应用多节点节能组合技术提高系统效率

2011-11-16陈超大庆油田有限责任公司第一采油厂

石油石化节能 2011年4期

陈超（大庆油田有限责任公司第一采油厂）

应用多节点节能组合技术提高系统效率

陈超（大庆油田有限责任公司第一采油厂）

针对影响抽油机系统效率的主要因素，开展了井下高效气液分离、降低抽油杆运动阻力、电动机能量补偿和全周期平衡抽油机的技术研究。在抽油泵、抽油杆柱、抽油机电动机和减速箱上，采取了多节点节能组合技术，提高了抽油机系统效率，降低了举升单耗。为“十二五”期间突破抽油机井应用复合节能措施瓶颈，进一步提高系统效率提供了依据。

抽油机：多节点节能组合技术：系统效率

D O I:10.3969/j.i ssn.2095-1493.2011.04.010

1 问题的提出

“十一五”以来，随着油田节能资金投入的增加，第一采油厂先后采取更换节能电动机、采用节能抽油机、抽油机下偏杠铃改造等措施，使该厂的抽油机井节能设备覆盖率逐步提升，与2006年对比上升40.81个百分点，系统效率上升至29.41%。然而与注水效率（51.51%）和集输效率（46.20%）相比，还需要进一步提高抽油机井系统效率，降低能耗。

抽油机井系统效率偏低的影响因素主要包括：①气体影响，降低柱塞泵的充满程度；②结蜡增加了抽油杆和油管之间的摩擦阻力；③为保证抽油机顺利启动，装机功率大于实际运转功率，降低了电动机工作效率；④抽油机运转过程中减速箱扭矩呈不均衡波动状态，导致电动机工作效率低。

在抽油机—柱塞泵系统中，气体是影响抽油泵充满程度、泵效的主要原因之一。统计大庆长垣沉没度150～400 m范围内正常生产的抽油机井，平均泵效只有38.7%。流体在进入抽油泵之前如果能够实现气体的有效分离，将会大幅度地提高抽油机井泵效，进而提高系统效率。

抽油机井结蜡后，会增加抽油杆与油管之间的摩擦力，使抽油机载荷增大。统计1 240口抽油机井热洗前后的载荷变化，结蜡后抽油机上载荷上升增幅2.15%，交变载荷增幅4.68%，结蜡造成抽油机能耗增加幅度为4.2%。如果能实现油井免清蜡生产，将会提高抽油机泵效和系统效率。

抽油机的电动机在配置过程中，为了克服启动瞬间载荷的突然增加，装机功率一般为实际运转功率的3倍以上。现场测试的1口机型为CYJ10-3-37HB的抽油机井，装机功率为37 kW，最大启动功率为66.44 kW，运转时平均有功功率为13.43 kW。如果能够降低抽油机电动机装机功率，解决“大马拉小车”的问题，则能提高抽油机系统效率。

目前抽油机的平衡方式是加装平衡块来消减抽油机上下冲程的负载差异，但由于平衡块产生的扭矩不能完全消除负载扭矩，抽油机存在扭矩不平衡现象（统计30口CYJ10-3-37HB型抽油机井，平均最大扭矩32.45 kN·m，平均最小扭矩9.87 kN·m），并由此造成抽油机减速箱输出轴扭矩波动大，电动机输出功率处于波动状态。如果能减少电动机输出功率的波动，使电动机大部分工作时间处于高效区，将能提高系统效率。

为此，针对抽油机井节能降耗采取了以下技术措施：应用井下高效气液分离技术提高泵效和系统效率；应用降低抽油杆运动阻力技术减小能耗；应用抽油机电动机能量补偿技术降低装机功率；应用全周期平衡抽油机技术降低举升单耗，使电动机大部分时间在高效区运转。

2 多节点节能配套技术

2.1 井下高效气液分离技术[1]

2.1.1 工作原理

在传统沉降式气锚中，若想使气锚的效果好，必须使采出液在气锚内向下流动的速度V1小于气泡在液体中的上升速度V2。

根据斯托克公式，气泡在液相中的最终上升速度可用下式表达：

式中：

V2——气泡上浮速度，m/s；

K——黏度系数；

D——气泡直径，m；

Δρ——液体与气体的密度差，kg/m3；

μ——液体的黏度，Pa·s。

从公式（1）可以看出，对1口井而言，上述各参数都是常数，因此V2也是一个常数，很难人为改变。同时，液体的黏度越高，气液分离效果越差。若想进一步提高井下油气的分离效果，只能减小液体在气锚中的下降速度V1：

式中：

Q——抽油机井上冲程过程中的产液量；

A——气锚内外管之间的环形面积。

从公式（2）可以看出，虽减少Q或增加A都可以减少液体在气锚中的下降速度V1，但减少抽油机井上冲程过程中的产液量Q会直接影响油井产量，不能被接受。同时，受井筒尺寸的限制也很难增加A，因此原来各种类型的气锚很难降低V1。多杯等流型气锚的设计关键就是要降低V1。

2.1.2 结构设计

井下高效气液分离装置由中心管、沉降杯和定压洗井凡尔组成。中心管上安装有多个沉降杯，中心管在每个靠近沉降杯内侧底部的位置钻有若干个进液孔，中心管下部接洗井阀。通过近几年应用和改型，验证皇冠型沉降杯效果更好。

2.1.3 应用效果

皇冠型井下高效气液分离技术应用近300口井，平均单井日产液增幅34.58%，日增油增幅21.98%，沉没度降幅52.98%；系统效率增幅23.95%，吨液百米耗电降幅19.33%。

2.2 降低抽油杆运动阻力技术[2]

2.2.1 原油流动改进剂有效防蜡浓度

与不加药相比，当加药浓度为150 mg/L时，凝油黏壁量平均降低幅度为93%，可以有效起到防蜡作用（图1）。

2.2.2 保持有效防蜡浓度的加药方法

为保证井下药剂浓度连续稳定，提出了纯药剂量不变，增加药剂稀释液量的点滴加药方法。通过现场试验得出，1.5 m3/d以上的药剂溶液量可以使采出液药剂浓度稳定在100～150 mg/L之间（图2）。

2.2.3 米字流程井掺水管线加药工艺

为实现米字流程井增加药剂稀释液量的目的，现场利用油井地面掺水管线将药剂和清水混合加至井下。加药流程为：中转站加药泵将纯药剂加入掺水汇管，与站内掺水混合后经掺水泵输送到计量间，药剂溶液通过过滤器后，由单井流量控制装置定量分配到井口，最终将药剂加入油套环空。

2.2.4 冬季掺水管线加药最低流量界限

通过建立掺水管线及回油管线热导数学模型和理论计算证明，当掺水管线中掺水量由以往的30 m3/d降为3 m3/d井下加药量后，掺水管线、回油管线不会发生冻堵。

2.2.5 应用效果

降低抽油杆运动阻力技术累计现场试验近900口井，平均免清蜡周期已达746 d。由于原油流动改进剂改善了抽油泵的生产状况，措施井见到较好节能效果，系统效率增幅4.42%，吨液百米耗电降幅4.31%，同时中转站见到较好节电、节气效果。

2.3 抽油机电动机能量补偿技术

2.3.1 工作原理

抽油机启动时，离合器将驱动部分与抽油机断开。电动机先带动飞轮运转，当飞轮运转平稳后，其具有一定的转动惯量即动能。再闭合离合器，使驱动部分与抽油机相连，由电动机和飞轮的动能共同启动抽油机。以飞轮的动能补偿降低电动机装机功率的能量差，来达到降低装机功率、节约能源的目的。

2.3.2 结构设计

抽油机电动机能量补偿装置主要包括减速器皮带轮、离合器、飞轮、轴承座、联轴器和普通Y系列电动机。

2.3.3 应用效果

能量补偿装置累计现场应用25口井，将10-3-37型抽油机装机功率由37 kW降至18.5 kW时，通过星角转换，将18.5 kW电动机的运转功率降至10.68 kW，降低幅度为71.13%，消除了“大马拉小车”的现象。同时，由于电动机与抽油机工作趋于合理，系统效率提高幅度12.77%，吨液百米耗电下降幅度11.39%，有功节电率11.85%，无功节电率66.74%，综合节电率14.53%。