机采系统效率影响因素分析与对策研究

机采系统效率影响因素分析与对策研究 摘要 通过对机械采油井耗能设备进行详细的分析 找出了影响机械采油系统 简称机采系统 效率的诸因素 在做好参数优化工作的同时 按照建设资源节约型企业的要求 以系统效率为突破口 针对影响系统效率的主要因素 坚持 系统优化 综合配套 的原则 将油藏与工程 地面与地下有机结合起来 积极采用国内外成熟有效的新工艺 新技术 进一步提高了机采系统效率 引言抽油机机械采油法是应用抽油机井生产系统采油的目的是将地面能量通过抽油机 抽油杆 抽油泵传递给井筒中的生产流体将其举升到地面 整个系统的工作过程就是能量不断传递与转化的过程 而在能量传递和转化的每一环节均会产生能量损失 从地面供入系统提供的能量扣除系统中的各种损失 就是系统给井筒流体的有效能量 其与系统输入能量之比即为抽油机井的系统效率 通过优化设计抽油机井生产系统的工作制度 选择合理的生产设备 提高油井的管理水平来提高抽油机井系统效率不仅可以节约大量的能源 降低生产成本 而且还能缓解国家用电紧张的状况 具有良好的经济效益和社会效益 因此是油田高效生产的重要途径之一 机采系统效率影响因素分析有杆抽油系统由电动机 抽油机 井口装置 油管柱 抽油杆柱和抽油泵组成 系统效率由地面效率和井下效率两部分组成 地面的效率损失主要发生在电动机 胶带轮 减速器和四连杆机构中 井下部分的效率损失主要在盘根盒 抽油杆柱 油管柱和抽油泵中 2 1抽油机工作状态和载荷特性对系统效率的影响抽油机的传动系统从动力端到悬点 一般经过减速 换向两个阶段 如果换向机构的输入转速与悬点运动周期的比等于1 如现在广泛使用的游梁式抽油机 则减速系统的传动比就较大 要实现低冲次就较为困难 然而在油藏开发中后期 二类储量动用程度不断上升 油稠造成摩擦阻力增大 稠油井需要低冲次运行来提高泵效和降低能耗 游梁式抽油机不经过改造和其它配套很难实现低冲次 图 游梁式抽油机的平衡率对抽油机井的系统效率影响较大 平衡差的油井能耗大 系统效率低 同时抽油机平衡状况的好坏 直接影响抽油机连杆机构 减速箱和电机的效率与寿命 对抽油杆的工作状况也影响很大 因此 对于抽油机平衡状况的判断和及时调整 必须给予重视 在旋转平衡或复合平衡方式的抽油机上 调整平衡最方便的方法是调节旋转平衡块的平衡半径 实践表明 通过合理地调整平衡 每口油井可减少有功功率0 3 1 5Kw 平均节电0 5Kw 节电效果显著 同时 通过理论研究和测试实践 如果以抽油机的能耗最小作为抽油机平衡最佳的判断标准 则上 下冲程的峰值扭矩不一定相等 一般来说每口井都有节电的平衡度最佳点 一般调在90 为最经济 通过调平衡可以降低能耗 是管理出效益最直接的例子 2 2电动机的工作特性对系统效率的影响电动机是油田抽油机井的主要动力设备 也是油田主要的耗能设备之一 机采系统的耗电量最终也体现在电动机耗电上 所以对电机的节能效果的要求越来越高 因此电动机及其相关改造是提高机采系统效率项目中不可回避的问题 2 2 1电机负载率和功率因数电机负载率是指运行中电动机实际输出功率N2与额定功率的比值 电机的负载率及其特征曲线见图2 从中可以得出 电机的负载率及功率因数越低 电动机的效率越低 现场中一般用实测电流法计算电机负载率 从中可以得出 在同样负载系数下 轴功率波动越大 电动机的效率越低 这就要求驱动抽油机的电动机不仅本身节能 而且要求其工作特性能够改善抽油机的工作状态 2 3采油系统电动机应用现状分析目前柱西采油厂抽油机井使用的部分电机能量损耗仍然较高 而且配置的额定功率远大于抽油机实际输入功率 存在 功率不匹配 现象 造成负载率和功率因数偏低 无功功率偏大是影响电机效率的重要因素 多年来抽油机的驱动电机一直采用通用系列异步电机 这种电机额定功率运行时的效率和功率因数呈现最大值 而当负载降低时效率和功率因数都随之下降 能耗随之增大 不能简单的用效率的平均值来计算 必须用平均轴功率和平均输入功率之比来计算 通用异步电机启动转矩倍数只有1 8 2 0倍 因此 在原来的 大机 强杆 粗管 深下 的稠油开采模式下 选用电动机时为考虑启动和稠油在转周期内载荷变化大的因素 不得不提高装机功率 造成运行时的 大马拉小车 现象 另外抽油机的扭矩特点是波动较大 且存在负扭矩 这就要求驱动抽油机的电动机 不仅电动机本身在较宽的载荷率下工作效率较高 而且更重要的是符合抽油机的载荷状态 使抽油机悬点加速度变化趋于均匀 抽油机主要构件如连杆 支架的受力 特别是减速器承受的扭矩有所改善 平衡效果变优 即不仅要求驱动抽油机的电动机节能 而且要求电动机的特性使抽油机的工作状态优化从而达到节能的目的 从上面的分析中可以得出结论 驱动抽油机的节能电动机 应该具有以下特点 一是在较宽的载荷率下工作效率较高 在低负载率时效率较高 二是电动机的机械特性应该与抽油机的工作要求相匹配 一般认为特性较软对三抽系统有利 三要有一定承受过载的能力 四启动扭矩要大 五是有利于抽油机的平衡 2 4杆 管 泵间的摩阻影响2 4 1光杆与盘根盒间的摩阻光杆与盘根盒间的摩阻大小直接影响功率损失 现场示功图测试结果证明 部分油井盘根盒密封过紧或盘根盒与光杆的对中性差时光杆上 下行程中摩阻的增加可引起驴头悬点负荷变化1 2吨左右 这样最大 最小悬点载荷差值变大 抽油机功率损失增加8 15 引起系统效率降低 这样的油井在大约有280口 2 4 2杆 管 泵间的摩阻在油藏开发中后期 由于含水的不断上升 井液由原来的油包水变成了水包油 润滑性变差 加上油井出砂加剧 造成井下抽油设备砂磨严重 使得抽油杆与油管间的摩阻 油管杆与流体间的摩阻 抽油泵与柱塞间的滑动摩阻增大 2 4 3粘滞磨阻随着开发程度的不断加深 二类储量的动用程度不断提高 稠油开发的规模不断扩大 也带来了不少生产难题 在热采井的转周后期 原油的粘度很高 使上 下冲程过程中的抽油杆 采出液与油管之间的粘滞磨阻非常大 在某些稠油井上还会出现光杆缓下的现象 造成光杆和驴头打架 另外由于采出液的粘度高 在单井外输管线中的流动阻力增大 造成油井回压升高 这些都造成了大量的能量和产量损失 2 5泵效对系统效率的影响2 5 1泵效的衰减根据常规泵在高含水出砂油井中工作的泵效变化规律 常规泵在高含水出砂油井中工作一般几个月以后 泵效就开始明显衰减 部分低效检泵井 在检泵后5个月内产液量衰减20 30 这主要是由于井液砂磨导致泵密封间隙和泵阀漏失增大 并且漏失量会迅速上升 另外随着含水的上升 产出液对泵的腐蚀性增加也是泵效降低的原因之一 2 5 2油稠造成的泵效降低随着开发的不断深入 稠油开发的规模不断扩大以及注聚区块见聚浓度不断升高 高粘度采出液对泵效及系统效率的影响越来越引起重视 沉没度对抽油泵充满度的影响在深井和稀油井上比较大 而对稠油井的泵效影响较小 采出液高粘度的情况下 粘度是影响抽油泵充满度的主要原因 而抽油泵充满度与泵效有直接的相关性 稠油开发中 油井供液不足 造成大部分油井泵效低 根据井下效率的计算原理 泵效与井下举升效率成正比关系 油井周期泵效平均下降5 井下举升效率下降4 3 因此泵效的下降使举升效率也迅速下降 因此管理上和技术上提高稠油井抽油泵充满度 也是提高系统效率的有效途径之一 2 6抽油系统的设计组合影响生产参数中油井产量 泵挂深度 悬点载荷差以及冲程和冲次是影响油井井下效率的主要因数 而它们本身也是各种因素影响的综合指标 相互之间存在相关性 对一具体的油井而言 在地面设备和油井产能是一定的条件下 不同的冲程 冲次 泵径 下泵深度 抽油杆柱组合对井下效率有较大影响 当产量 泵径 泵挂确定时 冲次与井下效率的关系是随冲次的增加 举升效率降低 因此 长冲程有利于提高举升效率 当泵径 冲程 冲次确定 泵挂深度变化时 油井产液量随下泵深度的增加 有先上升后降低的规律 泵深过大 不但对提高产量无益 反而会增加悬点载荷 从而增大电机负荷 降低地面效率 在现场生产中当动液面确定时 沉没度的选择直接决定泵挂深度 因此 合理选择沉没度对油井系统效率的提高十分重要 假设产量不变时 随下泵深度的增加 负载增加 油井举升效率稍有降低 因此 在生产过程中 不根据地面设备和产能的条件 科学合理地对抽油系统进行组合设计 是影响井下效率的主要原因之一 3提高机采系统效率对策研究在做好参数优化工作的同时 按照建设资源节约型企业的要求 以系统效率为突破口 针对影响系统效率的主要因素 坚持 系统优化 综合配套 的原则 将油藏与工程 地面与地下有机结合起来 积极采用国内外成熟有效的新工艺 新技术 形成了提高机采系统效率的配套技术 进一步提高了机采系统效率 3 1应用新型抽油机3 1 1应用小型抽油机由于目前油井供液能力比较强 导致油井的负荷较轻 大部分油井负荷都在60kN以下 采用6型抽油机就能维持油井的正常生产 而采油厂大部分抽油机是8型以上的大抽油机 而且老化严重 为此 采油厂加大了抽油机更换力度 根据油井负荷情况 将负荷小的普通抽油机更换为6型抽油机 6型机采用双驴头结构 这种结构利用变径原理 做到上冲程平衡扭矩大 下冲程平衡扭矩小 从而更好的与驴头负荷相匹配 降低电机负荷扭矩波动量 使负荷扭矩更平稳 达到节能降耗的目的 截止到目前共更换6型机58台 更换后平均单井日节电23 0kWh d 系统效率提高2 2 节电效果明显 3 1 2应用异相型游梁式抽油机据统计 采油厂异相型抽油机井占生产井总数的0 58 异相型抽油机具有峰值扭矩低 所需电动机功率低等特点 运转时平衡效果较好 其中33口测试井中 平衡度在85 以上的占62 高于其它类型游梁机 通过与相同井况使用的常规机相比 可以看出异相型游梁机在同样井况下动载小 减速器所需扭矩小 平衡效果好 异相型抽油机的系统效率比常规型机高2 5 4 的优越之处 3 1 3应用无游梁式抽油机目前采油厂常用的无游梁式抽油机主要是皮带式抽油机 其中胜利油田设计的皮带机有9台 占抽油机总数的0 41 胜利皮带机采用长冲程 低冲次 减少了冲程损失 由于其悬点运动的匀速克服了游梁机高速时的供液不足现象 提高了泵的充满系数 同时改善了井下管柱的载荷状况 延长了油井免修期 提高了油井利用率 根据19台皮带机的统计 平均泵效达到80 左右 平均日产液40 8t 与相同生产参数的游梁式抽油机井相比冲程损失减少67 1 示功图形状近似于平行四边形 3 2应用新型电机3 2 1应用永磁同步电机稀土永磁电动机是一种新型节能电机 其转子主要由稀土永磁体构成 所以不用励磁 从而省去了励磁功率 当永磁同步电动机同步运转时 转子既无铜耗 又无铁耗 提高了效率 降低了耗损 因无功功率很小 其功率因数很高 电机的效率与其功率利用率有较大的关系 电机是以磁场为媒体进行能量转换的以一种机电产品 根据电机学原理 异步电机的转速不可能等于气隙内旋转磁场的同步转速 原因在于必须在转子绕组内产生感应电动势和感应电流 从而产生电磁转矩 为使转子绕组上有电流流过 除感生方式外 也可以采用传导方式 即同步电机转子产生电流的方法 为建立机电能量转换所需的磁场 电动机的磁路需要一定的磁势源进行励磁 有电励磁和永磁两种方式 前者需外接电源供给能量进行励磁 如交流励磁电动机和一部分同步电动机 后者是采用永磁材料的固有特性 经预先磁化后不需外加能量就能建立起永久磁场 这就是同步永磁电机 图3 图 抽油机用永磁同步电机具有体积小 重量轻 结构简单 起动力矩大 过载能力强 效率高 功率因数高 运行稳定等优点 集中了异步电机和同步电机的优点 克服了两者的缺点 同普通电机相比具有以下特点 效率高 采用永磁材料代替电励磁 减少了励磁损耗 采用同步工作方式 转子与定子旋转完全同步 无转差率损耗 普通电机转差率2 5 高转差率电机8 12 普通电机额定效率为90 永磁同步电机额定效率可达94 经优化设计使高效区得到延宽 可大幅度提高整个冲程内的平均运行效率 平均效率一般可提高12 以上 该电机起动方式简单 起动力矩大 TNM稀土永磁同步电机采用异步起动方式 可直接起动 因此结构简单 它的最大起动转距倍数为3 8倍 普通电机为1 8 2 0 功率因数高 永磁电机的功率因数通过转子永磁体磁场决定 因此可获得较高的功率因数 可以达到0 90 轻载时还高于此值 一般运行在0 9以上 无功节电效果相当显著 截止到2009年12月 共安装92台 安装后平均单井日节电32 0kWh d 系统效率提高2 7 3 2 2推广应用小功率电机对配套电机额定功率过大 出现 大马拉小车 现象的油井 根据负荷情况更换为较小功率电机 以达到节电提高系统效率的目的 小功率电机适用于抽油机配套电机额定功率过大 出现 大马拉小车 现象的油井 其节电原理是通过提高电机负荷率 使电机效率 功率因数得到提高 达到节电的目的 到2009年12月共安装31台 平均单井日节电17 4kWh d 系统效率提高2 1 3 2 3推广应用变速器采油厂部分稠油井仍然采用电磁调速电机小参数生产 根据调查统计 调速电机井平均单井日耗电340 8kW h 普通电机 调速器井单井日耗电为259kW h d 调速电机单井日耗电高出43 2kW h d 造成调速电机耗电量偏高的主要原因是电磁调速电机是一种滑差变速电机 其在调速时 随着转速降低 电机的效率也相应地按比例下降 效率降低将会导致电机的耗电上升 油井系统效率降低 抽油机的电动机的轴功率N2周期性变动时 电动机的电流I也在作周期性变化 用一个周期内的平均值来代表这一变动电流是毫无意义的 正弦变化的交流电的在一个周期内的平均值为零 所以在变动轴功率情况下 只能用热电流及均方根电流来代表才有意义 当电动机轴功率变动时 其输入功率亦随之变动 一个周期内的平均输入功率也随之变化 一个周期内的平均输入功率为 由此可见 在相同平均轴功率的情况下 轴功率波动越大 电动机的消耗的有功功率也越大 因为均方根功率N2e总是大于平均轴功率N2m 所以在平均轴功率相同的情况下 变动负载比恒定负载的电动机电流更大 轴功率波动越大 其对应的电动机电流越大 从中可以得出 在同样负载系数下 轴功率波动越大 电动机的效率越低 图5 图6 针对电磁调速电机存在效率低 耗电高的问题 为满足稠油井生产的需要 近几年推广应用了变速器 既满足了油井生产 又节约了电能 截止到2009年12月底 共安装38台 安装后平均单井日节电36 2kWh d 系统效率提高2 9 变速器具有结构简单 运行可靠 传动效率高的特点 现场试验证明普通电机 变速器可以替代电磁调速电机实现稠油井的小参数运行 除此之外 为了更好的做好节能降耗工作 根据油井的实际情况 实施了以调平衡 合理匹配电机 电容补偿等措施为主的各项管理节能措施 积极开展 油井每天节约一度电 活动 这些管理措施有力的促进了油井节能工作的开展和系统效率的提高 使节能降耗工作保持了先进水平 3 4应用变频节能装置根据部分油井供液能力的变化规律 当油井供液不足或是热采井转周中后期 泵效就开始明显衰减 系统效率减低 游梁式抽油机的启动电流为其正常工作时最大电流的5 6倍 而变频调速后抽油机启动电流接近抽油机正常工作时的最大电流 功率因数由使用游梁式抽油机时的0 3 0 5上升到0 95以上 3 4 1变频技术降低电动机损耗的原理电动机的损耗分为不变损耗和可变损耗两部分 在电压一定的条件下 铁损和风损可以认为是恒定的 不随负载变化的损耗 而定子和转子的铜损和负载杂散损耗都随负载电流的平方而变化的损耗 当电动机的负载减小时 可变损耗相应减小 而不变损耗保持不变 然而 电动机负载减小时 负载转矩降低 就不要求与额定负载时同样强的电动机磁场 适当降低电动机电压 就可得到与负载减小相适应的减弱了的电动机磁场 其结果是铁耗降低 效率提高 功率因数也相应改善 图7 3 4 2变频装置的技术特点任意改变抽油机的冲程 可做到上冲程快提 下冲程慢放 快提可减少抽油泵泄漏 慢放可提高泵的充满系数 以提高泵效 减