隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的推進(jìn)，我國(guó)石油需求不斷攀升。然而，當(dāng)前我國(guó)油田普遍存在低產(chǎn)、低滲的情況，這使得抽油機(jī)成為油田抽油開(kāi)采的主要設(shè)備。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，抽油機(jī)開(kāi)采方式的能耗超過(guò)油田總用電量的三分之一，高能耗不僅導(dǎo)致采油生產(chǎn)成本居高不下，還嚴(yán)重制約了油田開(kāi)采效率。在國(guó)家提出能源改革和碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的大背景下，油田企業(yè)急需對(duì)抽油機(jī)的技術(shù)和性能進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提升采油效益。
抽油機(jī)的機(jī)械效率對(duì)能源利用效率起著決定性作用，其定義為輸入機(jī)械能與輸出有用能量的比率。確保抽油機(jī)在設(shè)計(jì)和操作過(guò)程中最大化提高機(jī)械效率，是降低能耗的關(guān)鍵。同時(shí)，工作負(fù)載的合理匹配也至關(guān)重要。在實(shí)際工作中，抽油機(jī)常因設(shè)備安裝不平衡，如基礎(chǔ)不牢固、安裝位置偏差，或零部件制造質(zhì)量欠佳導(dǎo)致磨損失衡等問(wèn)題，致使負(fù)載不平衡。當(dāng)抽油機(jī)處于平衡狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)在上、下沖程過(guò)程中做功相等;若負(fù)載不平衡，抽油機(jī)則會(huì)在高負(fù)載和低負(fù)載之間頻繁切換，進(jìn)而造成能源的大量浪費(fèi)。
《2025-2030年全球及中國(guó)抽油機(jī)行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，抽油機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、沖程、泵徑等，與能耗緊密相連。轉(zhuǎn)速是指抽油機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)，高轉(zhuǎn)速雖能在一定程度上加速抽油桿和液體的運(yùn)動(dòng)，提高泵的效率，但轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)引發(fā)機(jī)械磨損和振動(dòng)，反而降低泵的效率并增加能耗，因此需在泵效率和能耗之間找到平衡點(diǎn)。沖程是抽油桿上下運(yùn)動(dòng)的距離，增加沖程可提高泵的排量從而增加產(chǎn)量，但大沖程需要更大動(dòng)力，意味著更高能耗，且過(guò)大沖程可能導(dǎo)致抽油桿和液體運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)，進(jìn)一步加劇能耗。泵徑大小決定泵的容量，增大泵徑可增加泵的排量，然而大泵徑需要更大動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，同時(shí)可能導(dǎo)致流速降低，使液體在泵內(nèi)流動(dòng)更為復(fù)雜，增加摩擦和阻力，最終導(dǎo)致能耗上升。
此外，定期維護(hù)保養(yǎng)對(duì)抽油機(jī)能耗的降低不可或缺。設(shè)備的磨損與老化會(huì)直接影響能耗，通過(guò)有效的維護(hù)保養(yǎng)，可減緩設(shè)備磨損和老化進(jìn)程，進(jìn)而降低能耗。維護(hù)保養(yǎng)還能提升設(shè)備運(yùn)行效率、預(yù)防故障，減少非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。
環(huán)境因素對(duì)抽油機(jī)能耗的影響不容小覷，主要體現(xiàn)在溫度、濕度、氣壓、污染物等方面。在低溫環(huán)境下，潤(rùn)滑油粘度增加，摩擦力和阻力增大，抽油機(jī)需要消耗更多能量來(lái)維持運(yùn)轉(zhuǎn)。而在高溫環(huán)境中，潤(rùn)滑油變薄，潤(rùn)滑效果降低，同樣會(huì)增加能耗。在低氣壓環(huán)境下，空氣稀薄使?jié)櫥椭袣怏w濃度增加，可能影響抽油機(jī)的正常運(yùn)行和潤(rùn)滑效果，進(jìn)而對(duì)能耗產(chǎn)生影響。所以，考慮設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，保持其良好的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于降低抽油機(jī)能耗至關(guān)重要。
非調(diào)參型節(jié)能電機(jī)技術(shù)是一種創(chuàng)新的電機(jī)節(jié)能技術(shù)，它通過(guò)優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)和制造工藝，在常規(guī)運(yùn)行條件下即可實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，無(wú)需進(jìn)行額外的運(yùn)行參數(shù)調(diào)整。在油田抽油機(jī)應(yīng)用中，該技術(shù)效果顯著。通過(guò)優(yōu)化電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)分布和材料選擇，可減少電機(jī)的鐵損和銅損，提高電機(jī)效率，從而有效降低能耗，提高采油效率，降低生產(chǎn)成本。與傳統(tǒng)調(diào)參型節(jié)能技術(shù)相比，非調(diào)參型節(jié)能電機(jī)技術(shù)能使電機(jī)在常規(guī)運(yùn)行條件下保持穩(wěn)定性能，減少故障率和維護(hù)成本，提高抽油機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。
調(diào)壓節(jié)能技術(shù)在我國(guó)石油規(guī)模生產(chǎn)不斷擴(kuò)大的形勢(shì)下，發(fā)揮著日益關(guān)鍵的作用。該技術(shù)包含控制調(diào)壓節(jié)能技術(shù)和多技術(shù)融合調(diào)壓節(jié)能技術(shù)，可根據(jù)抽油機(jī)的具體需求進(jìn)行選擇。以控制調(diào)壓節(jié)能技術(shù)為例，其基于抽油機(jī)電機(jī)模型、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和實(shí)際工況，利用機(jī)械或電子開(kāi)關(guān)等設(shè)備調(diào)整抽油機(jī)電源電壓幅值，達(dá)到降低電能損耗的目的。該技術(shù)適用于多種工況條件，可廣泛應(yīng)用于不同型號(hào)的抽油機(jī)設(shè)備，能將能源利用率提高 10% 左右。
變頻技術(shù)能夠調(diào)節(jié)電機(jī)速度，通過(guò)改變電機(jī)輸入的電源頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)抽油機(jī)直接啟動(dòng)的方式對(duì)電機(jī)和電網(wǎng)沖擊較大，啟動(dòng)電流大，易造成電機(jī)過(guò)熱并縮短使用壽命。而變頻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的軟啟動(dòng)，減小對(duì)電機(jī)和電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命。同時(shí)，變頻技術(shù)能提高抽油機(jī)的效率。在傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)速方式下，抽油機(jī)只能在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，在低負(fù)載情況下效率低下。采用變頻技術(shù)后，抽油機(jī)可實(shí)現(xiàn)調(diào)速，在低負(fù)載時(shí)也能保持高效率運(yùn)行，從而提升了抽油機(jī)的整體效率。此外，在采油過(guò)程中，泵的抽吸量受油層壓力、氣阻等因素影響，易出現(xiàn)波動(dòng)和效率低下問(wèn)題，通過(guò)變頻技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵的運(yùn)行狀態(tài)和井下壓力等參數(shù)，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率，實(shí)現(xiàn)泵的恒壓控制和流量調(diào)節(jié)，不僅提高采油效率，還能減少不必要的能耗，達(dá)到節(jié)能減排的效果。
斷續(xù)供電技術(shù)依據(jù)抽油機(jī)負(fù)荷特性，在空載狀態(tài)下斷電，需要輸出功率時(shí)快速接通電源，以此提高電能利用效率，減少無(wú)功功率消耗。該技術(shù)采用軟啟動(dòng)技術(shù)，降低快速接通電源對(duì)采油系統(tǒng)的沖擊，增強(qiáng)了節(jié)能技術(shù)的實(shí)用性。其應(yīng)用效果受斷電時(shí)間和通電時(shí)沖擊功率的影響。合理延長(zhǎng)抽油機(jī)斷電時(shí)間可有效降低電能浪費(fèi)，加強(qiáng)節(jié)能控制效果。但抽油機(jī)電機(jī)突然接通電源時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，增加系統(tǒng)電能消耗，因此需要有效控制通電時(shí)的沖擊電流，減少?zèng)_擊功率，降低電能損耗。某地采油廠試驗(yàn)顯示，應(yīng)用斷續(xù)供電節(jié)能技術(shù)后，油井的平均有功節(jié)電率超過(guò) 20%，綜合節(jié)電率超過(guò) 22%。
電機(jī)作為抽油機(jī)的主要能源轉(zhuǎn)換裝置，其能耗損失主要包括銅損、鐵損、機(jī)械損和雜散損等。為降低電機(jī)能耗，可從以下幾方面改進(jìn)：首先，選用具有高效率、低損耗特點(diǎn)的高效電機(jī)，減少電機(jī)的能源損失，提高能源利用效率。其次，優(yōu)化電機(jī)控制方式，采用變頻器等控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，根據(jù)油井實(shí)際需求調(diào)整電機(jī)輸出功率，避免能源浪費(fèi)。最后，根據(jù)油井實(shí)際需求，選擇合適功率的電機(jī)，確保電機(jī)與抽油機(jī)匹配，避免 “大馬拉小車(chē)” 的情況，降低電機(jī)能耗。
機(jī)械節(jié)能主要涉及抽油機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和安裝等環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)方面，可通過(guò)優(yōu)化抽油機(jī)結(jié)構(gòu)，降低運(yùn)行阻力和摩擦力，提高機(jī)械效率，例如采用滾動(dòng)軸承代替滑動(dòng)軸承，減少不必要的機(jī)械摩擦。在安裝環(huán)節(jié)，保證抽油機(jī)的安裝質(zhì)量至關(guān)重要，確保各部件之間的配合間隙合理，減少運(yùn)行阻力，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械節(jié)能。
控制系統(tǒng)節(jié)能可通過(guò)改進(jìn)抽油機(jī)的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其一，優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)，如沖程、沖次等，使抽油機(jī)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，提高能源利用效率。其二，采用智能控制技術(shù)，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)的精細(xì)化控制，降低能耗。其三，建立遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)調(diào)整，避免能源浪費(fèi)。
針對(duì)多層合采的油井，采用分層采油技術(shù)，優(yōu)先開(kāi)采高滲透層和厚度較大的油層，可有效提高采收率。通過(guò)合理分配開(kāi)采資源，使各油層的潛力得到充分發(fā)揮，避免因不合理開(kāi)采導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)采油過(guò)程的節(jié)能增效。
強(qiáng)化注水技術(shù)通過(guò)提高注水壓力和注入量，增加地層的能量供應(yīng)，有助于提高采收率。充足的地層能量可使原油更順暢地被開(kāi)采出來(lái)，減少開(kāi)采過(guò)程中的能量消耗，同時(shí)提高原油的開(kāi)采效率，是一種有效的采油方式節(jié)能措施。
采用化學(xué)藥劑作為驅(qū)替劑的化學(xué)采油技術(shù)，能夠提高采收率。在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，需根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的藥劑配方和注入方式，以降低能耗。不同的油層特性和原油性質(zhì)需要匹配相應(yīng)的化學(xué)藥劑和注入?yún)?shù)，精準(zhǔn)的選擇可在提高采收率的同時(shí)，最大程度減少能源消耗。
人工舉升技術(shù)是將原油從井底提升到地面的有效方式，相較于自噴采油方式，能顯著減少能源消耗。人工舉升技術(shù)包括抽油泵采油、氣舉采油、水力泵采油和深井泵采油等多種類(lèi)型。在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)油田的具體情況和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估進(jìn)行選擇，以確定最適合的人工舉升方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能與效益的平衡。
對(duì)于注水開(kāi)發(fā)油田，注水井調(diào)剖技術(shù)可改善注水效果和提高采收率。該技術(shù)通過(guò)向注水井注入高滲透層堵劑，改善注水波及范圍，提高注入水的利用率。調(diào)剖技術(shù)的應(yīng)用不僅能降低注水能耗，還能提高油田的采收率，為油田的高效開(kāi)發(fā)提供有力支持。
油田數(shù)字化管理技術(shù)通過(guò)對(duì)油田生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，可提高生產(chǎn)效率并降低能耗。數(shù)字化管理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、優(yōu)化資源配置以及提高生產(chǎn)安全性等功能。隨著科技的不斷進(jìn)步，數(shù)字化管理技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛和深入，成為提升油田整體效益的重要手段。
在2025年及未來(lái)，抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。從能耗因素來(lái)看，機(jī)械效率、工作負(fù)載、設(shè)計(jì)參數(shù)、維護(hù)保養(yǎng)以及環(huán)境因素等均對(duì)抽油機(jī)能耗產(chǎn)生顯著影響。為應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題，一系列節(jié)能控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，包括節(jié)能電機(jī)技術(shù)、調(diào)壓節(jié)能技術(shù)、變頻技術(shù)和斷續(xù)供電節(jié)能技術(shù)等，它們?cè)谔岣吣茉蠢眯?、降低能耗方面發(fā)揮著重要作用。同時(shí)，通過(guò)電機(jī)節(jié)能、機(jī)械節(jié)能、控制系統(tǒng)節(jié)能以及采油方式節(jié)能等多維度的節(jié)能增效措施，可有效降低抽油機(jī)能耗，提高采油效率和經(jīng)濟(jì)效益。
展望未來(lái)，抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)將朝著智能化和多學(xué)科融合的方向發(fā)展。結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的精準(zhǔn)控制，進(jìn)一步提高能源利用效率。通過(guò)跨學(xué)科合作，將工程技術(shù)、材料科學(xué)、電子信息等領(lǐng)域知識(shí)相結(jié)合，有望開(kāi)發(fā)出更高效、環(huán)保的新型節(jié)能技術(shù)，為石油工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入新的活力。
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