机械采油系统能耗综合分析与优化策略

张海春

摘 要：近年来，随着国际油价持续低迷，采油行业形势突变，油田企业效益持续下滑，倒逼企业降低采油生产成本提高效益。同时，持续开采使得油田进入高含水期，开采能耗有增大的趋势。因此，油田企业必须改变过去粗犷的开发方式，加强节能降耗工作。在油田生产中，机械采油系统能耗占油田能耗的很大一部分，提高机械采油系统工作效率降低能耗越来越受到油田企业重视。文章分析了影响机采系统能耗的因数，提出了通过选择合理生产设备、优化机采系统生产参数、提高机械采油系统管理水平等节能措施，提高机采系统效率，努力实现降本增效。

关键词：机械采油系统；节能降耗；生产参数；提高效益

随着油价持续低迷，油田企业愈加重视降本增效，积极开展了机械采油系统节能降耗工作。文中分析了影响机械采油系统能耗的因素，对机械采油系统节能措施及效果进行了分析，为提升机采系统工作效率、降低能耗提供参考。

1 影响抽油机能耗的因素分析

1.1 抽油机载荷和工作状态对机采系统能耗的影响

抽油机在工作时传动系统从动力部分到悬点，要经过减速和换向等过程，在这个过程中，游梁式抽油机的平衡度对机采系统的能耗影响较大。平衡度较好的抽油机，机采系统工作效率高，反之，平衡度较差的抽油机，机采系统工作效率较低。除此之外，抽油机的平衡度不好会影响各部分工作状态，使得抽油机连杆机构、减速箱等部件工作异常，缩短机采系统的工作寿命。因此，要时刻关注抽油机的平衡状态，对于平衡状态较差的抽油机要及时调整，通常抽油机能耗最小时平衡度最佳，通过平衡调节能够降低能耗，提高机采系统工作效率。

1.2 电动机对机采系统能耗影响

抽油机的主要动力设备是电动机，其能耗的高低直接决定着机采系统效率的高低。评价电动机参数有电动机的负载率和功率因数。电动机的负载率指的是电动机实际输出功率N 1 与额定功率 N 0 的比值，有如下计算公式：

相应的，电动机的功率因数计算公式如下：

电动机工作效率通常用 1 个周期内的平均输入功率平均轴功率的比值来评价，具体公式如下，

式中：N 1m 为平均轴功率，单位 KW。

N 1m 为一个周期内的平均输入功率，单位 KW。

电动机负载率与其功率因数及工作效率关系如图 1 所示，电动机负载率过低时，其功率因数与系统工作效率均较低。目前使用较多的异步电机只有在额定功率运行时，其功率因数和工作效率才达到最佳状态，负载率降低时，电动机的工作效率明显降低。因此，必须提高电动机负载率，使用永磁同步电机能够较好解决这个问题。

1.3 摩擦阻力对机采系统能耗的影响

（1）杆、管、柱的摩擦阻力。随着油井持续开采，地层产出液中含水升高，由早期的油包水变为水包油，井内液体润滑效果变差 ，同时井内出砂情况加剧，导致井下杆、管、柱在工作时摩擦阻力变大。井上部分四连杆机构工作时也会由摩擦导致能量损失，驴头钢丝形变等也会降低四连杆机构工作效率。

（2）光杆与盘根盒的摩擦阻力。光杆与盘根盒接触部分容易产生摩擦阻力，直接影响抽油机工作效率。当盘根盒与光杆对中性不好时，会增加光杆上、下运动中的摩擦阻力，同时盘根盒密封过紧时，也会增大与光杆直接的摩擦阻力，从而导致系统工作效率降低，能耗增加，研究表明，光杆与盘根盒摩擦造成的抽油机功率损失可达 10%左右。

（3）减速箱的摩擦阻力。减速箱工作过程中产生的摩擦阻力主要是因为减速箱润滑不好导致的。减速箱能耗损失主要表现在轴承和齿轮损失上，减速箱中有三对人字齿轮，润滑不好，齿轮间摩擦阻力增大，导致系统效率下降。

1.4 生产参数对机采系统能耗影响

生产参数设置的合理如否直接影响机采系统工作效率。影响机采系统效率的生产参数较多，其中油井产量，悬点载荷、泵挂深度、抽油机冲次冲程最重要的几项参数。当油井的设备与油井产量一定，同时泵挂深度确定，此时抽油机随着冲次增加，举升效率降低。若泵径、冲程冲次一定时，泵挂深度由浅入深，油井产液量呈现先增加后减少的趋势。因此，为了提高机械系统效率，要根据油井实际情况，合理选择各项生产参数。

2 机械采油系统节能措施及效果分析

2.1 加强油井日常管理，提升机采系统运行效率

2.1.1 优化采油工艺设计，提高举升效率

针对油井具体情况，选择成熟的工艺技术，提升井下管柱的举升效率。针对稠油井可以采取泵上掺水工艺技术，对于不具备注汽条件的稠油油藏，可以采用连续抽油杆与地面驱动螺杆泵结合的机采工艺技术。针对出砂井，不仅要做好前期防砂工作，还要采取携砂采油相关的工艺技术。

2.1.2 优化抽油设备，提高采油效率

首先要提升电机的工作效率，使电机匹配更合理，提高电机负载率，同时提升电机功率因数，减少无功功率。其次要提升抽油机工作效率，从改善抽油机平衡度入手，减少扭矩波动幅度，还可以使用新型传动方式的抽油機。再次，要提升泵的工作效率，对于供液较差的井，可采取间断式生产、增加泵的下入深度、降低泵级等方式，实现供采平衡。

2.1.3 提升地面配套设备性能，减少能量损耗

要改善地面设备性能，首先是使用节能抽油机、节能电机，改造节能变频控制装置，同时要加强设备的维修和保养工作，使地面设备高效运转，从而减少能耗。及时准确的分析油井工作状态，调整相应的工作制度适应油井实际情况，能够有效的降低机采系统能耗。

2.2 使用节能设备，提高机采系统效率

2.2.1 根据实际情况，使用新型抽油机

针对油井供液能力不足的情况，可以更换使用小型抽油机，使抽油机功率与油井负荷匹配效果更好，降低扭矩波动，达到节能效果。可以使用异相型游梁抽油机，该型抽油机在同样井况条件下动载更小，平衡效果好，比常规抽油机工作效率高。还可以使用无游梁式抽油机，提高油井利用率。

2.2.2 使用新型电动机

异步电机存在功率因数低，无功功率高的情况，使用新型永磁同步电机能够解决这一问题。永磁同步电机体积更小、重量较轻，使用维护方便，在性能方面，永磁同步电机具有启动力矩大、过载能力强、负载率高、运行效率高的优势，在机采系统中应用效果好，节能效果明显。

2.2.3 使用变频调速装置

机采系统使用变频调速控制装置能够极大提升系统工作效率。变频调速控制装置能够方便任意调节抽油机冲程，可控制抽油机上冲程速度快从而减少油泵泄漏，控制下冲程速度慢从而提高泵的充满系数，从而使泵工作效率更高。变频调速控制装置能够实现软启动，极大的降低了启动电流，可减少抽油机配备电机功率，从而提升电机的负载率。同时变频调速控制装置能够提高功率因数，降低电机无功功率。

参考文献：

[1] 提高机采井系统效率措施的探讨[J]. 王雪坤. 中国石油和化工标准与质量. 2016（11）