1、抽油機的系統效率測試計算及優化分析 前言 有桿泵采油是世界石油工業傳統的采油方式之一，也是迄今在采油工程中一直占主導地位的人工舉升方式。在我國，采油生產井中大約有90%采用有桿抽油技術，隨著油田開發的不斷深入，有桿泵采油井所占比例還在不斷增大，但是有桿泵采油是石油生產中的主要耗電的采油方式，總耗電占油田生產的1/3，目前全國約有有桿泵采油井9萬多口，但系統效率一般不足40%，若系統效率提高10%，以全國9萬口機采井計算，每天可節約 6.4 kW. h，因此，提高有桿泵采油井的生產管理水平，對機采井保持節能高效開采，提高企業的經濟效益具有十分重要意義。抽油機系統工作時,是一個能量不斷傳遞和轉化的

2、過程,而能量的每次傳遞都有一定的損失。由地面供入系統的能量減去系統的各種損失,就是系統供給液體的有效能量,將液體舉升至地面的有效功功率與系統輸入功率的比值即為抽油機系統效率。 損失能量是系統工作時消耗的無效功率，包括地面部分的摩擦損失、電動機的熱損失、井下部分的摩擦損失、水力損失、容積損失等。求出電動機、皮帶、減速箱、四聯桿機構等各部位的效率即可得知系統能耗狀況。目前,由于有桿泵抽油系統的能耗問題日趨嚴重,直接影響著原油的開采成本。為了實現油井的正常生產,降低采油成本,采用節能設備并應用新技術、新方法來提高油井的系統效率越來越引起人們的重視.提高抽油機井系統效率,對油田的節能降耗、原油增產及提

3、高經濟效益都具有重要意義。抽油機系統效率是衡量抽油機井能耗的重要指標,也是一項綜合性計算指標,它涉及到日產液量、動液面深度、油壓、套壓和耗電量(電流、電壓、有效功率)等多項參數。對有桿抽油系統的一些井進行分級效率測試，全面系統地分析影響有桿抽油系統效率的因素及能量在傳遞過程中消耗的原因,開展提高抽油系統效率研究,已成為我國降低石油開采成本,實現高效經濟采油的重點研究課題之一。抽油機系統主要是指從油藏到地面分離器的整個油井生產系統,包括井筒、地面兩大部分。油層是系統研究的基礎,也是工程與地質的交叉點;井筒部分包含有井筒流體、油管、抽油桿、抽油泵、井下附件等;地面部分由抽油機、電動機、電力系統、出

4、油管線、油氣分離系統等組成。要提高機采井系統效率，降低系統能耗，就必須使系統的兩大部分相互銜接又相互協調起來,任何一部分銜接協調不好,就會影響整個系統效率的提高及節能效果。通過對機采系統的理論計算,分析了系統效率的構成及影響因素,認為地面設備、井下工具、采油管理等都不同程度地影響了機采井系統效率的提高,從而從管理和新技術運用等方面有針對性地提出了提高機采井系統效率的多項措施。第一章 系統效率計算與測試1.1定義1.1.1.有桿抽油系統包括原動機,抽油機,抽油桿,抽油泵,井下管柱和井口裝置。1.1.2. 抽油機的輸入功率()拖動抽油機的電動機的輸入功率為抽油機的輸入功率。1.1.3. 抽油機的光

5、桿功率（）光桿提升液體和克服井下各種阻力所消耗的功率為抽油機的光桿功率。抽油機系統的有效功率（）在一定的揚程下,將一定排量的井下液體提升到地面所需要的功率叫有效功率,也叫水力功率。1.1. 5有桿抽油系統效率計算抽油機的有效功率與輸入功率的比值為抽油機井的系統效率,即 .式中: 機采井系統效率；抽油機有效功率,即在一定的揚程下,將一定排量的井下液體提升到地面所需要的功率；抽油機輸入功率,即拖動機采設備的電動機輸入功率; 抽油機井日產液量,；混合液密度,kg/； 重力加速度,m/；有效揚程,；含水率；原油密度,；水密度, ；動液面,；井口回壓,P；井口套壓,P；線電壓,；線電流,；功率因素。1.

6、2. 效率的分解 根據抽油機系統工作的特點,要將抽油機系統的效率分為兩個部分即地面效率和井下效率。以光桿懸繩器為界,懸繩器以上的機械傳動效率和電機運行效率的乘積為地面效率;懸繩器以下到抽油泵,再由抽油泵到井口的效率為井下效率。即 .式中 -地面效率； -井下效率。為了對抽油機系統各部分的能量損失及分布情況進行更加深入地研究,可將以上2部分的效率進一步分解。地面部分的能量主要損失在電動機、三角帶、減速箱、抽油機的連桿機構;井下部分的能量主要損失在盤根盒、抽油桿、抽油泵、管柱的摩擦中。故，進一步分解如下地面效率的分級 .式中 -電動機效率 ； -皮帶和減速箱效率；-四連桿機構效率。式中 K- 有效

7、載荷系數，對于某一抽油機，基本是一定的，這時主受有效功系數的影響 -有效功系數，抽油機每個沖程所作的有效功與上行時所作功 之比值，即示功圖所包含的功為，其中 =R為平衡快運動半徑；Q-平衡塊總重；1.2.3井下效率的分級 式中 -盤根盒效率; -抽油桿效率;-抽油泵效率; -管柱效率;上式中的各個效率又可分別表示為 ； =; =式中 -光桿盤根盒后傳給抽油機的功率; -抽油泵的輸入功率;-抽油泵的輸出功率;-有桿抽油系統的有效功率,即于是系統總效率可由下式表達 從以上個式可看出,為了確定及分效率必須求得從電機輸入到抽油機系統輸出的各部分功率.第二章 測試參量與計算公式2.1分級效率測試布點布點

8、情況見圖1。6，7，8，9點反映出油井及油井產液量的測試均在井口處運行。1，2-電動機輸入、輸出軸；3減速箱輸出軸；4懸繩器；5深井泵；6，7，8，9油井動液面深度、套壓、產液量。 圖1 分級效率測試布點簡圖2.2電動機運行效率電機輸入功率（有功功率）.1有功功率瞬時有功功率= .式中 -瞬時有功功率，kw; -A/D變換采集的數值量; -單位數值量所代表的有功功率，kw;平均有功功率 .式中 -平均有功功率，kw; -瞬時有功功率，kw; T -抽油機一個或幾個整沖程所需時間，s.2無功功率瞬時無功功率 -瞬時無功功率，kw;-A/D變換器采集的數值量;-單位數值量所代表的無功功率，kw.平

9、均無功功率.式中 -平均電壓; -瞬時電壓; T-抽油機一個或幾個整沖程所需時間.3功率因數 瞬時功率因數 /（+）. 平均功率因數 電機輸出功率在電機輸出軸處貼電阻應變片，見電機軸應變曲線記錄下來，并由轉速儀測試電機實際轉速。則電機平均輸出扭矩和功率.式中 -電機平均輸出扭矩，N.M; E-電機軸彈性模量，E=2.1N/M; -電機泊松比， =0.3; D -電機軸直徑，m; -實際平均應值.式中 -實測電機軸轉速，r/min。知道了電機輸入輸出功率，即可得到電機的運行效率 .2.3皮帶-減速箱效率電機輸出功率即是皮帶-減速箱的輸入功率，其輸出功率與測試技術相同，皮帶-減速箱效率 =/ 。2

10、.4四連桿機構效率 在懸繩器處安裝動力示功儀，測取動力示功圖，則光桿功率.式中 A-示功圖面積，mm -減程比，m/mm 為力比，N/mm n-光桿沖次。1/min式中 K-載荷系數2.5盤根盒效率 盤根盒耗功 . 式中 F -光桿磨檫力，N; V-光桿運動速度，m/s 盤根盒的輸出功率 其效率 2.6 抽油桿效率 抽油桿地面吊重耗功 選取 CYJ10-3-26B抽油機在地面吊重不同載荷時，用電度表分別測其耗功 ，便可得到不同工況下的吊重與耗功關系曲線。利用此曲線可得到不同載荷下的抽油機地面部分耗功 。 無游動凡爾抽油機耗功 測此耗功時，抽油泵不裝游動凡爾，盤根盒松開，抽油機在n=9（1/mi

11、n），s=2.662m工況下運轉，測試其耗功。同時測試示功圖，用示功圖可算出懸點平均載荷W，求出，則抽油桿耗功應為吊重耗功與無凡爾耗功之差，即.抽油桿輸出功率 其效率2.7 抽油泵效率在抽油泵的吸入和排出口分別裝上正弦壓力計測取壓力，同時計量產液量Q，油管不漏即可認為=Q，抽油泵長度為已知，所以抽油泵有效功率 ZQ'g/86400 . Z=H。+ .式中 Z-深井泵揚程，m; Q'-泵實際排量，;-液體密度，t/m;g-重力加速度，g=9. 8m/s;H。-泵長，m;-排出口壓力，MPa;-泵吸入口壓力，MPa 則 深井泵效率 2.8 有效功率 用雙頻道回聲儀測取油井動液面深度

12、H'，同時計量油井產液量Q，測取油井油壓和套壓，則有效功率 =HQg/86400 H-=H'十g式中 H-深井泵裝置有效舉升高度,m;H' -油井動液面深度，m; -油壓，MPa; -套壓，MPa 則 管柱效率 第三章 實例計算與結果分析3.1系統效率實例計算計算 抽油機井系統分級效率測試由兩部分組成，即地面部分與井下部分，分級效率測試于2006年在采油廠二礦5隊生產井上進行，測試了不同類型的抽油機及在各種參數下抽油機井的生產狀況，根據其測試系統分級效率計算結果見表1。表1 抽油機井系統效率計算數據表序號井號生產參數日產液量日產油量含水%動液面油壓井液密度輸入功率系統效

13、率泵效1ST2-0-17056*4.2*44.714.4390.6602.60.50.91818.6437.367.92ST2-1-13356*3*2.719.71.0894.56870.50.92934.5234.0868.63ST2-1-16256*2.4*6.238.45.4185.92390.420.93943.7231.372.84ST2-1-18170*4.6*5.2103.42.079810.430.91049.615.3578.05ST2-1-19556*3*4.98.40.46294.58370.420.93977.929.9816.16ST2-2-10756*4.7*3.2

14、49.61.8896.24390.850.93246.1545.4937ST2-2-13156*3.1*4.827.61.8293.46110.70.93762.9767.952.38ST2-2-15156*3.4*3.525.41.9892.213690.420.957410.238.260.29ST2-2X8756*3*3.120.51.1794.36940.750.92934.6536.162.210STS2-1P170*4.3*3.870.93.595.15350.560.928710.2838.278.311ST3-10-19556*4.3*4.140.81.197.311110.5

15、50.921311.7337.665.33.2 各節點效率及能耗影響因素分析 3.2 .1 影響地面效率及能耗的因素分析從總的情況看 ， 測試抽油機井系統平均效率為30%多，大量能量在傳遞和轉換過程中消耗掉了。影響地面效率的因素主要有2個,即電動機和抽油機。3.2.1.1 電動機對系統效率及能耗的影響與游梁式抽油機相匹配的是三相異步電動機,在理想情況下的效率為90%左右。據計算,其功率因數大多小于0.4,負載率不足30%,浪費電能現象嚴重。原因是,抽油機所用電動機的工作載荷是帶沖擊的周期性交變載荷,與按恒定載荷設計制造的通用電動機的工作特征不匹配。通用電動機的機械特征是在運行過程中其轉速隨載荷

16、變化不大,而抽油機的交變載荷增加了電動機的電能損耗,再加上選擇的抽油機與實際需要不匹配,降低了整機的運行效率。電動機的負載小于額定負載工況下電動機自身運行效率低,一般運行效率在額定效率50%以下。 一般Y系列電機效率為90.5 % 94 % ; JQO2系列電機效率為85%90%,原因主要是由于裝機容量過大。由于JQO2系列電機自身效率低，應選用高效的Y系列電機，并注意設計選擇適宜的裝機容量，一般講應使電機負載30% 。在現場應用的大多數常規型游梁式抽油機,其工作特點是承受交變載荷,懸點運動速度和加速度的變化使載荷極不均勻,有足夠的過載能力,通常所配電動機的工作能耗偏高,不平衡現象普遍存在,地

17、面系統效率偏低,用電多。異向型游梁式抽油機具有峰值扭矩低、所需電動機功率低等特點,運轉時平衡效果較好。在相同的情況下,其系統效率比常規型高2 5%4 0%。前置式游梁抽油機具有平衡效果好、光桿最大載荷小、節能效果好等特點。其缺點是懸點載荷低于額定懸點載荷,造成抽油機資源的浪費,工作時前沖力大,影響機架的穩定性,使它的應用受到制約。3.2.1.2 皮帶一減速箱的影響皮帶一減速箱效率，又可分為皮帶效率，減速箱效率，一般在92%95%之間，為91%，所以理論上應在84%86%之間。3.2.1.3 四連桿機構的影響 四連桿機構的能量損失主要為軸承、密封處的摩擦損失及鋼絲繩變形損失。3.2.2 影響井下

18、效率及能耗因素分析生產井井下部分分效率其值偏低，是提高系統效率的關鍵所在。3.2.2.1 泵效對井下效率及能耗的影響由表1列出了井的實際排量，泵效=，經計算ST2-0-170，ST2-1-195兩井 泵效偏低主要原因是深井泵充滿度差及非正常漏失，這應是提高油井產量和系統效率的主攻方向之一。其次還受到有效揚程小、油井結鹽、結蠟、出砂、偏磨等的影響，因而提高油井產液量、降低油井動液面以增大有效功率是提高系統效率的又一關鍵.泵效對井下效率的影響主要表現在:一是泵、管漏失嚴重影響井下效率。實際上,深井泵正常漏失量(柱塞與襯套間的設計漏失量)很小,因而它對井下效率影響很小,這里的“漏失”是指除正常漏失外

19、的所有漏失即非正常漏失。現場測試結果分析,47%的油井存在不同程度的管漏失及泵筒間隙磨大、游動凡爾、固定凡爾漏失。深井泵的非正常漏失,不僅會減少有效功率,而且將增加井下損耗,所以非正常漏失將嚴重影響井下效率,使之降低。二是氣體影響井下效率，油井不同程度的氣體影響,使得泵充滿度降低,甚至氣鎖,影響了泵排量系數。三是供液不足影響井下效率。部分油井供液能力差,深抽措施未能及時跟上,沉沒度不夠,導致泵充滿度降低,影響了井下效率。3.2.2.2沖次對系統效率的影響沖次較高的油井,其有效功率均偏低。沖次越高,抽油機懸點承受的動力也越大,抽油桿與液體間的粘滯阻力也越大,特別在斜井及稠油中桿管間的摩擦力及摩擦

20、次數增加,相應的損耗明顯增加。一定組合材質的桿柱都有振動頻率,只有抽油機沖次與該頻率之才滿足要求,才能達到增加活塞有效行程的目的。3.2.2.3有效揚程小對井下效率及能耗的影響ST2-1-181井液面在井口,泵的舉升高度很小,從而造成有功功率的減少, 計算出的系統效率很低. 有桿抽油系統在運行過程中，其損失功率對于一定井況，機型及抽汲參數其值變化不大，由于損失功率基本一定，當水功率過底時勢必造成系統效率偏低。因此提高系統效率就必須提高水功率。提高水功率需要通過提高泵效及有效揚程來實現。 有桿抽油系統的有效揚程由動液面深度、油管壓力、套管壓力及井液密度決定，其計算公式為： 式中-有效揚程；-動液

21、面深度； - 油管壓力；-套管壓力機型及抽汲參數對有效揚程沒有影響。如果要提高有效揚程，必須提高動液面深度、油管壓力，降低套管壓力。根據有關研究表明，有效揚程不是越高越好，當泵掛深度一定時，隨著有效揚程的增加，導致沉沒度減小，導致泵效降低，致使產液量降低，從而影響系統效率的提高。因此針對不同的油田區塊為提高抽油機井的系統效率應該確定合理的有效揚程。3.3幾點認識3.3.1 測試抽油機井系統平均效率不高，大量能量在傳遞和轉換過程中消耗掉了。3.3.2 生產井井下部分分效率偏低，是提高系統效率的關鍵所在。3.3.3測試抽油機井系統平均效率值較低，因而提高油井產液量、降低油井動液面以增大有效功率是提

22、高系統效率的又一關鍵。3.3.4 測試抽油機 井泵效偏低。主要原因是深井泵充滿度差及非正常漏失，這應是提高油井產量和系統效率的主攻方向之一。3.3.5 應開展節能元件研究工作，摸索綜合節能配套技術。3.4 其它因素對抽油機系統能耗損失的影響 3.4.1 電動機自損耗電動機線圈老化、繞組方式落后以及維護滯后時電機運行的機械磨損增加,造成電動機發熱引起溫升增加,降低了電動機的輸出功率。安裝電動機的額定功率過大,出現大馬拉小車現象,電機實際利用功率與裝機功率比值越小,則電能利用率越低。電路線損供電線路老化以及配電箱設計不合理時線損會大量增加。電動機進行電容無功功率補償的容量值設置不合理時會出現過補或

23、欠補,為克服過補或欠補,電機運行時能耗也會增加。3.4.2 抽油機平衡度差抽油機平衡度較差時,抽油機上下行程中電動機電流峰值會增大,產生電機發電現象會造成電機負荷增加。3.4.3 光桿與盤根盒間的磨阻盤根盒起密封流體作用,現場示功圖測試結果證明,盤根盒密封過緊時光桿上下行程中磨阻的增加可引起驢頭懸點負荷變化12噸,為克服變化的負荷,電動機功耗會大幅上升。3.4.4 抽油桿與油管間的磨阻由于井身結構和油管桿應力變化影響,抽油桿運動時管、桿彎曲接觸部位會產生摩擦阻力,電動機為克服這一阻力要消耗更多的電能。3.4.5 結鹽、結蠟、出砂、偏磨的影響抽油桿柱的偏磨,油井結蠟、結鹽、出砂及抽油桿的磨擦造成

24、桿柱有效功率降低,井下無功損耗增加,影響井下效率。抽油泵與活塞間的磨阻抽油泵與活塞間存在一定的滑動摩阻,砂、蠟、鹽等異物會造成滑動面光潔度變差而大大增加磨阻,引起電能消耗的增加。3.4.6 管桿泵設計對井下效率的影響測試調查分析認為,從系統效率角度看,管桿泵組合存在與電機抽油機系統匹配性差的問題,甚至其本身組合也存在問題,這主要是目前管桿泵設計時目標函數是產量或管柱強度,而不是系統效率的原因。3.4.7 深井泵和油管漏失的影響深井泵與油管漏失,造成抽油機提液時液體的無效循環而引起過多的能耗浪費。3.4.8生產參數不合理的影響。管柱結構設計不合理泵徑與泵深一定時,過重的桿柱設計組合會增加抽油機負

25、荷,甚至有可能縮短抽油桿的使用壽命。不合理生產參數的影響當地層能量一定時,生產參數過小,違背了效能最大化原則,生產參數過大,抽油泵泵效較低,無功損耗上升。3.4.9 地面系統生產技術配套對井下效率的影響也是極為重要的。應開展節能元件研究工作，摸索綜合節能配套技術。第四章 降低抽油機井系統能耗的措施4.1 優化配置抽油設備 推廣應用節能設備節能設備的應用主要包括節能型抽油機、電動機、配電箱等。節能型抽油機主要包括異相曲柄平衡抽油機、前置式抽油機、雙驢頭抽油機和漸開線抽油機等。節能型抽油機使凈扭矩曲線變緩、波動小,生產運行平穩,節電效果好。據統計,應用節能型抽油機,能使單井系統效率提高4%10%。

26、節能型電動機主要包括超高轉差率電動機、電磁調速電動機、高啟動轉矩電動機、永磁電機等。節能電機主要通過改善電動機的機械特性、提高電動機的負荷率和功率因數,從而提高系統運行效率,實現節能。節能型配電箱,通過調壓提高電動機功率利用率和無功補償技術,達到節能效果。4.1.2提高電動機負載率 電動機低負荷率下的效率低和功率因數低是抽油機浪費電能的原因之一,電動機負載率提高7%12%,系統效率提高2%4%,當電動機負載率低于25%時,就應該考慮降低電動機的容量級別。4.1.3合理選用抽油機機型抽油機的懸點載荷狀況是影響抽油機能耗的主要因素,抽油機的負載率在80%左右為最佳狀態。由于油井井況多變,因此要經常

27、調節平衡,平衡度好的抽油機,在穩定生產的情況下,拖動電動機發電的情況少。4.1.4安裝無功補償裝置單井功率因數補償柜是在變壓器低壓側投加電容,利用無功就地補償裝置產生的電容性電流抵消電動機感性電流。油井安裝無功補償器后,降低了線路的損耗和變壓器的損耗,從而提高功率因數,提高效率,達到節電目的。 采用配套措施 為了克服氣體對泵效的不良影響,根據油井產量、氣油比大小及地層情況等,可以采用井下分離器、助流器等先進成熟的工藝技術,促使抽油機系統效率的提高。 應用特種材料制作的特種抽油桿如空心桿、鋁合金抽油桿、玻璃鋼抽油桿、連續抽油桿、鋼絲繩抽油桿等,它們單位長度重量輕、抗拉強度高,將它們用于抽油系統,井下功率損失小,可增加有效功率,同時對輸入功率的要求也將降低。4.2 優化系統參數對機泵桿進行優化設計有桿抽油系統優化設計是以油層、井筒以及抽油設備(機、桿、泵)所組成的有桿抽油系統為研究對象,以油層、井筒、機桿泵三個子系統的協調為基礎,合理配置生產設備和優化設計系統生產參數。該系統的優化設計是多因素的復雜系統工程,應先進行初步設計,再進行校核和調整,以達到優化設計目標。抽油機的抽汲參數包括沖