油田地面工程提高五大系统效率配套技术1.docx
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油田地面工程提高五大系统效率配套技术1
油田地面工程提高五大系统效率
配套技术推广应用
胜利油田有限公司孤岛采油厂
工程设计咨询公司
技术检测中心
采油工艺研究院
2006年1月
一、前言
为了降低油田生产运行成本，中国石油化工股份有限公司根据目前油田生产情况及国内外油田地面建设技术水平，由中石化勘探研究院牵头，选择胜利油田有限公司的孤岛油田、江苏分公司的陈堡油田、河南分公司的井楼油田及新星石油公司的塔河油田，作为“大”、“中”、“小”、“新”四类油田提高油田“五大”系统效率的示范区，进行新技术的推广应用与研究，为整个集团公司内降本增效提供技术支撑。
2000－2002年孤岛采油厂承担的中石化科技攻关项目《孤四区提高油田五大系统效率配套技术研究与应用》。
针对孤四区地面工程五大系统（机采、注水、供电、集输、热力）目前的生产现状和技术难题，先后组织胜利油田有限公司孤岛采油厂、规划设计研究院、采油院、技术检测中心等单位的科技人员开展技术攻关，从系统工程角度出发，在工艺负荷总量控制、提高资源利用率、降低油气损耗三个方面，对油田五大系统的现状、提高五大系统效率的途经及相应的配套技术进行了全面研究，通过优化配注配产方案、油井运行参数、电网运行参数、注水压力系统和原油脱水工艺，研究应用变频无节流控制、高效化学药剂、高效油气水分离设备、含聚稠油电脱水等高效装备和节能技术，减少耗能环节，达到了稳油控水、降低工艺负荷总量的目的。
研究成果在孤四区油田应用后，全面提高了油田五大系统的效率，综合能耗由1776.1MJ/t降低到1498.7MJ/t，生产吨油耗电由113.3kW.h/t降低到94.0kW.h/t；机采系统效率由25.6％提高到目前的31.97％，提高了6.37个百分点；供电系统6kV及以下线路综合线损率降低到5%以下，年节约电量2.8×106kW·h；注水系统效率平均系统效率由36.28%提高到53.51%；集输系统加热炉运行热效率由75%提高到89％，集输系统效率由31.0%提高到69.7%；注汽锅炉热效率由81%提高至92%，并且开发了老油田节能技术改造优化与评价软件,建立了油田五大系统生产及相关设备的数据库系统、基于各个系统的节点能耗分析和交互关系的评价，为五大系统改造提供理论依据；提高油田五大系统效率工作使孤四区成为“节能降耗、降污高效”的先进示范区，对东部进入高含水期老油田的技术改造和管理升级具有重大指导意义。
该项目整体技术水平达到国内领先水平，为在孤岛采油厂全面推广提供了很好的示范作用。
为了进一步降低油田生产运行成本，孤岛采油厂按照有限公司总体工作部署，根据采油厂生产实际，从2003年开始在巩固完善孤四区系统改造成果的基础上，又相继开展了孤三区、孤二区、孤一区系统改造，在提高注、采、输系统效率等方面开展了大量扎实细致的工作，各项工作取得了较大进展，管理水平得到了进一步提高，取得了显著的效果。
二、推广内容及技术指标
（一）整体要求
1、五大系统综合改造优化及分析评价技术。
通过节点能耗分析及改造方案的优化评价，确定最佳投入产出比。
2、高效节能设备及节能技术的综合应用。
通过对油田关键节能设备和节能技术的优化评选，以及油田现有设备技术性能的分析评价，确定高效节能设备及节能技术应用或设备节能改造的合理方案。
3、五大系统生产工艺及其运行参数的优化技术。
针对油田五大系统的特点和生产运行工艺，在推广应用新技术、新设备的同时，完成生产工艺的优化调整，降低五大系统的运行费用。
（二）分系统内容
1、推广内容
1.1机采系统节能降耗技术推广与应用
1.1.1地面部分节能降耗技术
（1）应用同步永磁电机提高电机负载率和功率因数
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。
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：
①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。
②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。
③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。
根据稀土永磁同步电机启动特性较硬的基本特点，配套了软启动控制箱，改善了永磁电机的启动环境，进一步降低了启动电流，降低对抽油系统设备的冲击，延长使用寿命，同时还有节能的效果，节电率在5%左右。
（2）应用节能变速器，实现电机与抽油机载荷的合理匹配
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：
或
将
代入上式，得：
式中：
In——电动机额定电流，A；Nn——电动机额定功率，Kw；
I0——电动机空载电流，A；N0——电动机空载损失，Kw；
ηn——电动机额定效率，%；N2——电动机输出功率，Kw。
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。
在油藏开发中后期，二类储量动用不断上升，油稠造成摩擦阻力增大，使抽油机负荷增加功耗上升，另外有些稠油井需要低冲次运行，这就造成电机负载率低，不能在电机的高效区运行，为使电机始终在高效区运行，达到节能的目的。
目前孤岛采油厂5冲次以下的油井共有260口，因为常规抽油机实现低冲次比较困难，现在通常使用电磁调速电机来实现，调速电机的调速功能是靠电磁转差离合器来实现的，其在低速运转时的电磁涡流损失很大，转速越低，效率越低，因此电磁调速电机虽然能够达到了降低冲次的目的，但是电机自身损耗较高，效率偏低已不能满足目前节能的要求，在这种情况下，我们推广了节能变速器来实现抽油机载荷特性与电动机机械特性的合理匹配。
（3）应用变频节能装置
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。
交-直-交变电压型变频装置控制系统图单井变频器
②、变频装置的技术特点
a、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，减少了粘滞损失。
b、软启动功能。
应用变频调速技术对抽油机实现软启动，启动平稳，启动电流大幅度降低。
启动抽油机时，速度可以从零慢慢升至给定速度，时间长至120秒，启动电流不超过电机的额定电流，这样可减少抽油机配备电机功率30％，提高了电机负载率。
c、降低无功功率。
变频器工作为交-直-交方式，首先将交流电整流成直流电，直流电的电能是单向输送的，所以理论上功率因数应为1.0，现场应用中都在0.95以上。
（4）应用油井生产监控技术，提高油田自动化管理水平
孤岛采油厂油井分布范围较广且野外环境复杂，油井采油设备能否连续不断的正常运行与采油厂的油井管理和正常生产密切相关。
长期以来由于不能实时监控设备运行状态及时了解各种工况参数，对油井生产工况恶化、故障停机等现象提前作出判断和及时采取处理措施，而使部分抽油机在复杂的工况下无法正常有效的运行而造成了重大经济损失。
应用了油井生产视频监控系统，可以加强对油井运行状况的监控管理、防盗及突发性事件的处理和提高监控预警防盗能力，以适应提高油田自动化管理水平的生产需求。
该系统可以帮助油井管理人员及时了解油井各种工况参数，能够对发生事故的现场及时观察并尽快采取处理措施，同时通过视频对油井和设备进行监控，把录像记录存挡资料，为日后调查取证提供重要依据，可以有效维护油区正常生产秩序、设备安全。
1.1.2井下部分节能降耗技术
（1）油井防偏磨技术
在理论研究和室内试验的基础上，从引起偏磨原因、杆柱受力计算和改善杆柱的受力状况入手，制定了不同的防偏磨措施，并和现场试验相结合设计了不同的防偏磨管柱。
①扶正器+加重杆+XS油层保护器防偏磨管柱
本管柱采用加重杆，防止轴向力变化造成的杆柱失稳弯曲而引起的杆管偏磨问题；XS油层保护器采用了上提的方式坐锚，锚定后使油管处于拉伸状态，可以有效的减少泵在抽汲过程中引起的油管蠕动，提高泵效，减轻偏磨；XS油层保护器坐封后可以有效的防止洗井液进入油层造成油层污染，达到保护油层的目的。
图3－3XS油层保护器
1-上接头；2-泄油短节；3-上压帽；4-泄油孔；5-密封圈;
6-锥体；7-锚瓦；8-活塞；9-连通孔；10-弹簧；11-下压帽；12-中心管
表3－2
型号
通径
（mm）
泄油力矩
（N·m）
锚定压差
（MPa）
外型尺寸
（mm×mm）
工作压差
（MPa）
连接螺纹
ZSXM-115
62
<1000
<2
Φ115×765
<30
27/8TBG
ZSXM-150
76
<1200
<2
Φ150×765
<30
31/2TBG
根据不同的井况和泵径以及泵深采取不同的底部加重然后根据不同的井况和泵径以及泵深采取抽油杆下部扶正，扶正长度（包括加重杆）共计400m-450m。
表4-4底部扶正长度匹配表
泵径（mm）
加重长度及扶正方法
底部扶正长度及方法
加重长度（m）
扶正方法
加重长度（m）
扶正方法
70及以上
150-200
7/8"-68mm
300-250
7/8"-68m或1"-68mm
56
100-150
7/8"-58mm
300-250
7/8"-58mm
44及以下
80-120
7/8"-58mm
300-250
7/8"-58mm
图4-1扶正器+加重杆+XS油层保护器防偏磨管柱图
②加重杆+杆管抗磨副+液力张力锚+液力反馈防偏磨泵防偏磨管柱
该管柱的液力反馈防偏磨泵使抽油杆处于拉伸状态，可克服下冲程时下部抽油杆柱失稳弯曲造成的偏磨问题;液压张力锚克服管柱窜动引起的油套偏磨及杆管偏磨问题；防弯加重杆分散浮力，可明显减轻下冲程时下部抽油杆柱失稳弯曲造成的偏磨问题;并且抗磨副防腐耐磨寿命长，摩擦系数低，其抗磨滑套摩擦固定在油管内，可克服抽油杆与油管的接触偏磨问题。
表4-2抽油杆抗磨副技术参数
规格型号
连结螺纹
适用油管内径（mm）
冲程（m）
长度（m）
KMF58－22
CYG22
62
3～7.5
3.5～8
KMF58－25
CYG25
KMF70－22
CYG22
76
3～7.5
3.5～8
KMF70－25
CYG25
表4-3防弯加重杆技术参数
杆径（mm）
表4-4防偏磨泵技术参数
泵径（mm）
图4-4加重杆+杆管抗磨副+液力张力锚+液力反馈防偏磨泵防偏磨管柱图
③注聚驱油井防偏磨管柱
WPR加重（或加重杆）
该管柱采用杆体加重中间扶正工具，然后根据见聚油井的生产参数选择抽油泵的种类、泵的规格。
底部加重可以消除柱塞的下行阻力，杆体扶正可以降低见聚液体增加的法向力和侧向力。
杆柱加重和扶正器使用量则根据轴向力和侧向力的计算来选择。
（2）应用特种泵
①应用防砂耐磨抽油泵，提高周期泵效
长密封副防砂抽油泵是在等径柱塞防砂抽油泵的基础上，借鉴长密封副的结构，针对高含水、高矿化度出砂油井研制的一种新型防砂耐磨高效抽油泵。
该泵主要由泵筒、固定阀、等径刮砂柱塞组成（见图3－2）。
等径刮砂柱塞上下均带有刮砂倒角，两套游动阀均埋藏于柱塞腔内部，由于该刮砂柱塞的设计能从根本上消除砂卡、砂磨柱塞泵筒的存砂环境，解决常规抽油泵砂卡柱塞、砂磨柱塞泵筒的问题，并利用柱塞与液流之间的相对运动，使其具备了自冲洗特性。
图3－2长密封副抽油泵结构示意图
该泵的抽汲原理与常规泵相同，都是通过柱塞的上下运动，改变泵腔内的压力，实现进油和排油（见图3－2）。
由于适当延长了密封副长度，抽油泵间隙漏失量可减少25%，该泵的最大特点在于高泵效工作周期长。
同时还具有防砂卡、砂磨、自冲洗特性、耐腐蚀等特点。
主要技术规范见表3－1。
表3－1长密封副等径柱塞抽油泵技术参数
规格
mm
冲程范围
m
联结螺纹
上/下
最大外径
mm
泵总长
mm
泵常数
Φ38
3.0-5.1
27/8TBG/27/8TBG
89
5200-7100
1.633
Φ44
3.0-5.1
27/8TBG/27/8TBG
89
5200-7100
2.190
Φ56
3.0-5.1
31/3TBG/27/8TBG
89
5200-7100
3.547
Φ70
3.0-5.1
31/3TBG/31/2TBG
110
5200-7100
5.542
Φ83
3.0-5.1
31/3TBG/31/2TBG
114
5200-7100
7.787
Φ95
3.0-5.1
31/3TBG/31/2TBG
114
5200-7100
10.202
图27 注聚区抽油泵示意图
②推广注聚驱抽油泵，提高油井泵效
与水驱相比，油井见聚后柱塞与泵筒之间的粘滞阻力增加，增加了杆柱的下行阻力。
为了降低柱塞与泵筒之间的粘滞阻力，根据间隙与粘滞阻力的实测规律，加大泵配合间隙，可以降低柱塞下行的粘滞阻力，同时通过柱塞上加开环型槽，使漏失的液体在漏失的过程中，使这部分液体沿着箭头所指的方向流动，在环型槽内形成旋流，增加沿程阻力，从而增加流动时间，降低泵漏失量，提高泵效。
表：
注聚驱抽油泵技术参数
泵径
槽距（mm）
槽宽（mm）
槽深（mm）
间隙（mm）
ф70
3
3
1.5
0.10-0.20
ф83
3
3
1.5
0.11-0.22
ф95
3
3
1.5
0.12-0.25
1.1.3应用油井生产参数优化技术，进一步降低油井能耗
参数优化技术的技术实质是针对整个油井生产系统，通过对生产参数的优化来达到提高系统效率的节能降耗技术。
该技术通过重新划分抽油系统输入功率构成，找出影响各部分功率的主要因素，并确定各部分功率同主要因素的函数关系式。
以这种输入功率计算理论为基础，制定了以能耗最低或机采成本最低为目标的油井生产参数设计方法，并利用这种设计方法进行参数设计，从而保证整个油井生产系统具有最低的能耗。
优化参数包括：
抽油机、电机、管径、泵挂、泵径、杆柱组合、杆柱钢级、冲程和冲次。
系统输入功率
抽油机井系统效率划分
（1）抽油机井优化设计理论基础
在深井泵采油过程中，所消耗的能量包括用以提升液体的有效能量和举升过程中所消耗的损失能量。
损失能量主要包括地面损失能量和地下损失能量，地面损失能量主要包括电机损失能量和抽油机磨阻损失两个部分；地下损失能量主要包括井下粘滞磨阻损失能量、井下滑动损失能量，另外还有一种有益于举升的含气原油的溶解气体积膨胀能。
①有效功率（P有）
在一定扬程下，将一定排量的液体提升到地面所需要的功率称作有效功率。
（1）
②地面损失功率（Pu）
深井泵生产过程中，地面抽油机和电机所损耗的功率，取决于光杆在上冲程中的平均载荷（Fu）；光杆在下冲程中的平均载荷（Fd）；光杆功率；冲程（S）、冲次（n）；电机空载功率（Pd）
Pu＝Pd+（Fu＋Fd）S×n×k1＋（Fu－Fd）S×n×k2
＝Pd+〔（2F杆＋F液）S×n－Pe－0.13Pr〕k1＋（P有＋Pk＋Pr－Pe）k2
（2）
③井下粘滞损失功率（Pr）
深井泵生产过程中，被举升的液体因与油管、抽油杆发生摩擦而损耗的功率称作粘滞损失功率。
上冲程中，粘滞损失功率发生在液柱与油管壁之间；在下冲程中，粘滞损失功率发生在液柱与抽油杆之间。
（3）
粘滞损失功取决于各段液体粘度（υi，Li）；管径与杆径比（m）；冲程（S）、冲次（n）
④井下滑动损失功率（Pk）
因抽油杆与油管发生摩擦以及泵柱塞与泵筒间发生摩擦而损失的功率称作滑动损失功率。
滑动损失功率主要取决于泵以上井斜的水平轨迹长度（Lp）；冲程（S）、冲次（n）；抽油杆重度（qr）；摩擦系数（fk）（杆管材质）。
Pk＝2fk×qr×Lp×S×n （4）
⑤溶解气膨胀功率（Pe）
原油在举升过程中，溶解气因所受压力的降低而不断从原油中析出，转化成体积膨胀能而作用于举升系统，这一功率称作溶解气膨胀功率。
溶解气膨胀功率主要取决于原油产量（Q）；原油饱和压力（Pb）；溶解系数（α）；沉没压力（Ps）；井口油压（Pt）
a.当P沉≥Pb>P井口时：
（5）
b.当P沉≥Pb且P井口≥Pb时，
=0
（6）
c.当P井口
d.当P沉=0
输入功率与各种功率的关系
P入＝Pｕ+Pλ+Pｋ+P有-Pｅ（7）
系统效率
（8）
有以上功率分析可知，要提高系统效率，首先就要从降低抽油机井的输入功率入手，如：
增大泵径、提高泵效、降低原油粘度、增大管径杆径比、减少液柱重量和杆柱重量等，但各个参数之间又相互矛盾、相互制约。
在给定的动液面（即给定的产液量）和给定泵径的条件下，提高泵效必须通过加深泵挂（增大沉没度）来实现，这必然引起载荷、井斜轨迹水平投影长度增加。
而P损一方面是泵效的减函数,另一方面又是斜井长度、泵挂深度的增函数。
在同等泵挂下，增大泵径，必然引起载荷、单位长度杆重增大，而P损既是泵径的减函数，又是载荷、单位长度杆重的增函数。
（2）优化设计原则
在重新建立了计算输入功率的理论体系的基础上，提出了以能耗最低或以机采成本最低为原则的机采参数设计新方法：
在保证油井的生产液量相对稳定，即油井的动液面相对稳定的前提下（在一定的产液量、动液面、油套压条件下），设计步骤如下：
①将各种管径、各种杆柱钢级、各种泵径与各种泵挂、各种冲次、各种冲程一一组合，每一种组合对应着一种机采系统效率，即对应着一种能量消耗和一种管、杆、泵的投入与年度损耗。
②分别计算出每一种机采参数组合所对应的输入功率，计算出每一种组合相应的年度耗电费用，根据各种管柱、各种杆柱、各种泵的价格，计算出每一种组合相应的年度机械损耗值，并考虑一次性投资的年利息。
合计出每一组机采参数所对应的机采年耗成本。
③以输入功率最低或年耗成本最低作为标准选择的机采参数，包括管径、管长、杆柱钢级、泵径、泵挂深度、杆柱组合、冲程、冲次等。
（3）优化设计基础数据
正常生产时产液量、含水率、动液面、油层中深、油层压力、原油密度、油气比、饱和压力、溶解系数、油层温度、析蜡温度、井口温度、50ºC脱气原油粘度、地层原油粘度、各段井斜深度、各段井斜闭合位移、各段垂直井深。
（4）优化设计内容
对于新井或检泵井，通过优化设计，确定合理的生产参数和采油设备（如抽油机、泵型、泵径、冲程、冲次、下泵深度、抽油杆柱组合、电机参数，预测相应抽汲参数下的工况指标，如载荷、应力、扭矩、功率、举升效率、产量、泵效及输入功率等）。
对于当前正常生产的抽油机井，通过相应的工况分析，了解油层的生产能力、设备的工作状况，分析地面生产参数对举升效率的敏感性，并以高效为目标，制定参数调整方案，预测参数调整后的生产指标和设备工况指标。
1.2供电系统节能降耗技术推广与应用
1.2.1新型节能变压器的应用
电力变压器经过多年发展，制造技术已经成熟。
目前配电变压器发展有以下几个方面：
（1）铁芯采用新型设计结构和新型材料，减小空载损耗。
S9型变压器与S7型变压器空载损耗平均减少10.43%；S10型变压器与S7型变压器空载损耗平均减少27.86%；非晶合金变压器与S7型变压器空载损耗平均减少74.71%。
（2）模块化设计，整体封装结构。
变压器采用组合式紧密结构，高压设备统一设计，封装在一个油箱中。
使用多位置负荷开关及叉拔式熔断器，即可以用于终端，也可以用于环网，同时也大大降低了元器件的故障率。
这种结构设计变压器防护等级高，受气候影响小，维护工作量小，现场安装方便。
国内目前广泛使用的是S9型配电变压器，S10型配电变压器正在逐步推广中。
非晶合金变压器由于制造材料价格较贵，造成整体设备造价过高，尚没有大面积推广。
S10-M型全封闭变压器与普遍采用运行的S9-型变压器在价格上相差不大。
两种变压器损耗比较见下表：
变压器损耗比较表
序号
型号
空载损耗（W）
空载电流（%）
负载损耗（W）
阻抗电压（%）
1
S10-M-1000
1300
0．7
9600
4．5
S9-M-1000
1700
0．7
10300
4．5
2
S10-M-315
550
1．1
3600
4．0
S9-M-315
670
1．1
3650
4．0
3
S10-M-250
470
1．2
3050
4．0
S9-M-250
560
1．2
3050
4．0
1.2.2推广无功补偿技术
供电变压器和电动机在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性无功功率。
接在交流电网中的电容器，在一个周期内上半周的充电功率和下半周的放电功率相等，这种充放电功率叫做容性无功功率。
将电容器和电感设备并联在同一电路中，电感设备吸收能量时，正好电容器在释放能量，而电感放出能量时，电容器却在吸收能量。
能量就在它们之间互相交换，即电感性负荷（电动机、变压器等）所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得到补偿，电感性负荷从电源吸取的无功Q，加装电容器后，补偿无功功率QC，使电源输送的无功功率减小到Q，=Q-QC，功率因数可由
提高到
，视在功率S可减小到S’，无功补偿的作用如下图所示：
视在功率S的减小可相应减小供电线路和变压器
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