油厂抽测了56口油井，其中22kW的7台，负载率18.91%；30kW的42台，负载率22.55%；45kW的3台，负载率9.72%；55kW的4台，负载率11.96%；综合计算，纯梁采油厂有相当一部分抽油机井的负载率在10%～20%之间，直接造成电机运行效率低，功率因数偏低，电量浪费现象十分严重。   四、节能产品应用情况   纯梁采油厂十分重视机采系统的节能降耗工作，推广普及了很多节能产品，例如节能抽油机、节能皮带等在新井优化设计时就已经被选用。生产中注意发挥现场管理作用，要求采油工每天量油、测电流，掌握油井生产情况，及时调参、调平衡。在以上工作的基础上，想进一步提高机采系统效率就要考虑如何提高电机负载率。目前推广使用的节能产品大多为了解决抽油机电动机的欠载问题。对几种节能产品的工作机理效果及适用性进行分析探讨，使其更好地应用于生产，对提高机采系统效率起到一定的现实意义。 1.稀土永磁同步电动机 纯梁采油厂根据稀土永磁电机的实际特点，针对采油厂55kW电机普遍存在的“大马拉小车”现象，重点采用永磁电机替换，提高功率因数，降低装机容量。安装前后分别测试了15口油井，发现功率因数平均提高到了0.85以上，负载率平均提高近一倍，系统效率也由原来的18.5%提高到了25.7%。 由于稀土永磁同步电动机无滑差，转子上无激波铁铜损耗；电机为双边励磁，且主要是转子永磁体励磁，其功率因数可高达1；功率因数的提高，一方面节约了无功功率，另一方面也使定子电流下降，定子铜损减少，效率提高。另外稀土永磁同步电动机的不变损耗小，可变损耗变化比异步电动机可变损耗变化慢，使其效率特性有高而平的特点，这一特点使稀土永磁同步电动机的节能效果比其效率的提高更为明显。 不足的是永磁同步电机对抽油机的平衡情况没有改善，无法均衡载荷曲线，需要借助其他方式平衡载荷。 2.超级节电器 针对严重供液不足或间歇出油的油井，安装超级节电器根据油井产液规律自动控制起、停井。安装后量油时间变短，泵效提高，电机负载率提高，并且由于减少开井时间而节约用电量。 超级节电器在使用时必须加强管理，一是由于常时间停井，冬季易造成堵管线；二是由于自动起停井，需作好各项安全防范工作。 3.星角转换节能控制柜 采用星—三角转换变压技术使电动机转矩跟随负荷变化来提高效率和功率因数。该控制柜在抽油机负荷较大时以380伏角接法运行，负荷减少时切换到220伏星接法运行。例如在启动时采用角型接法，电机在低负载状态运行几分钟后就自动切换为星型接法，降低运行电压，提高机采系统效率。 经过测试发现利用星—三角转换变压技术可以见到明显的节能效果，负载率提高，改善了“大马拉小车”现象，主要适用于工作负载20%以下的油井。不足的是没有解决电动机起动瞬间电流冲击问题，在电压切换过程中电动机也将有瞬时大电流冲击问题，另外由于控制柜内触点较多，实际使用中容易发生故障，维护工作量大，设备运行稳定性有待于进一步提高。   五、几点思考   1.加强油井的日常管理有助于提高系统效率 采油队应该制定切实可行的油井管理制度，不定期的对油井运行情况进行抽查，检查负载率和工作制度是否合理，对电流不平衡、参数配置不合适和负载率低的油井，及时通过调平衡，调参数、换电机等具体措施解决，提高电动机负载率，从而提高采油厂机采系统效率。 2.充分发挥节能技改项目的作用，应注意以下几个方面 ①要想使节能产品发挥效益，必须重视前期准备工作，包括前期测试，根据产品特点有针对性选择油井等。 ②在使用过程中进行检测，发现问题及时督促厂家改进。我们认为对于经济寿命为五年的节能产品，在初步完成鉴定之后，半年内应再检测一次，并将测试数据同先期试验数据比较。在剩下的四年时间里每年测一次较合理，并将信息及时反馈给上级有关部门同财务分期付款制度相结合，这无论对节能新产品的更新换代还是企业降本增效都是有益的。 ③目前社会上节能产品厂家众多，有的厂家技术力量雄厚而有的只不过是临时拼凑的，产品质量难以得到保证。有一些节能产品的性能不稳定，具有短期性，这会给企业带来很大的不应有的损失，而对节能产品进行定期跟踪检测，根据实际情况按比例付款，可有效杜绝假冒伪劣产品，避免许多弊端，对油田的生产管理和节能降耗工作将起到积极作用。 3.好节能宣传教育工作 要利用多种形式大力宣传节能技改工作的重要性和必要性，形成领导重视，职工积极参与的良好氛围，主动管理好实施节能措施的设备，使职工意识到节能技改事关企业的经济效益，与自身利益息息相关。油田是国家能源基地，也是耗能大户，因此做好节能工作刻不容缓。