（机械电子工程专业论文）低渗透油田定向井有杆抽油系统效率分析研究.pdf

中文摘要 论文题目：低渗透油田定向井有杆抽油系统效率分析研究 专业：机械电子工程 硕士生：李万钟( 签名) 导师：徐建宁( 签名) 摘要 在国内外的机械采油方式中，有杆抽油是一直占绝对主导地位的人工举升方式。由 于低渗透油田渗透率低、产液量小，加之定向井井眼轨迹中井斜角和方位角的存在，应 用于低渗透油田定向井的有杆抽油系统效率普遍较低，如何提高系统效率是本文研究的 重点。 本文在对有杆抽油系统各部分效率的数学模型分析研究的基础上，给出了适用于低 渗透油田定向井有杆抽油系统的效率分析模型；进行了有杆抽油系统优化设计对效率的 改善研究和定向井中抽油杆扶正器分布对系统效率影响研究，得出了以系统效率最大为 目标函数的低渗透油田定向井有杆抽油系统优化设计模型；并根据延长低渗透油田定向 井有杆抽油系统的实际生产情况，编制了“低渗透油田定向井有杆抽油系统效率分析优 化软件 ；对延长油田甘谷驿采油厂唐1 1 4 井区定向井有杆抽油系统进行了优化设计、现 场优化调参、试验数据采集、对比分析研究等。应用效果表明，有杆抽油系统总效率优 化前后平均提高了4 8 ，平均节电率达到4 4 5 ，节电效果非常明显，可在低渗透油田 定向井推广使用。 关键词：低渗透油田定向井有杆抽油系统效率优化设计扶正器分布 论文类型：应用研究 n 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： m e c h a n i c a la n d e l e c t r o n i c e n g i n e e r i n g l iw a n z h o n g ( s i g n a t u r e 、) 瓮糊 x uj i 粕血甙s 咖a t u 叫l 岫q a b s l r a c 。i o i lp u m p i n gw i t hs u c k e rr o di sak i n do fa r t i f i c i a ll i f tm e t h o d sa l w a y sp l a y sa b s o l u t e l e a d i n gr o l e i nt h em e c h a n i c a lo i lp r o d u c t i o nm e t h o d sa th o m ea n da b r o a d g e n e r a l l y , t h e e f f i c i e n c yo fr o dp u m p i n gs y s t e mo fd i r e c t i o n a lw e l li nl o wp e r m e a b l eo i lf i e l di sl o w e r ， b e c a u s eo fl o wp e r m e a b i l i t ya n dl i q u i dp r o d u c t i o n , h o l ed e v i a t i o na n g l ea n da z i m u t h a la n g l e o f d i r e c t i o n a lw e l lt r a c k h o wt oi n c r e a s es y s t e me f f i c i e n c yi st h ek e y p o i n to f t h i st h e s i s o nt h eb a s i so fa n a l y t i c a lr e s e a r c hf o rm a t h e m a t i c a lm o d e lo f e a c hp a r te f f i c i e n c yo f r o d p u m p i n gs y s t e m , e f f i c i e n c ya n a l y t i c a lm o d e lw h i c hi s s u i t a b l ef o rd i r e c t i o n a lw e l lo fl o w p e r m e a b l eo i lf i e l d w a sp r o v i d e d ；o p t i m a ld e s i g no fr o dp u m p i n gs y s t e mf o re f f i c i e n c y i m p r o v e m e n ta n dt h ei n f l u e n c eo fc e n t r a l i z e r s d i s t r i b u t i o ni nd i r e c t i o n a lw e l lf o rs y s t e m e f f i c i e n c yw e r er e s e a r c h e d ；o p t i m a ld e s i g nm o d e lw i t ht h em o s ts y s t e me f f i c i e n c ya st h e o b j e c t i v ef u n c t i o no f r o dp u m p i n gs y s t e mo f d i r e c t i o n a lw e l li nt h el o wp e r m e a b l eo i l f i e l dw a s o b t a i n e d m o r e o v e r , b a s e do nt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o ns t a t u so fy a n c h a n go i l f i e l d ，e f f i c i e n c y a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o ns o f t w a r eo fr o dp u m p i n gs y s t e mf o rd i r e c t i o n a lw e l lo fl o w p e r m e a b i l i t yo i l f i e l dw a sp r o g r a m m e d ；a i m e da tt h ed i r e c t i o n a lw e l lo ft a n g114w e l la r e a , g a n g u y io i lp r o d u c t i o np l a n to fy a n c h a n go i l f i e l d ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n , p a r a m e t e r st u n i n go n t h es p o t ，e x p e r i m e n t a ld a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r a s t i v ea n a l y s i sw e r ep r o c e e d e d a p p l i c a t i o n s h o w st h a tt h er o dp u m p i n gs y s t e me f f i c i e n c yh a db e e ni n c r e a s e d4 8 t h a nb e f o r e a n dt h e a v e r a g ee n e r g ys a v i n gr a t er e a c h e d4 4 5 p o w e rs a v i n ge f f e c ti sv e r yo b v i o u s ，i tc o u l db e p o p u l a r i z e df o rd i r e c t i o n a lw e l lo fl o wp e r m e a b l eo i l f i e l d k e y w o r d s ：l o wp e r m e a b l eo i l f i e l d ，d i r e c t i o n a lw e n , r o dp u m p i n gs y s t e me f f i c i e n c y , o p t i m a ld e s i g n ，c e n t r a l i z e r sd i s t r i b u t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 在国内外的机械采油方式中，有杆抽油是一直占绝对主导地位的人工举升方式。据 统计，近年来我国在役的机械采油生产井数已达到1 0 多万口，有9 0 以上采用的是有 杆抽油系统，其产量约占机械采油井总产量的8 0 ，耗电量约占油田生产总耗电量的3 0 以上，能耗费用已经成为油田成本的主要因素之一【1 】【2 1 。 有杆抽油系统的系统效率是衡量有杆抽油系统性能的综合性指标，有杆抽油系统效 率的高低基本上反映了有杆抽油技术的总体水平。然而，我国有杆抽油系统的效率一般 不足3 0 ，有一些油井的系统效率甚至在5 以下。按有关资料统计，国内油田中，大 庆油田有杆抽油系统效率最高达到3 0 ，胜利油田最高达到2 4 ，整个有杆抽油系统在 生产过程中有7 0 以上的能耗做了无用功，造成大量的能量损失【3 1 。 随着石油勘探开发的不断深入，以及钻井技术水平的不断提高，国内外开始广泛采 用定向井有杆抽油方式进行采油生产。然而，由于定向井中井斜角、方位角的存在，致 使抽油杆柱在定向井井眼轨迹中的力学行为比在直井的井眼轨迹中的力学行为更加复 杂，同时伴随有横向、纵向及弯曲变形，抽油杆与油管之间的偏磨也更加严重，增加了 有杆抽油系统的功率损失，降低了系统效率。加之近年来油井工作条件开始发生变化， 从中高渗透油藏逐渐转向低渗、特低渗油藏开发，原油储层普遍呈现低渗、低压、低丰 度特征，自然产能超低，有效开发难度大等特点，使低渗透油田呈现明显的油井供液能 力不足、产液量少，系统效率更低。目前国内还没有开发出适应于低渗透油田定向井有 杆抽油系统的效率分析研究的完备技术体系，而且与理论上的有杆抽油系统效率的最大 目标值相比，目前还有比较大的提高空间。 因此根据低渗透油田定向井有杆抽油系统的实际生产情况，对其系统效率数学模型 进行分析和完善，以系统效率最大为目标函数，进行有杆抽油系统优化，优化抽汲参数 以及定向井抽油杆柱与扶正器布置设计，改善抽油杆和油管之间的偏磨状况，可以提高 定向井有杆抽油系统的稳定性和系统效率，使有杆抽油系统高效、平稳地运行，对高效 节能产业目标的实现具有现实和长远的意义。 1 2 国内外研究现状与发展趋势 1 2 1 有杆抽油系统技术装备的发展现状与趋势 有杆抽油系统技术装备包括电动机、抽油机、抽油杆、抽油泵和相关配套装置。为 使有杆抽油系统效率最大化，把采油过程中的功率损失降到最小，达到节能降耗、降低 采油成本的目的，国内外的专家学者对有杆抽油系统技术装备进行了大量的试验研究。 西安石油大学硕士学位论文 ( 1 ) 电动机 根据井场工作条件及大启动转矩的要求，国内外油田大多采用三相异步电动机作为 有杆抽油系统的驱动装置。我国有杆抽油系统通常应用转差率为3 左右的y 型电动机 作为抽油机的驱动装置，而美国油田主要应用转差率为8 左右的n e m a d 型电动机驱 动有杆抽油系统。近年来超高转差率电动机在游梁式抽油机上逐步得到应用，由于其软 特性及动能均衡作用，从而改善了抽油系统的动力性能，并可降低装机功率。 由于游梁式抽油机周期载荷波动系数较大，同时为了满足油田长期开发的需要，致 使抽油机所匹配的电动机装机功率较大，导致电动机功率利用率和运行效率较低。因此 拖动抽油机的电动机节能增效技术的研究已经引起人们的普遍重视【2 】。 ( 2 ) 抽油机 游梁式抽油机是国内外油田应用最广泛的有杆抽油设备。目前国内油田应用的游梁 式抽油机主要有：常规游梁式抽油机、异相曲柄平衡游梁式抽油机、前置型游梁式抽油 机与气平衡游梁式抽油机。其中异相曲柄平衡抽油机具有结构简单、工作可靠、动力性 能好及节能等优点。在相同条件下，异相曲柄平衡抽油机比常规游梁式抽油机节电1 5 左右，系统效率提高3 4 。 国内外采油经验表明，低渗透油田定向井有杆抽油系统采用长冲程、低冲次及合理 泵径的抽汲参数组合可明显降低抽油过程中的功率损失，提高系统效率，降低能耗成本。 因此长冲程抽油机和节能型抽油机是目前国内外抽油机的研究方向，例如我国华北油田 研制的异型游梁式抽油机具有很好的节能效果，比常规游梁式抽油机节电2 0 以上，系 统效率提高5 9 。冲程越长，冲次越低，节能效果越明显；美国l u t k i n 公司开发的 m a r k - i i 型前置式抽油机，与常规抽油机相比，减少悬点载荷1 0 ，降低悬点速度4 0 ， 平均节约电耗3 6 8 ：美国e v i 石油工具公司采用了许多特殊结构设计和新技术，研究 开发出r o t a f l e x 长冲程带传动抽油机，与常规抽油机相比，地面装备效率达到8 1 2 ， 抽油系统效率达到6 1 2 ，是目前世界最高效率抽油机【4 】【5 】。 ( 3 ) 抽油杆 抽油杆在定向井中采油时，工作条件恶劣，受力情况复杂，存在多种弯曲形式和偏 磨，在交变载荷作用下往往由于疲劳而发生破坏，因此国内外对抽油杆的研究主要集中 在强度等级和材料工艺上。油田大多应用c 级、d 级与k 级抽油杆，国内研制了d k 级 抽油杆与h 级高强度抽油杆。此外，国内外油田还研制了许多特种类型抽油杆，如玻璃 钢抽油杆、空心抽油杆、连续抽油杆、电热抽油杆、铝合金抽油杆【2 】【6 1 。 ( 4 ) 抽油泵 目前国内外油田对抽油泵的研究主要集中在以下几个方面：一是研制特殊类型的抽 油泵，例如，适应于高气油比油井抽油的防气泵、适应于稠油井抽油的抽稠油泵以及适 应于斜井、定向井抽油的斜井泵；二是采用新材料与新工艺不断提高柱塞泵筒副的耐磨 性以及提高阀组部件的可靠性，从而延长检泵周期；三是优化抽油泵的结构与结构尺寸 2 第一章绪论 以提高泵的排量系数及可靠性【2 】。为提高有杆抽油系统的效率，降低抽油泵部分的功率 损失，延长油田根据自身低渗透油田产液量低的特点，对2 8 m m 小泵径的抽油泵进行试 验研究，取得了定的成果。 ( 5 ) 相关配套装置和抽油机井的科学管理【7 】 除了对机、杆、泵的研究之外，合理应用有杆抽油系统相关配套装置、对抽油机井 进行科学管理，也是提高系统工作性能、改善系统效率重要的一环。例如在定向井抽油 杆柱上合理布置扶正器可使抽油杆处于油管中心，防止抽油杆弯曲，改善抽油杆受力状 况，减少抽油杆的振动以及杆管之间的摩擦功率损失，有效地提高系统效率；保持抽油 机较高平衡度，可减小对电机的容量需求，有利于提高电机运行效率；调整驴头、光杆 与井口的对中程度以及光杆与盘根盒的松紧度，可减少光杆与盘根盒之间的摩擦功率损 失，提高盘根盒部分效率；定期检查传动装置，传动皮带松紧要适中，随时处理减速箱 漏油，定期更换减速箱内机油，使各部件的润滑情况良好，可以提高地面传动部分的效 率；为缓解低渗透油田产液量低、供液不足的问题，正确作出油井产能预测和下泵深度 的设计，优选抽汲参数，配合采用一机多抽、间歇抽油的方式，可提高井下部分的效率。 1 2 2 有杆抽油系统效率分析优化方法的发展现状与趋势 仅对有杆抽油系统技术装备进行研究，并不能使得系统效率达到最大，尤其是近年 来低渗透油田定向井数量的增加，单是用改善系统装备以提高系统效率的方法会增加设 备的购置成本。如何在现有抽油设备的基础上，以有杆抽油系统效率最大为目标函数， 对系统进行优化设计己成为近年来国内外专家学者研究的一个重要方向。但从现场使用 情况来看，仍然存在许多问题，目前国内还没有开发出包括优化模型和分析软件在内的 完全适用于低渗透油田定向井有杆抽油系统效率分析研究的完备体系。 随着定向井有杆抽油技术的发展，s k u k a s i e w i c z 首先建立了定向井有杆抽油系统抽 油杆柱计算机仿真模型【8 】【9 1 。该模型将井眼轨迹简化成二维平面曲线，同时考虑了抽油 杆柱沿井眼轨迹轴线方向的纵向振动与抽油杆柱的横向振动。 西安理工大学的饶建华博士根据低渗透油田定向有杆抽油井生产规律，介绍了系统 动态特性和系统效率仿真预测模型，确定了系统优选综合指标以及系统优化软件框图， 实例说明了该优化调参方法和软件的实用性。并采用三次样条插值对井眼数据进行计算 机模拟，开发了可视的扶正器布置软件，可以有效减小定向井中抽油杆与油管间的摩擦 功率损失，改善了有杆抽油系统井下部分的效率【l o 】【l 。 燕山大学机械工程学院的董世民教授建立了抽油杆柱纵向振动特性分析的力学模 型，以及适应范围广的抽油泵泵阀运动规律的新模型；完善了地面驱动传动系统各节点 功率、单元平均运行效率的计算方法；建立了多相流条件下抽油机井排量系数与有效功 率的计算方法，发展了抽油机井系统效率的计算理论；开发了w i n d o w s 操作环境下的“抽 西安石油大学硕士学位论文 油机井动态参数计算仿真与系统优化设计软件 【2 】。 大庆油田有限责任公司第一采油厂的崔爱玉等，在中国石油天然气集团公司九五科 技攻关项目资助下，考虑游梁式抽油机四杆机构的传动效率对曲柄净转矩的影响，建立 了四杆机构平均运行效率的计算机仿真方法，得到四杆机构平均运行效率的计算方法， 分析研究了影响有杆抽油系统效率的因素【i2 1 。 北京烽火石油科技有限公司生产了p m t s 抽油机系统效率测试系统，该系统采用电 流、电压、电功率、功率因数、载荷、位移、液面等传感器，经过示功图诊断模块、抽 油机系统效率分析模块、液面测试模块等，能够较全面地进行系统效率分析，系统精度 电功方面可达到0 5 级，示功图方面可达到1 0 级【7 】。 我国低渗透油田定向井有杆抽油系统效率优化的研究起步较晚，但发展十分迅速， 应该在完善低渗透油田定向井有杆抽油系统效率分析模型的基础上，以系统效率最大为 目标函数，对系统进行优化设计，编制适用于低渗透油田定向井的有杆抽油系统效率分 析优化软件，提高低渗透油田定向井有杆抽油系统效率分析与优化方法的水平。 1 3 本文主要研究工作 基于西安石油大学与延长油田合作项目“低渗透油藏机采方式优选及系统效率优化 研究，针对延长低渗透油田定向井有杆抽油系统效率普遍较低的情况，本文的主要研 究工作和路线如下； ( 1 ) 对有杆抽油系统各部分效率进行分析研究，分析影响各部分效率的主要因素和功率 损失的原因，并在已有的有杆抽油系统效率分析数学模型基础上，完善适用于低渗透油 田定向井有杆抽油系统效率分析模型； ( 2 ) 以系统效率最大为目标函数，在满足油井配产要求的前提下，进行低渗透油田定向 井有杆抽油系统的优化设计研究，包括低渗透油田产能预测、下泵深度设计、抽汲参数 优选和光杆载荷分析； ( 3 ) 进行定向井抽油杆柱力学模型的分析研究，对抽油杆柱进行设计，并由定向井三维 井眼轨迹确定扶正器间距，合理布置扶正器位置，以减小抽油杆与油管之间的摩擦，提 高井下部分效率； ( 4 ) 在有杆抽油系统优化设计、杆柱组合设计以及扶正器合理布置研究的基础上，收集 延长低渗透油田定向井有杆抽油系统的生产数据及测量数据，并将其录入m i c r o s o f t a c c e s s 数据库管理系统，应用m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 6 0 编程软件平台，开发适合低渗透 油田定向井有杆抽油系统效率分析与优化软件； ( 5 ) 在延长油田甘谷驿采油厂进行有杆抽油系统效率提高现场优化、试验应用、数据采 集、优化前后效率对比分析等。 4 第二章有杆抽油系统各部分效率分析 第二章有杆抽油系统各部分效率分析 2 1 有杆抽油系统效率概述 以光杆悬绳器为界，有杆抽油系统可分为地面部分和井下部分，地面部分主要由电 动机和抽油机组成，井下部分主要由抽油杆、抽油泵、井下管柱和井口装置组成，如图 2 1 所示。对于低渗透油田定向井有杆抽油系统而言，地面部分的电动机和抽油机等装 备的效率在厂家生产时已经基本确定，没有太大的提升空间，故本文不将其不作为重点 研究对象，只进行简要的分析讨论。本文侧重于井下部分效率的提高分析研究，包括产 能预测、下泵深度设计、抽汲参数优选、抽油杆强度计算与杆柱组合设计、抽油杆扶正 器优化分布等。 图2 1 有杆抽油系统示意图 1 一电动机；2 一皮带减速箱传动装置；3 一抽油机主体； 4 一悬绳器；5 一抽油杆；6 一油管；7 抽油泵 有杆抽油系统的系统效率等于有杆抽油系统的有效功率与输入功率的比值，根据有 杆抽油系统工作的特点，可将系统效率分为两部分：地面部分效率和井下部分效率。地 面部分效率是指光杆功率与电动机输入功率的比值，井下部分效率是指有杆抽油系统有 5 西安石油大学硕士学位论文 效功率与光杆功率的比值，即 叩= 妥= 卺妾= 僻 c 2 m 。叹& 叹啦研 、 式中：只电动机输入功率，k w ； 耳光杆功率，l ( w ； 段有杆抽油系统有效功率，亦称为水功率，k w ； 地面部分效率，； ，7 # 井下部分效率，。 系统效率的详细分删1 1 如图2 2 所示。 有 杆 抽 油 系 统 效 率 ，7 电动机效率 皮带和减速箱效率 四连杆机构效率 图2 - 2 有杆抽油系统效率详细分解示意图 2 2 地面部分效率分析 由图2 - 2 可知，地面部分效率可以分解为电动机效率、皮带和减速箱效率、四连杆 机构效率三部分，即 ，7 地= p 兔p 入= k 仇仍仍 ( 2 2 ) 式中：k 有效载荷系数【1 3 】，无量纲； 编电动机效率，； 仍皮带和减速箱效率，； 编四连杆机构效率，。 。 2 2 1 电动机效率分析 因为高启动转矩系列的三相异步封闭式鼠笼型电动机具有构造简单、坚固耐用、便 于维修的特点，能够露天工作，适应井场严苛的工作环境，满足有杆抽油系统大启动转 6 地面效率 一一井下效率强 第二章有杆抽油系统各部分效率分析 矩的要求，所以国内的抽油机井通常用它作为有杆抽油系统的动力源。 l 电动机效率的数学模型 ( 1 ) 电动机输入功率( 有功功率) 电动机输入功率( 有功功率) 可用有功电度表测量，测试公式可以表示为： 只：3 6 0 0 u pxki(2-3)只= ) c l 0 式中：u 。有功电度表的计量转数，r ； k 有功电度表电流互感器的变比，无量纲； f 。转动u 。圈所用时间，s ； g 有功电度表常数，r k w h 。 ( 2 ) 电动机输出功率 电动机输出功率可由电动机输出轴扭矩和电动机转速根据式( 2 4 ) 求出。 只：丝! 兰竺( 2 4 ) 。 9 5 5 0 式中：只电动机输出功率，k w ； m “电动机输出轴扭矩，n m ； ，l i 电动机平均转速，r m i n 。 ( 5 ) 电动机效率 ：拿100rh ( 2 5 ) 2 芎 心。5 ) 2 电动机效率分析 一般地，三相异步电动机在输出功率为额定功率6 0 1 0 0 的条件下工作时，其效 率等于或略高于额定工况下的效率，但功率因数总是随输出功率的降低而减小。游梁式 抽油机工作时电动机载荷变化极大，在抽油机的每一冲程中，电机的输出功率都将出现 两次瞬时功率极大值和两次瞬时功率极小值，其瞬时功率极大值可能超过额定功率；而 极小值一般为负功率，即电动机不仅不输出功率，反而由抽油机拖动而发电。因此电动 机的效率变化极大，一般情况下大约在8 6 。9 2 之间【7 】o 由于每一台电机的额定功率和额定效率都已在铭牌上给出，其数值可参考表2 1 ， 因此只要异步电机工作时的载荷在额定功率的6 0 1 0 0 的范围内变化，就可以认为电 机的效率基本不变，约等于额定效率。 表2 - 1y 系列( ip 4 4 ) 三相异步电动机的额定功率与额定效率 额定功率，k w47 51 l1 51 8 52 23 03 74 5 额定效率， 8 7 58 68 7 8 88 9 59 09 0 5 9 1 9 2 根据以上分析可知，为了尽量减小电机的损耗，应尽可能选用额定效率高，而且高 效区范围宽的电机。所以在选择有杆抽油系统用电动机时，应要求电机生产厂家提供完 7 西安石油大学硕士学位论文 整的电机外特性曲线【1 1 。应尽量使电机工作时的平均功率达到电机额定功率的3 5 以上。 如电机工作时的负载与装机功率相比过小，则应换用额定功率较小的电机，尽量避免“大 马拉小车”的情况。 2 2 2 皮带和减速箱效率分析 皮带和减速箱一起构成有杆抽油系统的减速传动装置， 轴的动力传递和减速，是有杆抽油系统的重要组成部分。 l 皮带和减速箱效率的数学模型 p 仉= 卫x 1 0 0 罡 d 一帆2 也 x 3 。9 5 5 0 式中：只诫速箱输出功率，k w ； 减速箱输出轴平均转速，r m i r a m 。，减速箱输出轴平均扭矩，n - m 。 2 皮带部分效率分析 实现从电动机输出轴到曲柄 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 皮带传动的工作原理是靠带与轮之间的摩擦力进行动力传递，皮带传动效率是有杆 抽油系统效率中的一个重要变量，在有杆抽油系统效率计算中通常以常数处理。一般情 况下，皮带在工作过程中传动效率很高，可达9 0 以上，功率损失极小。从表2 2 中可 以看出，工程上常用的皮带的传动效率都比较高，最高可达9 8 ，即其传动损失仅2 。 在抽油机上使用窄v 联组带较之使用其他类型的皮带，损失最小。因此，在我国现有技 术条件下窄v 联组带是值得推荐的传动带【l 】【_ 7 1 。 表2 - 2 各种皮带的传动效率 皮带种类效率( ) 平带8 3 9 8 有张紧轮的平带 8 0 9 5 帘布结构 8 7 9 2 普通v 带 绳芯结构 9 2 9 6 窄v 带 9 0 9 5 多楔带 9 2 9 7 同步带 9 3 9 8 根据皮带的工作原理，可将皮带传动的功率损失分为与载荷无关的损失和与载荷有 关的损失两大类。与载荷无关的功率损失主要包括绕皮带轮的弯曲损失、进入与退出轮 槽的摩擦损失、风阻损失等；与载荷有关的功率损失主要包括弹性滑动损失、打滑损失、 皮带与轮槽间径向滑动摩擦损失等【14 1 。 第二章有杆抽油系统各部分效率分析 3 减速箱部分效率分析 在有杆抽油系统中，减速箱的功率损失主要发生在轴承和齿轮部分。 ( 1 ) 轴承部分功率损失 有杆抽油系统所使用的减速箱中有三副轴承，一般为滚动轴承。滚动轴承是将运转 的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密机械元件。滚 动轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架组成。在润滑良好的情况下，一副轴承的功 率损失约为l ，于是减速箱三副轴承的功率损失约为3 。 ( 2 ) 齿轮部分功率损失 在机械传动中，齿轮传动是应用最为广泛的一种传动形式，其基本原理是靠齿轮啮 合传递动力。减速箱中一般有三对人字齿轮，齿轮在转动时，相啮合的齿面间有相对滑 动，因此就要发生摩擦与功率损失。在齿轮啮合面间加注润滑剂可以避免金属直接接触， 减少摩擦损失。当齿轮正常工作时，一对齿轮传动功率损失约为2 ，于是抽油机减速 箱三对齿轮传动共损失6 。 所以减速箱功率的总损失为9 一1 0 ，也就是说，抽油机减速箱的传动效率约为 9 0 ，这是在润滑良好情况下的数据，如果减速箱润滑不良，减速箱部分的功率损失将 增加，效率将下降。 一般情况下，减速箱的效率波动不大，如果皮带和减速箱传动效率低于7 6 ，可认 为皮带效率低，采取张紧皮带或更换皮带的方式对此部分效率进行改善【_ 7 1 。 2 2 3 四连杆机构效率分析 1 四连杆机构效率的数学模型 仉= 与p - - - x 1 0 0 ( 2 - 8 ) 只2 淼x p x q 煳( 2 - 9 ) 6 0 1 0 0 0 式中：只光杆功率，即最，k w ； 4 实测的示功图面积，m m 2 ； p 示功仪力比，n m m ； g 示功仪横坐标比例( 减程比) ，m m m ； 刀抽油机冲次，r a i n 1 。 2 四连杆机构功率损失分析 在有杆抽油系统的四连杆机构中，共有一根钢丝绳和三副轴承，所以四连杆机构的 功率损失主要包括钢丝绳变形损失和轴承摩擦损失。 ( 1 ) 钢丝绳的变形损失 在有杆抽油系统抽油机驴头上悬挂抽油杆的钢丝绳由于悬点载荷周期变化反复被拉 9 西安石油大学硕士学位论文 伸，并且与驴头反复接触摩擦发生挤压变形，因此产生变形损失。一般情况下，钢丝绳 的变形损失约为2 ，即钢丝绳的传动效率为9 8 。 ( 2 ) 轴承摩擦损失 三副轴承的功率损失约为3 。 综合考虑钢丝绳的变形损失与轴承的摩擦损失可以看出，有杆抽油系统四连杆机构 的功率损失约为5 ，即四连杆机构的传动效率约为9 5 。如果四连杆机构的轴承润滑 不良，摩擦损失将增加，降低传动效率【l 】。 2 3 井下部分效率分析 由图2 2 可知，井下部分效率可以分解为盘根盒效率、抽油杆效率、抽油泵效率和 井下管柱效率四部分，即 巩= 碌晚= r 4xr hxr 6x r 7 ( 2 1 0 ) 式中：玑盘根盒效率，； 讯抽油杆效率，； 仇抽油泵效率，； 刀，井下管柱效率，。 因此式( 2 2 ) 可以更详细地写为： r = 刀地刁井- - - k 。7 7 l 。7 2 。7 7 3 。r 4 。7 7 5 。r 6 。7 7 ( 2 1 1 ) 低渗透油田定向井有杆抽油系统的井下部分效率普遍较低，对井下效率进行分析研 究以及如何提高井下部分的效率是本文的重点内容。 2 3 1 盘根盒效率分析 在抽油机井口处安装盘根盒的目的是为防止油气从光杆处漏失， 主要因素是盘根与光杆之间的摩擦力。 1 盘根盒效率的数学模型 仇：墨1 0 0 ：p 4 - a p 盘1 0 0 刀_ = 二= 一 只只 峨= 念 式中：只光杆经盘根盒后传给抽油杆的功率，k w ； f 光杆与盘根盒的摩擦力，n ； 1 ，光杆运动速度，i i l s ； 峨盘根盒部分的功率损失，k w 。 2 盘根盒功率损失分析 影响盘根盒效率的 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 在有杆抽油系统生产采油时，由于光杆与盘根盒中的填料有相对运动产生摩擦，因 1 0 第二章有杆抽油系统各部分效率分析 此产生功率损失。盘根盒部分的功率损失受到很多因素的影响，要准确地确定盘根盒与 光杆的摩擦力f 或盘根盒部分的功率损失蛾很困难。目前，理论计算方法只作概略估 计或定性分析之用，改善盘根盒部分的效率还是要靠对抽油机井的科学管理来进行，例 如调整光杆与井口的对中程度、选择石墨类填料材质，都可以有效降低盘根盒与光杆间 的摩擦力，减少盘根盒部分的功率损失蛾，提高盘根盒部分的效率。 2 3 2 抽油杆效率分析 在有杆抽油系统中，抽油杆是一个重要部件。通过接箍将抽油杆连接成抽油杆柱， 上经光杆连接抽油机，下接抽油泵的柱塞，是将地面抽油机驴头悬点往复运动的能量传 递给井下抽油泵的纽带。对于定向井而言，抽油杆部分的功率损失在整个有杆抽油系统 的功率损失中占有很大的比重，是对井下效率影响最大的部分，本小节只对抽油杆效率 数学模型及功率损失进行简单介绍，在第四章中对抽油杆部分进行详细分析研究。 l 抽油杆效率的数学模型 仇一p 忍6 x 1 。( 2 - 1 4 ) 圪= 只一峨 ( 2 - 1 5 ) 式中：足抽油杆的输出功率( 亦即抽油泵的输入功率) ，k w ； a p , r 抽油杆部分的功率损失，k w 。 2 抽油杆功率损失分析 由于定向井中井斜角和方位角的存在，抽油杆部分的功率损失包括抽油杆与油管间 的摩擦功率损失和抽油杆与液体摩擦的功率损失，当油井内油液粘度不高时，抽油杆与 液体间的摩擦力很小，完全可以忽略不计。对于抽油杆与油管间的摩擦功率损失，可以 通过杆柱组合设计和合理布置扶正器得到改善。 2 3 3 抽油泵效率分析 抽油泵是有杆抽油系统中的重要组成部分，沉没在井液中，通过抽油机、抽油杆传 递的动力抽吸井内液体。 l 抽油泵效率的数学模型 仇= p - 7 1 0 0 i 6 式中：只抽油泵的输出功率，k w 。 抽油泵的输出功率可用式( 2 1 7 ) 计算。 只：望! 兰丝：兰2 鲨 3 6 0 0 t 式中：q 抽油泵实际产液量，油管不漏时可按油井产液量计算，m 3 d ； ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 西安石油大学硕士学位论文 p 油井液体密度，t m 3 ； g 重力加速度，g = 9 8 m s 2 ； f 有杆抽油系统每日抽油时间，h ； 日抽油泵实际有效扬程，m 。 日，：虹二麴! 1 0 0 0 + h( 2 1 8 ) p g 式中：p 牲抽油泵排出口压力，m p a ； 服抽油泵吸入口压力，m p a ： h 抽油泵长度，1 1 1 。 p = 0 一无) 见+ 厶x 矶 ( 2 - 1 9 ) 式中：兀含水率，小数； 见油的密度，t m 3 ； 风水的密度，t m 3 。 对抽油泵效率的数学模型进行分析可知，对低渗透油田进行正确的产能预测，选择 合适的下泵深度可以增大抽油泵的输出功率只，提高抽油泵的效率。 另外，由于低渗透油田因油井供液能力不足通常采用间歇抽油的采油方式，本文对 已有的抽油泵输出功率计算模型进行了改进，增加了有杆抽油系统每日抽油时间t 这个 测试参数，更加切合低渗透油田的实际情况，对有杆抽油系统效率分析的数学模型进行 了完善。 2 抽油泵功率损失分析 抽油泵功率损失蜗包括机械摩擦损失功率峨、容积损失功率峨和水力损失功 率蛾【1 】 7 】，即 纰= 峨+ 峨+ 哦 ( 2 - 2 0 ) ( 1 ) 抽油泵机械摩擦损失功率 柱塞与泵筒之间的机械摩擦所产生的功率损失称为抽油泵的机械摩擦损失功率，一 般情况下其值较小。 ( 2 ) 抽油泵容积损失功率 柱塞与泵筒之间漏失所产生的功率损失称为抽油泵容积损失功率。抽油泵容积损失 功率与漏失量成正比，因此减少柱塞与泵筒之间的漏失，可以降低该项功率损失。 ( 3 ) 抽油泵水力损失功率 原油流经泵阀时由于水力阻力引起的功率损失称为抽油泵水力损失功率。抽油泵水 力损失功率峨与流体流经泵阀的损失压差a p 阀成正比，因此降低流体流经泵阀的损失 压差，可以降低抽油泵水力损失功率。 对于低渗透油田，由于其产液量较低，合理选择小泵径的抽油泵可以有效降低抽油 泵的功率损失，提高抽油泵部分的效率。 1 2 第二章有杆抽油系统各部分效率分析 2 3 4 井下管柱效率分析 1 井下管柱效率的数学模型 刁75 只p s x1 0 0 式中：最有杆抽油系统的有效功率，即p 水，k w 。 有杆抽油系统的有效功率的数学模型如下： p q h p g o o 3 6 0 0 t 式中：q 油井产液量，m 3 d ； 日有效扬程，m ； p 油井液体密度，v m 3 ； g 重力加速度，g = 9 8 m s 2 ； f 抽油系统每日抽油时间，h 。 h ：h l ( p r o - p 套) x 1 0 0 0 ”p xg 式中：巩油井动液面深度，m ； 鳓油井井口油管压力，m p a ； 玛油井井口套管压力，m p a 。 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 对井下管柱效率的数学模型进行分析可知，油井产液量是影响井下管柱效率重要的 因素之一。尤其对于低渗透油田，油井普遍存在产液量低，油井供液能力不足的问题， 对此，必须对油井产能作出正确预测，选择合适的下泵深度，防止干抽、空抽的现象发 生，才能从根本上提高有杆抽油系统有效功率只，进而提高系统效率。 2 井下管柱功率损失分析 井下管柱部分功率损失蝎主要包括由于油管漏失而造成的容积损失功率蛆容和原 油沿油管流动引起的水力损失功率纰束【l 】【7 1 ，即 蝎= 鹋容+ 嵋水 ( 2 2 4 ) ( 1 ) 井下管柱容积损失功率 造成井下管柱容积功率损失的原因有很多，最主要的有两个方面，一是作业质量不 高，造成油管漏失，二是由于一个冲程内，油管加载卸载各一次引起油管振动，一段时 间后造成油管螺纹等处的漏失。井下管柱容积损失功率与油管套管空间压力差和油管漏 失量成正比，因此减小油管和套管空间压力差和油管漏失，可以降低井下管柱容积功率 损失。 ( 2 ) 井下管柱水力损失功率 抽油机在上冲程时，游动凡尔关闭。这时液柱在抽油泵柱塞的提升作用下沿着油管 向上运动，与油管内壁产生摩擦，引起水力功率损失。井下管柱水力损失功率与油管中 西安石油大学硕士学位论文 沿程阻力损失成正比，因此减小油管中沿程阻力损失，可以降低井下管柱水力功率损失。 2 4 本章小结 本章首先将有杆抽油系统进行效率分解，对各部分效率的数学模型和功率损失进行 了理论分析研究，并针对低渗透油田油井供液不足，有杆抽油系统通常采用间歇抽油的 方式工作，在已有的效率数学模型基础上对其进行了完善，使其更加适用于低渗透油田 有杆抽油系统。 1 4 第三章有杆抽油系统优化设计对效率的改善研究 第三章有杆抽油系统优化设计对效率的改善研究 在采用同样抽油设备的情况下，低渗透油田定向井有杆抽油系统地面部分的效率与 常规油田相比，差别并不是很大，但是系统总效率仍然偏低，主要原因是井下部分效率 上不去。因此，必须对有杆抽油系统进行优化设计，提高井下部分效率，才能改善系统 总效率。 以系统效率最大为目标函数，油藏供液能力为依据，油藏和三抽设备的协调为基础， 抽汲参数组合及扶正器的合理布置为设计变量，对有杆抽油系统进行优化设计，可以有 效降低低渗透油田定向井有杆抽油系统井下部分的功率损失，达到提高效率的目的。 3 1 优化设计流程 以系统效率最大为目标函数，低渗透油田定向井有杆抽油系统优化设计流程如图 3 - 1 所示。 开始 上 读取油井基本参数 上 低渗透油田产能预测 0 下泵深度设计 上 选择抽油机型号和抽汲参数 上 抽油杆强度计算及杆柱组合设计 上 抽油杆扶正器合理间距布置设计 上 光杆最大载荷最小载荷分析 上 存储、输出计算结果 上 结束 图3 - 1 低渗透油田定向井有杆抽油系统优化设计流程 需要指出的是，由于有杆抽油系统的各个部件之间是相互联系、相互促进、相互制 西安石油大学硕士学位论文 约的，因此，低渗透油田定向井有杆抽油系统生产参数的优化设计不是一个一蹴而就的 过程，几乎不可能一次性地完成整个有杆抽油系统的设计优化工作，需要考虑各个部件 间的匹配性以及影响因素，对生产参数进行多次调整优化，才能使整个有杆抽油系统的 效率达到最大。 在低渗透油田定向井有杆抽油系统优化设计流程中，由于“抽油杆强度计算及杆柱 组合设计和“抽油杆扶正器合理配置间距设计”两个步骤对系统井下效率有至关重要 的影响，将在第四章中进行重点分析研究。 3 2 油井基本参数 在进行低渗透油田定向井有杆抽油系统优化设计之前，需要以下基础数据【1 6 j ： ( 1 ) 油井数据：油藏压力和温度，油井深度，套管直径，设计前油井的产量，动液面深 度( 或流压和产液指数) ，定向井井眼轨迹数据( 包括井斜角和方位角) ； ( 2 ) 原油数据：油、气、水密度，井液密度，原油饱和压力，地面脱气原油粘度，含水 率，生产气油比。 3 3 低渗透油田产能预测 低渗透油田与中、高渗透油田相比，具有渗透率低、渗流阻力大等特点，原油在地 下流动过程中存在启动压力梯度，油井流入动态有所变化，渗流为非达西渗流，其渗流 规律偏离达西定律【1 7 】，油井流入动态方程不同于常规油藏，因此准确预测低渗透油田定 向井的产能是优化油井生产系统和改善抽油系统效率的前提。 对于油、气、水三相流入动态，p e t r o b r a s 提出一种计算三相流动i p r 曲线的方法【l 8 1 。 但是由于低渗透油田在渗流过程中存在启动压力梯度，因此低渗透油田的油气水三相 i p r 曲线与常规油田有些许不同，如图3 2 所示【1 7 】【1 9 】。 井底流压 p r p h o 产液量 图3 - 2 考虑启动压力梯度的油气水三相i p r 曲线 1 6 第三章有杆抽油系统优化设计对效率的改善研究 图中：陴地层压力，m p a ； 以有效地层压力，m p a ； 径向启动压力，m p a ； 阢饱和压力，m p a ； 吼井底流压等于饱和压力时的油井产量，t d ； g d 懈油气两相i p r 曲线下的最大产油量，t d ； q t 一油气水三相i p r 曲线下的最大产液量，t d ； 一纯水i p r 曲线下的最大产水量，t d 。 曲线a 为含水率兀= 0 时的i p r 曲线，称为油气两相i p r 曲线；曲线b 为含水率 兀= 1 0 0 时的i p r 曲线，称纯水的i p r 曲线；曲线c 为某一含水率时的i p r 曲线，称 为油气水三相的i p r 曲线。 若已知井底流压加，则可按如下方法计算产液型1 7 】【2 0 】【2 1 】： ( 1 ) 当p 订p , e 时，由于低渗透油田径向启动压力的存在，有 吼= 0 ( 3 1 ) 式中：吼产液量，伽。 ( 2 ) 当a p 订p b 时，流压大于饱和压力，油藏中只有液相流动，此时渗流符合达西 定律，流量与生产压差成一次线性关系，采油指数为常量，这段i p r 曲线为直线段，有 吼= j 帆一p 订j ( 3 - 2 ) 式中：卜采液指数，t ( d m v a ) 。 ( 3 ) 当p 订 3 05 67 0 第三章有杆抽油系统优化设计对效率的改善研究 如表3 2 所示，泵径的初选应当根据设计产量