抽油机节能降耗的研究及探索

张 倩

(中国石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 轮台 841604)

塔河油田主力油藏为奥陶系碳酸盐岩缝洞型油藏，平均井深6.2 km，稠油密度介于0.92～1.12 g/cm3，平均黏度(50 ℃)为450 Pa·s，属于典型的超稠油油藏，开采难度极大。经过多年的实践，形成了机抽、电泵2种主要的举升方式，其中机抽是最主要的开采方式。早期油田应用14型抽油机，后引进了16型游梁式抽油机以解决高载荷的问题[14]，应用井下混配器、尾管悬挂装置、电加热杆增强稠油与稀油的混合能力，提升了机抽系统的井下效率[13]。随着塔河稠油进入二次开采阶段，注水、注气保压开采补充了地层能量，泵挂上提的工艺设计降低了井下负荷，井下系统效率进一步提升，现有抽油机配套进一步表现出偏大的情况。王雷等结合塔河油田抽油机井地面能耗的生产现状，提出了应用节能变频柜、高效电机、加强抽油机运行管理等治理措施提升地面效率[11-12]，但由于成本较高，推广面有限。笔者针对抽油机老化、低效、能耗高的问题，运用节点分析法对影响地面能耗的主导因素进行分析，提出了优化改进措施。

1 地面效率分析

抽油机地面效率包括电机效率、皮带效率、减速箱效率、四连杆机构效率四部分。

η地面=η电机×η皮带×η减速箱×η四连杆

(1)

皮带传动效率一般可达91%～96%、减速箱效率为88%～93%左右、四连杆机构传动效率约为88%～95%[15]，通过强化管理，效率均能保持在较高的水平，因此，此次重点对与电机相关的效率进行分析。

采用影响因素无因次归一化方法，通过分析单位量度下影响因素的权重，找出影响地面抽油机效率的主要方面依次是电机功率利用率、抽油机载荷利用率、抽油机平衡度[10]，如表1所示。

表1 机抽井地面效率影响因素权重表

1.1 电机功率利用率

电机功率指电机轴输出功率与电机输入功率的比值，主要功率损失包括铜损、铁损、通风系统及轴承摩擦损耗[8]。采油二厂常用的14型抽油机配套的37 kW电机、16型抽油机配套55 kW电机。受抽油机系统载荷的不均衡特性及井下载率不高等因素的影响，电机功率无法达到额定值(见图1)。

图1 各类型抽油机做功分布图

1.2 载荷利用率

各类型抽油机载荷利用率如表2所示。由表2中可以看出，抽油机平均载荷利用率低于55%，其中14型抽油机载荷利用率最高，为54.7%；900型抽油机次之，16型抽油机最低，因此，目前抽油机配套普遍偏大，造成设备的极大浪费。

表2 各类型抽油机载荷利用率

从抽油机载荷利用率和功率因数绘制分布图，如图2所示。由图2中可以看出，电机额定功率配备偏大，按功率因数大于0.4的标准衡量，65%油井不合格。

图2 功率因数与载荷利用率关系图

1.3 抽油机平衡率

国内油田普遍采用电流法进行抽油机平衡调整，电流法是利用钳形电流表记录抽油机运行过程中上、下冲程的电流峰值，以此判断抽油机的平衡状况[1]。通常将85%～115%区间作为电流平衡度的标准区间，认为标准区间内的抽油机系统能耗最低。但电流法只能测试瞬时电流，无法判断因负功引起的虚假平衡现象[2-3]。

2 技术对策

通过对地面效率的分析，影响地面抽油机效率的主要方面依次是电机功率利用率、抽油机载荷利用率、抽油机平衡度。载荷利用率与地面抽油机和井下机杆泵的匹配度相关、电机功率利用率与电机做工是否在合理区间有关、抽油机平衡度与悬点载荷、后配重相关，以下重点进行技术对策分析。

2.1 机型配套

结合液压反馈式抽稠泵杆柱受力及载荷利用率分析发现：现有抽油机载荷利用率低，在确保抽油机、抽油杆安全的情况下，14型抽油机即可满足56/38、70/44抽稠泵的举升要求，16、900型抽油机可满足70/32抽稠泵的举升要求。根据目前各类型泵的分布，16型抽油机在6、7、10区及1000型抽油机在12区的配合造成抽油机载荷利用率低，产生极大的设备与电能浪费。

2019年新投入抽油机12台，其中16型7台，900型抽油机5台，16型与14型单台差价17万，900型与16型单台差价按照8万计算，70%的优化空间下可节约成本117.3万元。

2.2 电机优化

针对抽油机配套电机偏大，造成设备成本增加、功率浪费的情况，在选型设计时通过对配套的电机进行节能优化。对于正常生产井通过电机换小节能[4]。

2020年6月对3口16型抽油机井实施55 kW换37 kW电机，更换后油井生产正常，平均日节电31.2 kW·h，节电率为14.2%，详见表3。目前采油厂有16型抽油机159口，预计年节约用电181 kW·h，折算费用83.2万元。

表3 抽油机55 kW换37 kW电机情况对比表

2.3 降低电压

电器设备电压过高会消耗电量、缩短电器寿命，适当降低电压可以提高电机的功率因数，达到节电效果[5-8]。

选取2口井开展现场试验调电压节电效果如表4所示。由表4中可以看出，TH121124井电压由242 V降至229 V，小时节电3.3 kW·h，节电率为22.8%；TH121124井电压由247 V降至230 V，小时节电13.1 kW·h，节电率为73.4%。

表4 调电压节电效果表

2.4 游梁平衡

针对电流平衡失真的情况，通过功图悬重计算抽油机后配重，从而确定出配重调整的幅度[9-10]。

(1)双驴头式14型抽油机平衡符合公式：

W悬点=G配重*L/A+G结构

(2)

式中：G配重是G配重箱和G配重块的组合重量，W悬点为功图上下死点悬点载荷的一半，其他参数见表5。

(2)16型复合平衡抽油机平衡符合公式：

W悬点=(L平衡锤*G平衡锤×n+(G曲柄×L曲柄))*

C/A*R+G结构

(3)

式中：L平衡锤是平衡锤在曲柄上的位置，m，其余参数见表5，表中n为平衡锤个数，取值0、2或4。

表5 游梁式抽油机参数表

例：TH10115井70/44抽稠泵配套16型抽油机，4.2*3的工作制度生产平稳，电流为69/72 A，功图最大载荷为82.9 kN，最小载荷为63.2 kN，计算可得W悬点=(82.9+63.2)/2=73.05 kN。

现场平衡锤在0.3 m位置，平衡锤个数n=4，平均日耗电285 kW。

结合表5，应用式(2)计算抽油机悬点载荷W抽油机=83.37 kN，大于W悬点的73.05 kN。

依据公式可得：减少平衡锤n为2、调节L平衡锤为0.1 m时，W抽油机≈W悬点，调整后检测抽油机电流为52/53 A，平均日耗电143 kW，平均日节电142 kW。

3 结论

(1)源头设计时优化机型配套可有效提高抽油机载荷利用率，降低设备费用与电能的损耗；

(2)更换小功率电机可以变相解决“大马拉小车”的问题，该措施在满足油井生产的同时可有效节电；

(3)电流法会产生负功引起的虚假平衡，严重耗费电量，游梁平衡法可取得机械上的有效平衡，降低抽油机能耗；

(4)适当降低电压可以提高电机的功率因数，不影响油井生产的同时可有效节电；

(5)三项节能方式中游梁平衡法节电效果最佳，具有广泛的适应性，可全面推广。