抽油机系统效率分析.

抽油机井系统优化
抽油机井系统优化
1、系统效率的定义
抽油机井系统效率是指地面电能传递给 井下液体，将液体举升到地面的有效做 功能量与系统输入能量之比。即：抽油 机井系统的有效功率Ne与输入功率Ni之 比。 η＝Ne/Ni×100％
（1）．抽油机井的输入功率Ni
拖动抽油系统的电动机的输入功率为抽油井的 输入功率。
Ni＝ 3600 np k k1 /(nw tp)
式中Ni－抽油机井输入功率，kW；
np－有功电能表所转的圈数，r； k—电流互感器变比，常数；
（2）
k1－电压互感器变比，常数； nr／w－(k有W功．电h)；能表耗电为1 kW．h时所转的圈数，
tp－有功电能表转np圈所用的时间，s。
N （2）．抽油机井的有效功率 e
抽油井口的实际有效功率，又称水功率。
Ne＝QH ρmg/86400 kW 式中 Q－油井实际产混合液量，m3／d；
H－有效举升高度，m；
ρm－油管内混合液相对密度，103kg／m3。 ρm＝0.66(1-0.1402fw)-2.75
fw－抽油井的含水率，％。 有效举升高度H由下式计算：
H＝Hd+ 102(pt- - PC )/ ρm 式中 Hd－抽油机井的动液面深度，m； pt－井口油压，MPa； PC－井口套压，MPa。
（3） （4） （5）
： 实用的系统效率计算公式
实用的系统效率计算公式：
η＝ 1.134 10 4 QHm g
Ni
（6）
2、抽油机井系统效率分析
（一）系统效率的分解
系统效率分为地面效率和井下效率，以 光杆悬绳器为界，悬绳器以上为地面效 率，悬绳器以下为井下效率。可表示为
η＝ηsηw
（7）
式 中 ηηs-w－－抽抽油油系系统统的井的下地效面率。效 率 ；
抽油机井系统效率具体分解见图1。
图1 系统效率分解图
1．电动机效率η1 电动机输出功率与输入功率的比值为电动机效率，一 般电机铭牌上标的电动机效率是在负载率高于60％的 情况下的数据。
电动机主要功率损失包括：基本铜损，铁芯损耗，通 风系统损耗及轴承摩擦损耗等。
2．皮带—减速箱传动效率η2 减速箱的输出功率与电动机输出功率之比为皮带—减 速箱传动效率。
皮带造成的功率损失为皮带与轮槽的摩擦损失和打滑 损失；减速箱造成的功率损失为轴承损失和齿轮损失。
3．四连杆机构传动效率η3 光杆功率与减速箱输出功率之比为四连杆机构传动效 率。主要的功率损失为轴承损失和钢丝绳的变形损失。
4．盘根盒的效率η4 盘根盒输出功率与光杆功率之比为盘根盒的效 率。其主要的功率损失为光杆与盘根盒中填料 摩擦损失，不同的填料擦力相差10倍。
5．抽油杆效率η5 抽油杆输出功率与盘根盒输出功率之比为抽油 杆效率。其主要的功率损失为抽油杆与油管的 摩擦损失、抽油杆与液体之间的摩擦损失、杆 柱弹性伸缩损失。
6．抽油泵效率η6 抽油泵的输出功率与抽油杆输出功率之比为抽 油泵效率。其主要的功率损失为抽油泵柱塞与 衬套之间的摩擦损失、泵漏失损失(又称容积 损失)，原油流经泵阀时由于水力阻力引起的 功率损失(又称水力损失)。
7．管柱效率η7 抽油系统的有效功率与抽油泵输出功率 之比为管柱效率。其主要的功率损失为 油管漏失损失，液体与油管内壁产生的 摩擦损失，油管弹性伸缩损失。
抽油系统的总效率为
η＝ηsηw＝η1η2η3η4η5η6η7 （8）
3、有杆抽油系统效率最大目标值分 析
（1）．地面效率的最大目标值 抽油机系统由电动机、皮带轮、减速器(由3副齿轮和3副轴 承组成)和四连杆机构(由3副轴承和钢丝绳组成)组成。 查有关的机械工程手册，
电动机最大效率达95％，但是由于抽油机载荷的不均匀及 电动机功率因数较低等原因造成抽油系统的电动机效率最 大只能达到η1＝80％。 皮带轮的效率η胶＝90％，齿轮的传递效率η齿＝98％(3副)， 轴承的效率η轴＝99％(3副)，皮带轮—减速器的效率可表示 为
η2＝η胶η齿3η轴3＝90％×(98％)3×(99％)3＝82％
抽油机四连杆机构的效率主要是受轴承摩擦损 失和驴头钢丝绳变形损失的影响，轴承效率取 η轴＝99％(3副)，钢丝绳效率取η绳＝98％，故 四连杆机构效率可表示为
η3＝η轴3η绳＝(99％)3×98％＝95％ 于是，
地面效率最大目标值表示为
ηs=η1η2η3＝80％×82％×95％＝62％
（2）．井下效率的最大目标值
据前所述，抽油系统的井下效率可表示为盘根 盒效率、抽油杆柱效率、抽油泵效率和油管效 率的乘积，有石墨润滑时，盘根盒效率η4＝90 ％，抽油杆柱效率η5＝90％，抽油泵效率η6＝ 80％，油管柱效率η7＝95％。 井下效率最大目标值为 ηw＝η4η5η6η7＝90％×90％×80％×95％＝62 ％
（3）．整个系统效率的最大目标值
有杆抽油系统效率的最大目标值ηmax ηmax＝ηsηw＝62％×62％＝38.4％
综上所述， 有杆抽油系统的最大目标只有38．4％。
4、抽油机井系统效率计算方法
： （一）常规法
实用的系统效率计算公式：
η＝ 1.134 10 4 QHm g
Ni
（6）
4、抽油机井系统效率计算方法
抽油机井在生产过程中，生产情况复杂，比如 油井地层压力较高，抽油机井往往连抽带喷。 如果动液面在井口而套压又大于油压时，按式 (6)计算出的有效举液高度为负值，因而系统效 率也为负值。但现场实践表明，这类井尽管供 液能力很强，但抽油时的产量要比不抽油时的 大，这说明抽油机是做了功的。对这种计算值 与实测结果相矛盾的现实问题，要求研究出新 的计算方法予以解决。
(二) 抽油量法
在求出抽油机的抽油量后，通过下式可
计算系统效率
η＝
1.134104 qp H p m
式中 Hp-－泵挂深度，Ni m；
qp—抽油量，t／d。
（12）
停机后测得油井自喷量，再按下式计算qp ：
qp= q- qf
（13）
式中 q—开井生产时测得的产液量，t／d；
qf－油井停机后测得的自喷量，t／d。
5、游梁式抽油机节能原理
一、游梁式抽油机的工作特征 二、实际抽油机用电情况
游梁式抽油机的工作特征
1、结构特点 由四连杆机 构实现运动 的转换，将 电机的旋转 运动转换为 光杆的上下 往复直线运 动。如图3所 示。
图3 游梁式抽油机结构简图
2、运动特征
悬点的运 动为周期 性的变速 运动。在 一个抽油 循环中， 加速度接 近余玄规 律变化。 如图4所 示
图4 悬点加速度曲线
3、负荷特征
游梁式 抽油机 悬点负 荷的变 化规律 可用悬 点的示 功图表 示，如 图5、 6所示。
图5 静力示功图 图6 动力示功图
图7 扭矩曲线
1．净扭矩 2、负荷扭矩 3、平衡扭矩 图7 扭矩曲线
4、电动机特性
现场测试抽油机适配电动机的负 荷率在20％左右。但为了满足最大负 荷的要求，不得不配用大功率电机， 即所谓“大马”拉“小车”。在这样 的负荷率下，效率再高的电动机的实 际效率也只有80％左右。
实际抽油机用电情况 1、抽油机用电情况
表1 临盘油田部分抽油机井用电测试数据(1998年10月测)
2、抽油机发电情况分析
1)抽油机平衡率与发电量
图10 65—47井电功率曲线
图11 65—92井电功率曲线
抽油机的平衡调整好后，油井的供液
情况还会影响抽油机的平衡与发电。
图12 65—104井的示功图和电功率曲线
6、提高系统效率的措施
6.1 推广采用节能型抽油机
6.1.1 采用变臂型(双驴头)游梁 式 抽 油 机 —— 变 臂 型 游 梁 式 抽油机是在常规型游梁式抽 油机的基础上设计出来的。 总体设计方案是游梁的前端 与驴头相连，尾端制成变臂 型椭圆弧轮廓，使游梁后臂 呈椭圆形状，从而实现由曲 柄、连杆、横梁、游梁及柔 性连接件等构成的变参数四 连杆传动机构。该机保留游 梁式抽油机的基本结构，仅 仅将游梁的尾端制成变臂型 椭圆弧轮廓。
6.1 推广采用节能型抽油机
6.1.2 采用长冲程抽油机
6.1 推广采用节能型抽油机
节能型抽油机的节能评价—室内试验
室内实验数据
冲
机型
冲次 载荷 平衡重 启动电流 最大电流 最小电流
程
CYJ12-5-53HB 5 4
7．5 8．64
150
40
22
CYJ12-4.8-73HB 4.8 4 7.36 5.92
260
57.8
47
CYJ12-4.8-73HB 4.8 4 7.36 2.96
268
73
43
600 型皮带机 5 4
3
4
103
27
21
600 型皮带机 5 1
3
4
60
23.8
23.4
CYJ12-5-53HB 5 4
3
270
18
6
CYJ12-4。8-73HB 4.8 4 2.76
385
70
50
节能型抽油机的节能评价--现场数据
600型皮带机与普通10型机耗能对比表
机型
统计 井数
泵径 （mm）
泵深 （m）
动液面 （m）
平均日液 （t/d）
平均单井 日耗电
（kw.h）
吨液百米耗 电
kw.h/t.100m
系统效 率（%）
600型皮带机 3
56 933 511
34.9
154
0.7827
34.78
普通10型机 41 56 1037 692
21
143
0.9509
28.63
对比节电率
17.7%
由上表反映出：采用相同泵径生产的油井，在相近的条件下使用 600型皮带机比10型普通机的吨液百米耗电量低。
6.2.经济泵效的确定
吨液百米耗电(kw.h/t.100m)
经济泵效的确定
分泵径不同泵效与吨液百米耗电关系
28 26 24 22 20 18 16 14 12 10
8 6 4 2 0
小于10
10-30
30-50
泵效（%）
大于50
32 38 44 56(57) 70
6.2.经济泵效的确定
经济泵效的确定
由上图表可见：对于各种不同的泵径，泵效越低， 系统效率越低。同时以平均单井耗电量、吨液百 米耗电、系统效率为目标值，泵效高于30%是一 “拐点“即：经济泵效值界线。因此，治理低于 30%泵效井成为提高系统效率的重要途径。
6.3. 沉没度与泵效的关系
增大沉没度可使泵的效率在一定范围内增大， 但增加的幅度却越来越小，与此同时，悬点载荷 也在不断增加，从而增大电机负荷，降低地面效 率，进而降低系统效率。
6.3. 沉没度与泵效的关系
胜利采油厂含水大于80%时泵效与沉没度的统计 规律——保持200～300 m 的沉没度较合理。
胜利采油厂含水小于80%时泵效与沉没度的统计 规律——沉没度范围为300～400 m。
6.3.1 合理沉没度的确定
不合理的沉没度会导致两种结果： （1）沉没度过大——为避免或减少气体对泵效的影响，往
往采用较大的沉没度，使杆、管过长而产生伸缩变形， 导致较大的冲程损失，同时使悬点载荷增大、工作条件 恶劣，易损件寿命缩短，增加作业工作量。 （2）沉没度过小——气体影响过大而降低泵的充满度，影 响泵效，严重时会导致“气锁”。井液粘度大时会导致 进泵阻力加大，降低充满度而影响泵效和系统效率。
抽油泵合理沉没度的确定有两种方案： （1）以系统效率最高作为优化目标函数 （2）以经济效益最好作为优化目标函数
合理沉没度的选择
临东区块分泵径不同沉没度与平均吨液百米耗电关系表
沉没度
泵径 （mm）
井数
小于 200 米 平均单井 平均吨液百
日耗电 米耗电
井数
200-400 米 平均单井 平均吨液
日耗电 百米耗电
400-600 米
大于 600 米
平均单井 平均吨液百
平均单井 平均吨液百
井数 日耗电
米耗电 井数 日耗电 米耗电
（kw.h) kw.h/(t.m)
kw.h kw.h/(tm)
kw.h kw.h/(t. m)
kw.h kw.h/(t.m)
32
6
106
2.0483
3
81
1.48
6
87
1.4943
7
128
2.725
38
48
97
1.667
17
89.3
1.1562 25
96.8
1.5374
31
90.9
1.6984
44
42 119.4
1.3884
28
114.9 1.1182 39
125.7
1.3661
72 107.4
1.5914
56 18
（57）
138.7
1.1124
20
129.9 0.7086 26
119.5
0.9125
35 115.3
1.212
70
3
154.2
0.5035
1
147.2
0.715
7
179.4
0.8217
12 175.8
1.6248
由上表数据显示：70mm以下泵相对合理的沉没度为 200-400米；70mm 泵合理的沉没度为小于200米。