有桿抽油系統(tǒng)-系統(tǒng)效率分析及系統(tǒng)測(cè)試與監(jiān)測(cè)

第5章系統(tǒng)效率分析及系統(tǒng)測(cè)試與監(jiān)測(cè)

ChinaUniversityofPetroleum有桿抽油系統(tǒng)第5章系統(tǒng)效率分析及系統(tǒng)測(cè)試與監(jiān)測(cè)5.1

概述5.2

系統(tǒng)效率與計(jì)算5.1概述應(yīng)用有桿抽油系統(tǒng)的目的是將地面的電能傳遞給井下液體，從而舉升井下液體。整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)，就是一個(gè)能量不斷傳遞和轉(zhuǎn)化的過(guò)程。在能量的每一次傳遞時(shí)都將損失一定的能量。從地面供入系統(tǒng)的能量扣除系統(tǒng)的各種損失以后，就是系統(tǒng)所給液體的有效能量。將液體舉升至地面的有效作功能量與系統(tǒng)輸入能量之比為抽油機(jī)系統(tǒng)效率。資料表明，我國(guó)有桿抽油系統(tǒng)效率不足20%。1992年我國(guó)在用抽油機(jī)近5×104臺(tái)，若每口抽油機(jī)井實(shí)用功率按10kW計(jì)，5×104臺(tái)抽油機(jī)一年耗電近4.26×109kW.h。若將有桿抽油系統(tǒng)效率提高到30%，每年可節(jié)電近14.8×108kW.h?？梢怨?jié)省大量能源還可以緩解油田用電緊張狀況。目前，全世界有近百萬(wàn)口抽油機(jī)井，其耗電量非常可觀，因此對(duì)有桿抽油系統(tǒng)效率的研究有重要意義。5.1概述有桿抽油系統(tǒng)的效率與油井本身的條件有密切的關(guān)系。在油井條件一定的情況下，則主要有以下三種因素的影響：1．技術(shù)裝備技術(shù)裝備對(duì)系統(tǒng)效率有一定影響。要想提高系統(tǒng)效率，就應(yīng)采用較先進(jìn)的、節(jié)能型的技術(shù)裝備，如特殊形狀的抽油機(jī)（異型抽油機(jī)等）、適應(yīng)抽油機(jī)變工況的拖動(dòng)裝置、降低抽油桿摩擦的導(dǎo)向器和高效的抽油泵等。5.1概述2．機(jī)、泵、桿設(shè)計(jì)在保證泵的吸入情況下，應(yīng)盡量減小下泵深度，同時(shí)，在保證產(chǎn)量的前提下，應(yīng)選擇較大泵徑，增加沖程并降低沖次。3．管理工作管理水平，如抽油機(jī)平衡度、驢頭與井口對(duì)中情況、井口密封盤根上緊程度、傳動(dòng)皮帶張緊程度等都會(huì)影響有桿抽油系統(tǒng)效率。

系統(tǒng)效率反映了機(jī)采井的節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益，而且也綜合地反映了油田的技術(shù)裝置、技術(shù)管理水平。5.1概述第5章系統(tǒng)效率分析及系統(tǒng)測(cè)試與監(jiān)測(cè)5.1

概述5.2

系統(tǒng)效率與計(jì)算一、定義與系統(tǒng)效率分解1．有桿抽油系統(tǒng)包括原動(dòng)機(jī)、抽油機(jī)、抽油桿、抽油泵、井下管柱和井口裝置以及油層供液系統(tǒng)。2．抽油機(jī)的輸入功率（P入）拖動(dòng)抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)的輸入功率為抽油機(jī)的輸入功率。

3．抽油機(jī)的光桿功率（P光）提升液體和克服各種阻力所消耗的功率為抽油機(jī)的光桿功率。4．抽油機(jī)系統(tǒng)的有效功率（P水）將井下液體提升到地面所需要的功率叫有效功率，也叫水功率。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算

5．有桿抽油系統(tǒng)效率

抽油機(jī)有效功率與輸入功率的比值為抽油機(jī)井系統(tǒng)效率，即：抽油機(jī)工作過(guò)程中負(fù)荷是不斷變化的，因而其瞬時(shí)輸入功率、光桿功率、輸出功率等也是不斷變化的，相應(yīng)的各種瞬時(shí)效率也是不斷變化的。為了便于研究，這里有桿抽油系統(tǒng)及各部分的效率主要是指抽油機(jī)每工作一個(gè)周期的平均效率，所采用的各種功率值，也是每一周期內(nèi)的平均功率。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算（二）效率分解抽油機(jī)系統(tǒng)的效率分為兩部分，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(jī)械傳動(dòng)效率和電機(jī)運(yùn)行效率的乘積為地面效率；懸繩器以下到抽油泵為井下效率，即：

式中η地—地面效率；

η井—井下效率。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算地面部分的能量損失發(fā)生在電動(dòng)機(jī)、皮帶和減速箱、四連桿機(jī)構(gòu)中：式中K—有效載荷系數(shù)；

η1—電動(dòng)機(jī)效率；

η2—皮帶和減速箱效率；

η3—四連桿機(jī)構(gòu)效率。

5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算由于皮帶的輸出功率（減速箱輸入功率）不便測(cè)試，因此不再進(jìn)一步將它們分開(kāi)。有效載荷系數(shù)K是由于上下沖程時(shí)四連桿機(jī)構(gòu)中能量的傳遞方向不同而引入的一個(gè)系數(shù)。各個(gè)效率又可分別表示為：5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算式中P1—電動(dòng)機(jī)輸入功率，即Pλ

，kW；

P2—電動(dòng)機(jī)輸出功率，kW；

P3—減速箱輸出功率，kW；

P4—光桿功率，即P光，kW。

井下部分能量損失在盤根盒、抽油桿、抽油泵和管柱中，因此：式中η4—盤根盒效率；

η5—抽油桿效率；

η6—抽油泵效率；

η7—管柱效率。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算式中P5—光桿經(jīng)盤根盒后傳給抽油桿的功率，kW；

P6—抽油泵的輸入功率，kW；

P7—抽油泵的輸出功率，kW；

P8—有桿抽油系統(tǒng)的有效功率，即P水，kW。各個(gè)效率又分別表示為：5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算為了確定η、η地、η井及各部分效率ηi必須求得從電機(jī)輸入到抽油機(jī)系統(tǒng)輸出的各部分功率Pi。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算二、測(cè)試參量與計(jì)算公式（一）電動(dòng)機(jī)部分電動(dòng)機(jī)的測(cè)試參量有：有功功率、無(wú)功功率、電流、電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)輸出扭矩等。1．有功功率（1）瞬時(shí)有功功率式中Pλt—瞬時(shí)有功功率，kW；

P‘—A/D變換器采集的數(shù)值量；

Kl—單位數(shù)值量所代表的有功功率，kW。

5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算

（2）平均有功功率

式中Pλa—平均有功功率，kW；

Pλt—瞬時(shí)有功功率，kW；

T—抽油機(jī)一個(gè)或幾個(gè)沖程所需要時(shí)間，s。

2．無(wú)功功率（1）瞬時(shí)無(wú)功功率

式中Wt—瞬時(shí)無(wú)功功率，kW；

K2—單位數(shù)值量所代表的無(wú)功功率，kW；

W’—A/D變換器采集的數(shù)值量。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算（2）平均無(wú)功功率

式中Wa—平均無(wú)功功率，kW；

Wt—瞬時(shí)無(wú)功功率，kW；

T—抽油機(jī)一個(gè)或幾個(gè)整沖程所需時(shí)間，s。電機(jī)的平均有功功率與平均無(wú)功功率也可以用有功電度表與無(wú)功電度表測(cè)量。這時(shí)有功功率為：

式中Up—有功表的計(jì)量轉(zhuǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)；Ki—電流互感器的變比；

t—轉(zhuǎn)動(dòng)圈所用時(shí)間，s；C1—有功表常數(shù)，r/kW.h。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算無(wú)功功率為：

式中Uw

—無(wú)功電度表轉(zhuǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)；

—電流互感器的變比；

t—轉(zhuǎn)動(dòng)圈所用時(shí)間，s；

C2—無(wú)功表常數(shù)，r/kW.h。

這樣通過(guò)測(cè)出Up、t和Uw、t即可計(jì)算Pλa與Wa。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算

3．電流（1）瞬時(shí)電流

式中It—瞬時(shí)電流，A；

I’—A/D變換器采集的數(shù)值量；

K3—單位數(shù)值量所代表的電流值，A。

（2）平均電流

式中Ia—平均電流，A；

It—瞬時(shí)電流，A；

T—抽油機(jī)一個(gè)或幾個(gè)沖程所需時(shí)間，s。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算（3）平衡度

式中B—抽油機(jī)平衡度。

4．電壓（1）瞬時(shí)電壓

式中Ut—瞬時(shí)電壓，V；

U’—A/D變換器采集的數(shù)值量；

K4—單位數(shù)值量所代表的電壓值，V。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算（2）平均電壓

式中Ua—平均電壓，V；

Ut—瞬時(shí)電壓，V；

T—抽油機(jī)一個(gè)或幾個(gè)沖程所需時(shí)間，s。

5．功率因數(shù)（1）瞬時(shí)功率因數(shù)

式中Ct—瞬時(shí)功率因數(shù)；

Pt—瞬時(shí)有功功率，kW；

Wt—瞬時(shí)無(wú)功功率，kW。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算（2）平均功率因數(shù)

式中Ca—平均功率因數(shù)；

Ct—瞬時(shí)功率因數(shù)；

T—抽油機(jī)一個(gè)或幾個(gè)整沖程所需時(shí)間，s。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算

6．電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（1）電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速

式中nt—電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，r/min；

n’—轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖數(shù)；

K5—轉(zhuǎn)速傳感器常數(shù)。（2）電動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速

式中na—電動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速，r/min；

nt—電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，r/min；

T—抽油機(jī)一個(gè)或幾個(gè)整沖程所需時(shí)間，s。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算7．電機(jī)輸出軸扭矩為了計(jì)算電動(dòng)機(jī)的效率，必須算出或測(cè)出電動(dòng)機(jī)輸出功率：

式中P2—電動(dòng)機(jī)輸出功率，kW；

Mk—電動(dòng)機(jī)輸出扭矩，N.m；

ω—電動(dòng)機(jī)角速度，rad/s。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算電動(dòng)機(jī)平均輸出功率為：

式中nla—電機(jī)平均轉(zhuǎn)速，r/min；

Mkl—電機(jī)軸平均扭矩，N.m。

電機(jī)的效率為：

5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算（二）皮帶—減速箱部分皮帶、減速箱應(yīng)當(dāng)分別測(cè)試，從而分別計(jì)算它們的效率。但由于抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)原因，單獨(dú)測(cè)試?yán)щy，將它們作為一個(gè)組件。

1．輸出軸扭矩用輸出軸扭矩計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

2．輸出軸轉(zhuǎn)速輸出軸平均轉(zhuǎn)速即抽油機(jī)的沖次可用秒表測(cè)得。

5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算（三）光桿部分光桿的測(cè)試參數(shù)有：光桿載荷、光桿位移和光桿功率。

1．光桿載荷

式中Ft—光桿載荷，kN；

F’—A/D變換器采集的數(shù)值量；

K6—單位數(shù)值所代表的光桿載荷值，kN。

2．光桿位移

式中St—光桿位移，m；

S’—A/D變換器采集的數(shù)值量；

K7—單位數(shù)值量所代表的光桿位移值，m。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算3．光桿功率

式中P4a—光桿功率，kW；

Ft—光桿載荷，kN；

St—光桿位移，m；

T—抽油機(jī)一個(gè)或幾個(gè)沖程所需時(shí)間，s。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算如果動(dòng)力儀為機(jī)械式，可用下式計(jì)算光桿功率，即：

式中示功圖面積—實(shí)測(cè)示功圖面積，mm2；

p—?jiǎng)恿x力比，N/mm；

q—?jiǎng)恿x橫坐標(biāo)比例（減程比），m/mm；

n—抽油機(jī)沖次，min-1。

抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)效率為：

5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算（四）盤根盒盤根盒的測(cè)試參數(shù)有：光桿與盤根盒的摩擦力、光桿運(yùn)動(dòng)速度。盤根和耗功用下式計(jì)算：式中F—光桿摩擦力，N；

V—光桿運(yùn)動(dòng)速度，m/s。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算（五）抽油桿部分抽油桿的測(cè)試參數(shù)為抽油桿在運(yùn)動(dòng)中的摩擦耗功（ΔP桿）。抽油桿在油管中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，抽油桿與油管之間、抽油桿與液體之間都有摩擦，損失功率為ΔP桿。則抽油桿輸出功率：

抽油桿效率可用下式計(jì)算：5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算（六）抽油泵部分抽油泵的測(cè)試參數(shù)有：抽油泵的實(shí)際產(chǎn)液量、泵的吸入壓力、抽油泵的排出壓力。抽油泵的有效功率為：

式中Q’—抽油泵實(shí)際產(chǎn)液量，m3/d；

ρ—油井液體密度，t/m3；

g—重力加速度，。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算

H’—抽油泵實(shí)際有效揚(yáng)程，m。

式中P排—抽油泵排出口壓力，MPa；

P吸—抽油泵吸入口壓力，MPa；

h—抽油泵長(zhǎng)度，m。

所以抽油泵的效率為：

5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算（七）井下管柱部分井下管柱的測(cè)試參數(shù)有：油井產(chǎn)量、油井動(dòng)液面深度等。有桿抽油系統(tǒng)的有效功率為：

式中Q—油井產(chǎn)液量，m3/d；

ρ—油井液體密度，t/m3；

g—重力加速度；

H’—有效揚(yáng)程，m。

5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算所以管柱效率為：

有桿抽油系統(tǒng)總效率等于有效功率與其輸入功率之比：

上式還可以寫成如下形式：5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算三、系統(tǒng)效率測(cè)試目前雖有一些計(jì)算有桿抽油系統(tǒng)各部分功耗的公式，但其一般誤差都很大。只有采用一定的測(cè)試儀器，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，才可能得到比較精確的耗功數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算系統(tǒng)效率。（一）各分效率的測(cè)試方法

1．測(cè)試點(diǎn)分布為了測(cè)試有桿抽油系統(tǒng)的分效率，可在整個(gè)系統(tǒng)布點(diǎn)9處，見(jiàn)下圖。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算

分級(jí)效率測(cè)試布點(diǎn)簡(jiǎn)圖5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算（1）測(cè)點(diǎn)1位于電動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸入處，在該點(diǎn)測(cè)各種電參數(shù)。用電功率表可以在1點(diǎn)測(cè)得電動(dòng)機(jī)的輸入功率。除此之外還要測(cè)輸入的電流、電壓、無(wú)功功率（功率因數(shù)cosφ）等。用最大電流比可以確定抽油機(jī)的平衡度；根據(jù)電壓是否變化，可以了解整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)程度；無(wú)功功率或功率因數(shù)則說(shuō)明所測(cè)抽油機(jī)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的影響。（2）測(cè)點(diǎn)2、3測(cè)點(diǎn)2位于電動(dòng)機(jī)輸出軸端，測(cè)點(diǎn)3位于減速箱的曲柄軸輸出端。用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀分別測(cè)2、3點(diǎn)處的扭矩，同時(shí)用轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)該兩點(diǎn)處的轉(zhuǎn)速；然后就可以分別求出電動(dòng)機(jī)的輸出功率和減速箱輸出功率。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算（3）測(cè)點(diǎn)4位于懸繩器處。用動(dòng)力儀可測(cè)得示功圖；根據(jù)示功圖面積及動(dòng)力儀的比例系數(shù)可求得光桿功率。（4）測(cè)點(diǎn)5在井下抽油泵處。在泵的吸入口和排出口分別安裝振弦壓力計(jì)，測(cè)試抽油泵吸入和排出壓力。（5）測(cè)點(diǎn)6、7、8、9四點(diǎn)都在井口處。在6點(diǎn)處用回聲儀測(cè)油井動(dòng)液面深度，在7點(diǎn)處用壓力表測(cè)套管壓力，在8點(diǎn)處用壓力表測(cè)油管壓力，9點(diǎn)為油管出口處，在該點(diǎn)用流量計(jì)測(cè)量油井產(chǎn)量Q。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算2．模擬測(cè)試根據(jù)5、6、7、8、9五點(diǎn)所測(cè)得數(shù)值，可分別求得抽油泵輸出功率和系統(tǒng)的有效功率，9個(gè)測(cè)試點(diǎn)可確定6種功率（P1、P2、P3、P4、P5、P6）。用這6種功率求全部的7個(gè)分效率是不夠的，因?yàn)榫诒P根盒的耗功和井下抽油桿耗功還是個(gè)未知數(shù)。要在直接測(cè)試P5與P6有較大的困難，為此采用模擬測(cè)試方法。測(cè)試盤根盒耗功測(cè)試是室內(nèi)完成的。用一根短管把兩個(gè)盤根盒連接起來(lái)，管上安裝有壓力管通油泵，用油泵對(duì)盤根盒加壓。光桿上貼有電阻片測(cè)出光桿的摩擦力。5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算

盤根盒耗功測(cè)試裝置簡(jiǎn)圖1—盤根盒；2—連接管；3—光桿；4—加壓管；5—壓力表5.2系統(tǒng)效率與計(jì)算3．簡(jiǎn)便測(cè)試方法在研究分析抽油機(jī)系統(tǒng)各部