曹榮亮論文抽油機(jī)井系統(tǒng)效率研究及認(rèn)識(shí)

1、采油工程專業(yè)評(píng)審組論文答辯材料抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的研究及認(rèn)識(shí)姓名：曹榮亮敖包塔作業(yè)區(qū)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的研究及認(rèn)識(shí)摘要：目前油氣田開發(fā)中，普遍存在運(yùn)行成本過高，系統(tǒng)效率較低等問題，如何提高抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率就尤為重要。本文基于抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的基本概念，對(duì)系統(tǒng)效率進(jìn)行了分解，并對(duì)主要部分分解效率的理論計(jì)算模型進(jìn)行了研究，為選擇合適的電動(dòng)機(jī)、以及合理的抽汲參數(shù)組合及抽油泵有效效率的確定，從而提高抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率提供了科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：節(jié)能降耗；抽油機(jī)系統(tǒng)；系統(tǒng)效率一、前 言在油田采油系統(tǒng)中，抽油機(jī)耗電量占油田總耗電量的25%以上，由于多種因素的影響，大量的能量在傳遞過程中白白損失掉，因此，如何提高

2、抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率就尤為重要。本文基于抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的基本概念，對(duì)系統(tǒng)效率進(jìn)行了分解，并對(duì)各部分分解效率的理論計(jì)算模型進(jìn)行了研究，為選擇合適的電動(dòng)機(jī)、合適的皮帶松緊度、以及合理的抽汲參數(shù)組合，從而提高抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)于油田的節(jié)能降耗、原油增產(chǎn)及提高其經(jīng)濟(jì)效益都具有重要的意義。二、抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的組成及基本概念有桿抽油系統(tǒng)是由電機(jī)、抽油機(jī)、抽油桿、抽油泵、井下管柱和井口裝置組成的。抽油機(jī)井系統(tǒng)效率是抽油機(jī)井節(jié)能降耗與經(jīng)濟(jì)效益、油田技術(shù)裝備與技術(shù)管理水平等多方面的綜合反映，它主要由地面部分系統(tǒng)效率和井下部分系統(tǒng)效率組成。地面部分系統(tǒng)效率主要由電機(jī)效率、皮帶效率、減速箱效率和

3、四連桿效率四部分組成；井下部分系統(tǒng)效率主要由盤根盒效、抽油桿效率和抽油泵效率三部分組成。1.電動(dòng)機(jī)輸入功率拖動(dòng)抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)的輸入功率即為抽油機(jī)的輸入功率。根據(jù)輸入電流電壓可由下式計(jì)算輸入功率：（1） 式中，電動(dòng)機(jī)輸入功率，kW；輸入電壓，V；輸入電流，A；電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。2.電動(dòng)機(jī)輸出功率 (2)式中，電動(dòng)機(jī)輸出功率，kW；電動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速，r/min；電動(dòng)機(jī)平均輸出扭矩，N·m。 (3)式中，電動(dòng)機(jī)軸彈性模量，=2.1×1011N/m2；電動(dòng)機(jī)軸泊松比，小數(shù)；D電動(dòng)機(jī)軸直徑，m；-電動(dòng)機(jī)軸實(shí)測(cè)平均應(yīng)變值，小數(shù)。由電動(dòng)機(jī)輸出軸扭矩和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以求電動(dòng)機(jī)的輸出功率，即：

4、(4)式中，電動(dòng)機(jī)的輸出功率，kW；電動(dòng)機(jī)的輸出軸扭矩，kN·m；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；電動(dòng)機(jī)的角速度，rad/s。3.減速箱輸出功率 (5)式中，減速箱輸出功率，kW；減速箱輸出軸平均轉(zhuǎn)速，r/min；減速箱平均輸出扭矩，N·m。（1）抽油機(jī)光桿功率光桿提升液體和克服井下各種阻力所消耗的功率，可根據(jù)示功圖確定。 (6)式中，A理論懸點(diǎn)示功圖面積的大小，表示有效功，kJ；n抽油機(jī)沖次，r/min。 (7)式中，抽油機(jī)光桿功率，kW；A示功圖的面積，mm2；示功圖減程比，m/mm；示功圖力比；光桿實(shí)測(cè)平均沖次，r/min。（2）抽油機(jī)采油系統(tǒng)有效功率 (8)式中，抽油機(jī)的有

5、效功率，kW；油井理論產(chǎn)液量，t/d；油井液體密度，kg/m3；重力加速度，m/s；有效揚(yáng)程，m。有效揚(yáng)程 (9)式中，L下泵深度，m；沉沒壓力，MPa；油壓，MPa；套壓，MPa；原油密度，。油井液體密度 (10)式中，含水率，小數(shù)；油密度，kg/m3；水密度，kg/m3。三、系統(tǒng)效率的分解及主要部分的效率分析1.系統(tǒng)效率的分解抽油機(jī)井系統(tǒng)效率是指抽油系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)(一個(gè)沖程或幾個(gè)沖程周期)用于舉升液體所消耗的有用功功率與電機(jī)輸入功率的比值。其公式定義如下： （11）抽油機(jī)井系統(tǒng)效率可分解為地面效率和井下效率，即 （12）式中， 地面效率，以光桿懸繩器為界，懸繩器以上的機(jī)械傳動(dòng)效率和電機(jī)運(yùn)

6、行效率的乘積，；井下效率，以光桿懸繩器為界，懸繩器以下到抽油泵，再由抽油泵到井口的效率，。2. 主要部分的效率分析要想提高抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率可從其7個(gè)組成部分入手，但是據(jù)統(tǒng)計(jì)在能量傳動(dòng)過程中，電機(jī)效率約為60%-70%，皮帶效率為98%，減速箱效率約為90%，四連桿效率約為95%，所以在地面系統(tǒng)中，能量損失主要為電機(jī)能量的損失，而對(duì)于井下系統(tǒng)中，在目前條件下，難以準(zhǔn)確的確定摩擦力，所以對(duì)于盤根松緊度的確定只能靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，井下部分系統(tǒng)效率主要由抽油泵效率來確定。（1）電動(dòng)機(jī)的選擇電動(dòng)機(jī)的選擇主要是通過調(diào)整電機(jī)級(jí)數(shù)或皮帶輪直徑，以防止出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。電機(jī)的極數(shù)及皮帶輪直徑的確定如下： (

7、13)式中，電源頻率，我國(guó)為50Hz；電動(dòng)機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，又稱為電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，r/min；電動(dòng)機(jī)定子的磁極對(duì)數(shù)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率為： (14)式中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(又是電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速)，r/min；電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，%。 (15)式中，電動(dòng)機(jī)皮帶輪直徑，mm；抽油機(jī)減速箱大輪直徑，mm；抽油機(jī)減速箱的減速比；抽油機(jī)沖次，r/min。電動(dòng)機(jī)的額定效率約為90%左右，因此當(dāng)其工作負(fù)荷在60%100%范圍內(nèi)時(shí)，電機(jī)損耗約為10%左右。但由于有桿抽油系統(tǒng)中電機(jī)負(fù)荷的變化十分劇烈且頻繁，在抽油機(jī)的每一沖程中，電機(jī)的輸出功率都將出現(xiàn)兩次瞬時(shí)功率極大值和瞬時(shí)功率極小值，并且這兩次瞬時(shí)極大值和極小值的

8、數(shù)值并不相等，其瞬時(shí)功率極大值可能超過額定效率；而極小值一般為負(fù)值，即電動(dòng)機(jī)不僅不輸出功率，反而由抽油機(jī)拖動(dòng)而發(fā)電。因此電機(jī)的輸出功率的實(shí)際變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了60%100%的范圍，此時(shí)電機(jī)的效率降低，損耗必然增大。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)看，電機(jī)損耗有的高達(dá)30%40%，因此，它對(duì)有桿抽油系統(tǒng)效率的影響相當(dāng)大，應(yīng)努力減少這一損耗。當(dāng)抽油機(jī)效率在60%100%范圍變化時(shí)，電機(jī)效率較高。但當(dāng)電機(jī)負(fù)荷低于50%以后，電機(jī)效率將急劇下降。（2）抽油泵效率抽油泵的效率和通常所說的“泵效”是兩個(gè)不同的概念，通常所說的“泵效”實(shí)際是指泵的排量系數(shù)，抽油泵的效率是指的泵的能量效率，主要包括泵的容積效率(泵漏失的影響)、泵的水力

9、效率(進(jìn)泵流動(dòng)阻力的影響)和抽油泵的機(jī)械效率(泵筒和襯套間摩擦的影響)。抽油泵的有效功率為： (16) (17) (18)目前計(jì)算理論泵效所考慮的因素有游離氣、余隙，沖程損失(油管和抽油桿彈性伸縮)，溶解氣、泵筒間隙、凡爾漏失等。計(jì)算泵效的半經(jīng)驗(yàn)公式為： (19)游離氣影響泵的充滿系數(shù) (20) (21)式中，游離氣影響泵的充滿系數(shù)；沉沒壓力(即吸入口壓力)下氣體體積系數(shù)，從原油物性曲線上查?。缓?；原始油氣比，m3/t；吸入口壓力下的溶解油氣比，m3/t；吸入口溫度，K；氣體壓縮因子；_沉沒壓力(即吸入口壓力)，MPa。余隙(防沖距)中氣體膨脹減小活塞有效行程時(shí)的充滿系數(shù) (22)式中，余

10、隙(防沖距)中氣體膨脹減小活塞有效行程時(shí)的充滿系數(shù)；光桿沖程，m；余隙(防沖距)，m。油管及抽油桿的彈性伸縮產(chǎn)生沖程損失時(shí)的沖程效率 (23) (24)式中，油管及抽油桿彈性伸縮產(chǎn)生沖程損失時(shí)的沖程效率；流體密度，kg/m3；下泵深度，m；泵柱塞截面積，m2；鋼材彈性模量，N/cm3；抽油桿截面積，m2；油管截面積，m2。溶解氣影響泵的充滿系數(shù)。 (25)式中，溶解氣影響泵的充滿系數(shù)；沉沒壓力(即吸入口壓力)下原油體積系數(shù)，從原油物性曲線上查取。泵筒漏失影響泵的充滿系數(shù) (26)式中，泵筒漏失影響泵的充滿系數(shù)；柱塞泵在筒中偏心度的影響系數(shù)，k=0.2；泵柱塞直徑，m；動(dòng)液面深度，m；間隙長(zhǎng)度，

11、(柱塞長(zhǎng)度)，m；液體運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；抽油泵的理論排量，m3/d。凡爾漏失影響泵的充滿系數(shù)。沒有表達(dá)式，允許取平均值0.97或更低一點(diǎn)。 (27)式中，凡爾漏失影響泵的充滿系數(shù)。四、提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的措施及建議1.合理選擇電機(jī)類型由以上分析可知，地面部分的系統(tǒng)效率主要由電機(jī)的效率決定，所以對(duì)于電機(jī)的選擇尤為重要，第三部分確定了電機(jī)的選擇原則，為電機(jī)的選擇提供了科學(xué)依據(jù)。目前敖包塔作業(yè)區(qū)針對(duì)理論泵效偏低的實(shí)際，積極進(jìn)行永磁電機(jī)和低速電機(jī)的應(yīng)用，提高泵效，改善機(jī)采井泵況，提高系統(tǒng)效率。表1 各類電機(jī)應(yīng)用效果對(duì)比表 內(nèi)容項(xiàng)目電機(jī)功率（kw）臺(tái)數(shù)日產(chǎn)液(t)動(dòng)液面(m)有效功率(kw)無功功率

12、(kvar)電流(A)系統(tǒng)效率(%)日耗電(kw.h)永磁電機(jī)18.5464.0879.43.75.266.6911.5692.5低速電機(jī)151322.1880.63.815.2323.515.392.1普通電機(jī)18.5892.6875.15.0721.8329.227.95137.32.準(zhǔn)確分析泵效，及時(shí)檢、換泵目前，敖包塔作業(yè)區(qū)抽油泵排量系數(shù)偏小，對(duì)于此類井應(yīng)及時(shí)檢查抽油泵是否能夠正常工作，準(zhǔn)確分析泵效，做到及時(shí)檢、換泵。對(duì)734隊(duì)檢泵前后的10口井系統(tǒng)效率分析結(jié)果如下表，檢后這10口井平均系統(tǒng)效率為25.07%，較檢泵前提高了6.77個(gè)百分點(diǎn)。表2 敖包塔作業(yè)區(qū)734隊(duì)10口井檢泵前后系

13、統(tǒng)效率對(duì)比項(xiàng)目平衡率）%）舉升高度產(chǎn)液量（t/d）噸液百米耗電(kw/t)系統(tǒng)效率（%）節(jié)電率（%）調(diào)平衡前81.4593.13.81.4918.3調(diào)平衡后85.41082.366.11.0925.07提高值4489.262.3-0.46.7726.83.提高抽油機(jī)的平衡率工作中始終處于平衡狀態(tài)的抽油機(jī)是沒有的，因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中地層情況、油井情況及油井工作制度的改變都會(huì)破壞抽油機(jī)原來的平衡，所以在生產(chǎn)過程中應(yīng)定期檢查抽油機(jī)的平衡，并及時(shí)調(diào)整平衡率。根據(jù)眾多的實(shí)驗(yàn)可知，抽油機(jī)平衡率在85%-100%之間時(shí)，抽油機(jī)的能耗是最低的，此時(shí)抽油機(jī)處于欠平衡狀態(tài)，較過平衡時(shí)更省電。表3 敖包塔作業(yè)區(qū)734隊(duì)10口井調(diào)平衡前后系統(tǒng)效率對(duì)比項(xiàng)目平衡率）%）舉升高度產(chǎn)液量（t/d）噸液百米耗電(kw/t)系統(tǒng)效率（%）節(jié)電率（%）調(diào)平衡前65.81020.462.50.9428.94調(diào)平衡后92.51020.662.70.8731.26提高值26.70.20.2-0.072.327.4五、結(jié)論及認(rèn)識(shí)1.抽油機(jī)井系統(tǒng)效率可分解為地面效率和井下效率，地面效率主要由電機(jī)效率決定，而井下效率主要取決于抽油泵的效率。2. 在生產(chǎn)過程中地層情況、油井情況及油井工作制度的改