提高抽油机井系统效率的方法研究

付玉佳（大庆油田有限责任公司第三采油厂）

抽油机井系统效率是衡量机采井综合管理水平的一项指标，它不但反应机采井能耗情况，而且体现抽油机井的生产状况及机、泵、参数等的匹配状态。采油厂2011—2015年节能管理潜力逐渐变小，系统效率上升速度变缓，单纯依靠投资换效益的做法可行性差，必须对抽油机井系统效率进行精细化管理。2016年抽油机井平均系统效率31.85%，其中低于20%的井963口井，较其他开发条件相近的采油厂相比还有上升空间。

1 目标提出

根据采油厂抽油机井产液单耗与系统效率关系曲线，当系统效率低于20%时，产液单耗急剧上升，当系统效率大于20%时，产液单耗缓慢降低，如果将系统效率从20%提高到32%，产液单耗将从10 kWh/t降低到7 kWh/t，提高系统效率的同时在一定程度上降低采油成本。理想状态下抽油系统能耗节点效率见表1。

对采油厂2011—2015年抽油机井系统效率进行了调查，结合抽油机节点分析理论，分析采油厂系统效率提升潜力。系统效率低的问题统计见表2。

抽油机能耗节点分析：抽油机井系统效率总体分为地面效率和井下效率两部分，悬绳器以上包括电动机、皮带、减速箱及四连杆机构4个能耗节点；悬绳器以下包括盘根盒、抽油杆、抽油泵和井下管柱等4个能耗节点[1]。目标值确定依据见表3。

表2 抽油机井系统效率统计

表3 2016年目标值确定依据

从以上数据可以看出，参数无法调整和工况差影响累计百分比为91.13%，为症结问题。通过节点分析计算，抽油机井系统效率有0.27%的上升空间，所以把目标设定为抽油机井系统效率值由31.85%提高到32.12%。

2 影响因素分析

2.1 曲柄平衡能耗高

曲柄平衡是将平衡块加在曲柄上，工作时，由悬点载荷和平衡重在曲柄轴（减速器输出轴）上造成的扭矩与电动机输给曲柄轴的扭矩相平衡。截止到2015年底，采油厂2956口抽油机井采用曲柄平衡的井1959口，占总井数的66.27%，统计曲柄平衡抽油机井平均系统效率25.66%，相比复合平衡抽油机井，系统效率低8.1%。

2.2 皮带打滑

抽油机井皮带是传输动力的重要环节，皮带打滑与皮带和皮带轮接触面积、皮带松紧度2个因素有关，抽油机皮带打滑直接影响皮带使用寿命、耗电量、系统效率。

2015年采油厂皮带平均使用天数102天。通过对系统效率低于20%的井进行现场检查，其中85口井皮带打滑，这些井皮带平均使用寿命79天，低于全厂平均水平。通过对这些井进行测试，皮带平均传动效率88.81%，平均系统效率25%。皮带打滑使得抽油机井的传动效率变低，能耗提高，影响系统效率。

2.3 电动机匹配不合理

通过对采油厂系统效率低于20%的井963口井电动机匹配情况进行调查，其中功率利用率低于15%或高于50%的井314口井，通过分析匹配不合理井共计198口井，其中电动机型号偏大83口井，型号偏小115口井。

针对匹配不合理的198口井进行现场测试，通过测试得出电动机型号偏大抽油机井平均系统效率17.52%、偏小抽油机井平均系统效率15.47%，低于全厂平均水平[2]。能耗数据见表4。

3 实施对策及效果

3.1 针对曲柄平衡，采取平衡改造的措施

采油厂常规抽油机井多采用曲柄平衡方式，通过分析，曲柄平衡抽油机井存在负扭矩、能耗大、系统效率低的问题。针对这个问题，提出二次平衡改造和安装辅助平衡装置的对策[3]。

1）进行常规抽油机井下偏杠铃改造。下偏杠铃抽油机采用复合平衡方式。节能原理：当驴头悬点载荷最大时，游梁平衡重力臂最长，抽油机驴头悬点载荷最小时，游梁平衡重力臂变短，使抽油机具有良好的平衡效果。

2017年累计实施150口井，平均有功功率由9.64 kW下降到8.23 kW，节电率达到14.63%，平均日节电量33.84 kWh，百米吨液耗电下降了0.03 kWh，系统效率提高了2.12%，节电效果明显。

2）安装抽油机自动平衡装置。抽油机自动平衡装置安装在游梁的尾部，抽油机驴头载荷不变时，驴头上下运动产生惯性，带动摆锤钟摆式前后摆动，使游梁前后载荷接近平衡。驴头载荷改变时，根据电流变化、控制系统发出指令，辅助电动机启动，拖动摆锤前后自由摆动，把改变的驴头载荷再次平衡掉。抽油机正常运行时，摆锤前后自由摆动各30°，驴头载荷改变，摆锤摆动角大于30°，油井措施后，载荷恢复，摆锤恢复钟摆式前后自由摆动[4]。

2017年累计实施20口井，平均有功功率由12.41 kW下降到10.51 kW，节电率达到15.32%，平均日节电量45.62kWh，百米吨液耗电下降了0.1kWh，系统效率提高了6.17%，节电效果明显。

3.2 调整皮带松紧度及更换皮带轮

皮带轮打滑会降低抽油系统的传动效率，在一定程度上增加了能耗，降低了系统效率。对于皮带松致使皮带轮打滑的156口井，采取调整皮带松紧度的方法；对于皮带轮槽磨损引起皮带轮打滑的29口井采取更换皮带轮的措施。

在生产实践中，判断抽油机皮带是否松，采用的是单手用力扭转皮带，皮带扭转45°角左右为松紧合适，如果扭转皮带超过45°角比较多，则是皮带松。调整皮带松紧度操作方法：停运抽油机，将抽油机停放在上始点，拉紧刹车，拉开控制箱内空气开关。松开电动机顶丝和电动机固定螺丝，调整皮带到合适松紧度，同时要满足2个皮带轮达到“四点一线”，摆正电动机，紧固电动机螺丝和电动机顶丝，起抽抽油机。

换皮带轮操作方法：停运抽油机，将抽油机停放在上始点，拉紧刹车，拉开控制箱内空气开关。松开电动机顶丝和电动机固定螺丝，向前推移电动机，卸掉抽油机皮带。用皮带轮拉拔器卸下皮带轮，安装新皮带轮，安装皮带，调整大小皮带轮“四点一线”，紧固电动机螺丝和电动机顶丝，起抽抽油机。2017年累计调整皮带松紧度156口井，更换皮带轮29口井，皮带平均寿命达到126天，抽油机系统效率达到34.3%[5]。

表4 电动机型号偏大、偏小抽油机井生产能耗数据

3.3 采取电动机合理匹配措施

抽油机的净扭矩在一个工作循环中，有较高的“峰值”和较深的负向“谷值”，即有较大的“负扭矩”。扭矩波动很大，抽油机平衡效果不佳。从能耗角度讲，净扭矩波动大势必加大功率而增大能耗；从动力角度讲，为了保证抽油机的正常运转，峰值扭矩高，势必要选用较大的电动机，这种大电动机、大峰值电流的配套方案，必将导致电动机自身损耗和电路损耗的增加。为此，研究抽油机运行规律，结合现场工作实际，制定抽油机井电动机匹配原则。根据电动机选型原则，对376口电动机匹配不合理抽油机井进行优化设计，从而有效降低装机功率，提高系统效率。

1）优化设计，更换节能电动机。根据抽油机井电动机匹配的原则，对电动机选型不合理的376口抽油机井进行优化设计，利用油田公司资金进行节能电动机的合理匹配。永磁同步电动机和高转差率电动机的启动和最大转矩均大于Y系列电动机的，因此永磁同步电动机可以代替比他大1～2个功率等级的Y系列电动机；双功率电动机是以大功率启动，小功率运行[6]。节能电动机替换常规电动机频率选择见表5。

表5 节能电动机替换常规电动机功率选择

2）应用高转差电动机。2017年在采油厂安装高转差电动机150口，安装后单井平均日耗电由265.95 kWh下降到235.94 kWh，下降30.01 kWh，平均有功节电率为11.28%，功率利用率达到31.2%，系统效率由22.52%上升到26.04%，系统效率提高3.52%。

3）应用永磁电动机。2017年在采油厂安装稀土永磁电动机134口，安装后单井平均日耗电由288.2 kWh下降到242.5 kWh，下降45.7 kWh，平均有功节电率为15.82%，功率利用率达到31.3%，系统效率由24.81%上升到29.77%，系统效率提高4.96%。

4 结论

截至2017年12月，采油厂共治理低系统效率抽油机井640口，治理后抽油机井系统效率达到32.73%，完成了预定指标。按平均单井日节电35kWh计算，年节电规模817.6×104kWh，除去改造等成本2017年累计获得经济效益387.04万元。有效提高了抽油机的系统效率，大幅提高机采井综合管理水平。