（机械电子工程专业论文）游梁式抽油系统效率分析及提高对策.pdf

摘要 提高游梁式抽油系统的效率，实现节能降耗，不仅对原油增产、原油生产成本降低 和企业经济效益的提高有重要意义，而且对缓解能源供应紧张状况也具有重要意义。 一对游梁式抽油系统效率进行了现场测试；对游梁式抽油系统各部分的效率进行了理 论分析和功率损失分析；对测试数据进行了敏感性分析，找出了油田开发后期现场生产 中影响系统效率的主要因素；对于油田开发后期，现场生产中合理的单井同耗电量、百 米吨液耗电量和泵效提出了建议；通过分析油田游梁式抽油系统现状，提出了提高系统 效率的可行性措施；进行了单井实验，并在整体配套优化试验井进行了整体配套实验； 对采取措施的效果进行了分析，提出了系统效率提高的整体方案。 在现有各种平衡测试方法调整的基础上，总结出用示功图载荷法进行平衡测试调整 以及电机额定功率选择的方法。并以此为基础，使用m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 编程 软件，开发了抽油机平衡测试调整软件，该软件具有数据输入、分析计算、平衡调整和 电机额定功率选择等功能。该软件在现场应用，取得了一定效果。 同时针对现场经常要对大量生产数据进行处理的情况，结合m i c r o s o f ta c c e s s 数据 库管理软件和m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 编程软件，通过v i s u a lb a s i c 编写数据库应 用系统的前台界面，依靠a c c e s s 的后台支持，开发了抽油机生产数据管理系统，可以方 便的进行生产数据的编辑和查询，提高了现场技术人员的工作效率，提高了生产数据的 管理水平。 关键词：游梁式抽油系统，效率，示功图，平衡，数据管理系统 e f f i c i e n c ya n a l y s i sa n d e n h a n c e m e n tc o u n t e r m e a s u r e so ft h e b e a mp u m p i n gs y s t e m z h o uc h a o ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x ux i n g p i n g a b s t r a c t e n h a n c i n ge f f i c i e n c yo ft h eb e a mp u m p i n gs y s t e ma n dd e c l i n i n gp o w e rc o n s u m p t i o n h a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o ri n c r e a s i n go i lp r o d u c t i o n ，c u t t i n gp r o d u c t i o nc o s t ，r i s i n g e c o n o m i cb e n e f i ta n dr e l i e v i n ge n e r g ys u p p l ys t r a i n e f f i c i e n c i e so ft h eb e a mp u m p i n gs y s t e mw e r et e s t e do nw e l ls i t e t h e o r e t i c a l e f f i c i e n c i e sa n dp o w e rl o s so fd i f f e r e n tp a r t so ft h eb e a mp u m p i n gs y s t e mw e r ea n a l y z e d s e n s i t i v i t yo ft h et e s td a t aw a sa n a l y z e da n dt h em a i ns y s t e me f f i c i e n c yi n f l u e n c i n gf a c t o r si n l a t e rf i e l dl i f ew e r ef o u n do u t t h ep r o p e rd a i l ye l e c t r i cp o w e rc o n s u m p t i o n ，p r o p e re l e c t r i c p o w e rc o n s u m p t i o no fo n et o no i li no n eh u n d r e dm e t e r sa n dp r o p e rp u m pe f f i c i e n c yi nl a t e r f i e l dl i f ew e r es u g g e s t e d b a s e do nt h ea c t u a l i t yo ft h eb e a mp u m p i n gs y s t e m ，w o r k a b l e c o u n t e r m e a s u r e sw e r ep u tf o r w a r d e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti ni n d i v i d u a lo i lw e l la n d o v e r a l lo p t i m i z a t i o no i lw e l l e f f e c to ft h ec o u n t e r m e a s u r e sw a se s t i m a t e da n daw h o l e p r o j e c tt oe n h a n c es y s t e me f f i c i e n c yw a sb r o u g h tf o r w a r d t h ee x i s t i n gb a l a n c et e s ta n da d j u s t m e n tt h e o r i e sw e r es u m m a r i z e d am e t h o db a s e do n i n d i c a t o rd i a g r a ma n dr o dl o a dw e r eb r o u g h tf o r w a r d t h i sm e t h o dc o u l da l s oh e l pt oc h o o s e r a t e dp o w e ro fe l e c t r i cm o t o r b a s e do nt h i sm e t h o d ，ab a l a n c i n gt e s ta n da d j u s t m e n ts o f t w a r e w a sp r o g r a m m e dw i t hm i c r o s o f tv i s u a lb a s i c t h es o f t w a r eh a sd a t ai n p u tf u n c t i o n ，a n a l y s i s f u n c t i o n ，c a l c u l a t i o nf u n c t i o n ，b a l a n c i n ga d j u s t m e n tf u n c t i o na n dr a t e dp o w e rc h o o s ef u n c t i o n i tw a su s e di nw e l ls i t ea n da c q u i r e dr e l a t i v ee f f e c t t h e r ei sag r e a tq u a n t i t yo fd a t an e e d e dt ob eh a n d l e di nw e l ls i t e i no r d e rt oe a s ew o r k l o a do ft h et e c h n i c a ls t a f f , ap r o d u c t i o nd a t am a n a g e m e n ts y s t e mw a sw o r k e do u tw h i c hc o u l d b eu s e dt oh a n d l eg r e a tq u a n t i t yo fd a t a m i c r o s o f tv i s u a lb a s i cw a su s e dt oc o m p i l ei t s f o r e g r o u n dp r o g r a ma n dm i c r o s o f ta c c e s sf o ri t sb a c k g r o u n dp r o g r a m k e yw o r d s ：b e a mp u m p i n gs y s t e m ，e f f i c i e n c y , i n d i c a t o rd i a g r a m ，b a l a n c e ，d a t a m a n a g e m e n ts y s t e m 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： ! 至2 丝 日期：刁年乡月? 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅 和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或 其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：厶7 年尹月了日 醐一口7 盯刖旧 中国石油入学( 华东) 硕上学位论文 第1 章前言 1 1 研究目的和意义 目前我国的国民经济发展迅速，能源供应紧张，采油系统效率作为衡量油田开发效 益的主要经济技术指标，近年来受到了极大的关注。根据实验井测试数据，游梁式抽油 系统的实测效率与理论效率相比，存在着很大的节能增效潜力。因此，通过测试，分析 影响游梁式抽油系统效率的主要因素，从而提出技术对策以指导实际生产，提高系统效 率实现节能降耗，不仅对原油增产、原油生产成本降低和企业经济效益的提高有重要意 义，而且对缓解能源供应紧张状况也具有重要意义。 本课题根据对游梁式抽油系统的测试和分析，开展提高系统效率的技术研究，研究 不同类型拖动装置的实际工作效率，分析找出油田开发后期，现场生产中影响系统效率 的主要因素，形成一套适合现场生产特点的系统效率计算分析方法，通过研究提高系统 效率的有效途径，找到具有可操作性的技术措施，提出提高系统效率的整体方案。 1 2 国内外研究现状 针对游梁式抽油系统的特点，现有的措施主要是从两方面着手：通过优选抽汲参 数等方法提高产液量、有效扬程，增加系统的有效功率；应用节能技术、设备等降低 能耗，减少损耗。具体说来，目前主要有以下措施： ( 1 ) 推广应用节能设备 节能设备主要包括节能型抽油机、电动机、配电箱等。 节能型抽油机主要包括异相曲柄平衡抽油机、前置式抽油机、双驴头抽油机和 渐开线抽油机等。节能型抽油机能使净扭矩曲线变缓、减小波动，生产运行平稳，节电 效果好。 国外研究和推广了许多节能降耗的抽油机，其中以美国石油公司开发的最先进。美 国c m i 公司研究开发的t o r q m a s t e r 异相型抽油机，其最大扭矩减少6 0 ，节电 1 5 - 3 5 。美国l u f k i n 公司开发的m a r v - i i 型前置式抽油机，减少悬点载荷1 0 ， 降低：悬点加速度4 0 ，平均：霄电3 6 8 。美国l u f k i n 公司丌发的a 系列前霄式平衡抽 油机，减轻质量4 0 ，缩小体积3 5 ，节电3 5 以上 1 1 。 囡内油f f l 目前使用较多的足偏罱式抽油机，该种抽油机的曲柄销与曲柄轴中心线对 第l 章前言 于曲柄自身的轴线有一个偏置角，当悬点位于上、下死点时，连杆间存在一个极位夹角， 这种结构形式使得平衡块扭矩曲线的相位提前，从而使得悬点载荷在曲柄上产生的扭矩 与平衡块在曲柄上产生的扭矩叠加后的净扭矩曲线比较平坦，因而使电动机的电流波动 减小，能量损失减小，能量损失减小，这是偏置节能的主要原因。同时因为存在着极位 角，上冲程所用时间较长，下冲程所用时间较短，上冲程时间变长既可以改善泵的充满 程度，又可以减少惯性载荷，从而可以提高系统效率，这是偏置节能的另一个原斟2 1 。 另外国内应用较多的还有双驴头抽油机，该机以常规游梁式抽油机为基础模型，并 对其四连杆机构进行了关键性变革，采用了变径圆弧形状的游梁后臂，游梁与横梁之间 采用柔性连接件等特殊结构。由于其变参数四连杆机构的作用，使其载荷扭矩的变化接 近正弦规律，与按正弦规律变化的平衡扭矩达到了较好地平衡，静扭矩波动较小，从而 达到节能的目的。由于柔性件和驴头圆弧始终相切，即它与游梁之间的夹角始终为9 0 。，从而允许游梁作大摆动，以获得长冲程3 1 。 偏轮游梁式抽油机是在普通游梁式抽油机后臂增设两根杆件，其端部分别与游梁后 端、连杆和机构铰接构成一种六连杆机构游梁抽油机。这种结构改善了游梁抽油机的平 衡效果，使减速箱输出扭矩的峰值大幅度下降，从而达到降低电机额定功率和节能的目 的。 另外，链条式抽油机、宽带式抽油机等节能型抽油机也有大量应用。 ( d 节能型电动机主要通过改善电动机的机械特性、提高电动机的负荷率和功率因 数，从而提高系统运行效率，来实现节能。主要包括超高转差率电动机、高启动转矩电 动机、永磁电机等。 超高转差率电动机通过增加转子电阻提高电机的转差率，使电机在重负荷期间速度 下降，扭矩增加；轻负荷期问速度上升，扭矩减小。该特性减小了抽油系统的最大负荷 及负荷变化范围，启动电流小，启动扭矩大，与普通电机相比，运行时电机效率和功率 因数都有所提高【4 1 。 三相永磁同步电动机采用异步启动，同步工作方式，由于转子转速与定子旋转磁场 完全同步，无转差损耗，且转子不需外加励磁电源，无励磁损耗，因此具有效率和功率 因数高且曲线平坦、启动力矩大等特点。 高启动转矩电机采用双定子结构，两转子同轴安装，两个绕组的功率不同，但转差 中国石油人学( 华东) 硕一l 学位论文 率相同。该电机启动时为双电机工作，正常运行时依据负载情况，电机额定功率自动切 换，使电机始终处在较高负载率下运行，从而提高了电机效率和功率因数，达到节电目 的【5 1 。 电磁调速电机采用电磁滑差离合器调节电机的转速来改变抽油机冲次，从而更有效 地协调供采关系。由于该电机启动速度低，因此也可降低匹配电机额定功率，达到节能 降耗电量的目的。 ( d 节能型配电箱，通过调压和变频等措施提高电动机功率利用率和进行无功补偿， 达到节能效果。 ( 2 ) 保持抽油机较高平衡度 抽油机不平衡，会造成抽油机寿命缩短、杆断、电能浪费等。平衡好的抽油机，可 减小对电动机的容量需求，有利于提高电动机运行效率。 ( 3 ) 抽油机井井口密封装置 井口密封装置俗称盘根盒，位于井口与光杆的环形空间处，用以井口密封和防喷。 目前油田现场有杆泵抽油井大都采用常规式井口密封装置，这种密封装置通过刚性连接 被固定在井口采油装置上。但是实际生产中，由于抽油机制造精度的允许误差和在恶劣 自然条件下的温度变化造成的抽油机构件变形等因素的影响，光杆对井口中心总存在一 定的偏差，造成密封圈使用寿命短、井口严重漏失，导致原油损失、井口环境污染、降 低油田生产的经济效益以及增加采油工人的劳动强度等一系列问题，对油田后期开发中 的原油增产、稳产以及提高采油经济效益和社会效益十分不利。 抽油机井口密封装置所消耗的功率虽然只占抽油机所耗功率的小部分，但随着密封 装置结构形式、密封材料、润滑条件和填料压盖加载力大小的不同而有较大的差别。软 填料材料装置的密封性能及使用寿命与其径向力的分布具有很密切的关系。摩擦系数小 的密封材料可起到降低功率消耗，具有较好的回弹性，在抽油光杆有轻微偏磨或晃动的 情况下，可以延缓泄漏时间，寿命长并且价格低廉等；耐油橡胶有较好的回弹性，价格 低，是使用最早最普遍的填料材料，但是摩擦系数较大；膨胀石墨是一种新颖的密封材 料，它具有良好的润滑性能，摩擦系数小，具有良好的导热性，但成型后回弹性能较小， 容易碎，价格比l 时油橡胶贵；碳素纤维编织填料具有较好的自润滑性和回弹性，是一种 较好的填料材料，但价格较贵，目前应用极少。根据研究表明：软硬不同的填料组合具 第1 章前占 有良好的密封效果，比如采用混装填料，耐油橡胶装两端，膨胀石墨装中间，这样既具 有较好的回弹性，又能降低功率消耗，延长使用寿命【6 1 。 ( 4 ) 应用特种抽油杆 特种抽油杆如空心杆、铝合金抽油杆、玻璃钢抽油杆、连续抽油杆、钢丝绳抽油杆 等，它们单位长度重量轻、抗拉强度高，将它们用于抽油系统，井下功率损失小，可增 加有效功率，同时对输入功率的要求也将降低。 ( 5 ) 降低抽油杆和油管之问的摩擦损失 抽油杆与油管之间的机械摩擦力取决于多种因素：如抽油杆和接箍的直径、摩擦系 数、抽油杆柱与油管柱一起动作的时间长短、二者弯曲变形的接触点的数目、油管的纵 向弯曲、井斜等因素。降低这部分能量损失有以下措施： 使用滚轮接箍。上千米抽油杆的整体柔度极大，在下冲程时处于随机弯曲状态， 在上冲程时又由于井筒本身的允许斜度，抽油杆也是在弯曲变形的情况下工作的，这些 都必然造成抽油杆接箍与油管内壁之间产生摩擦从而消耗一部分能量，使抽油机井的井 下效率降低。对于钢材来说，滑动摩擦系数为0 0 5 - - - 0 1 ，滚动摩擦系数为0 0 0 5e 7 1 ，其 摩擦系数相差一个数量级。利用这一原理，如果将接箍与油管壁的滑动摩擦变为滚动摩 擦，将会显著地降低井下能耗。 使用扶正器。在直井中造成抽油杆摩擦的因素除了局部井斜外，主要还有以下 两种变形，一是下冲程时由于抽油泵游动阀的流体阻力及柱塞副的摩擦力，二者所构成 的阻碍抽油杆柱下行的弯曲力使下部的抽油杆柱发生螺旋弯曲变形，导致紧贴油管壁的 部分发生磨损；二是当油管下部未锚定而自由悬挂时，在上冲程时泵的活塞效应，使油 管底部受到一个向上的虚拟力作用而发生螺旋弯曲变形，此时抽油杆柱因受到较大张力 而基本保持直线状态，这样就使抽油杆柱与螺旋弯曲的油管每隔一定距离就相互接触而 磨损。 目前大部分油井的油管柱下部未锚定，上述两种弯曲变形会在上下冲程中交替发生 从而造成抽油杆磨损。防止发生这两种弯曲变形的简便有效方法是在抽油杆上安装一定 数量的扶证器，用以平衡抽油杆柱的和油管柱的力使两者不再发生弯曲，达到防止磨损 的目的。 目前使用的扶j f 器还存在两个问题：一是扶f 器人多只能防止一种弯曲变形，即有 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 的扶正器只能防止下冲程的抽油杆柱弯曲变形，有的只能防止油管柱的弯曲变形。二是 扶正器的扶正范围和扶正间距大多凭经验确定，虽然有的资料给出了扶正间距的计算公 式，但间距计算只把两个扶正器间的抽油杆柱或油管柱按无重量压杆处理，而未考虑其 自重力等因素的影响，因而误差较大。再者从抽油杆柱和油管柱弯曲变形的长度和两者 要求的扶正间距来看，通常前者的弯曲变形长度和要求的扶正间距小于后者，若只扶正 前者，则两种变形长度差之间的油管柱在上冲程中没有得到扶正；若只扶正后者，则因 其扶正问距大而不能兼顾抽油杆柱弯曲的扶正【引。 ( d 安装油管锚、尾管。 国外使用拉伸式油管锚降低杆管间的摩擦损失，已经取得了明显效果，即充分使油 管拉长，而不使油管收缩 9 1 。 另外，为了防止抽油杆在下冲程时的弯曲，也可以在抽油杆的下部采用加重抽油杆， 同时为了防止油管在上冲程时发生纵向弯曲，也可以在泵下部安装足够重的尾管 ( 6 ) 提高泵效 当抽油机井工作参数选定之后，其产量的高低，决定于深井泵的工作状况，泵效越 高，油井产量越高。抽油机井泵效主要受三方面影响：抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩、 气体和充不满的影响、漏失的影响。要降低气体和充不满的影响，可以合理控制套管气， 稳定液面和产量，同时采取增加沉没度、在泵入口处安装气锚等措施；泵的漏失量会随 时间的延长而增加，可以通过改善泵的结构，提高泵的抗磨蚀性能、定期检泵等措施来 维护泵的正常工作。 国内外抽油泵种类繁多，各油田根据各自不同的情况，研制了适合不同油藏特点的 防砂卡抽油泵、抽稠泵、耐腐蚀泵等不同类型的抽油泵，满足了出砂、高气油比、稠油 防腐蚀、斜井等特殊井况需求，并向延长使用寿命、深抽、强采和提高泵效方向发展。 为提高泵效还配套了油管锚、井下油气分离器、防砂锚等井下工具。 1 3 论文的基本思路 首先对游梁式抽油系统各部分效率进行理论分析，找出影响各部分效率的主要因 素，进行各部分的功率损失分析；然后结合现场实际情况，对于油阳游梁式抽油系统现 状进行分析，提出提高系统效率的可行性措施，并在纯梁生产区块进行单井实验，同时 第1 章前言 在整体配套优化试验井进行整体配套实验。最后对采取措施的效果进行分析，提出系统 效率提高的整体方案。同时，以提高系统效率为目标，利用m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 编程软件，开发适合于现场应用的使用方便的抽油机平衡测试计算软件。最后，结合 m i c r o s o f ta c c e s s 数据库管理系统软件和m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 编程软件，开 发抽油机生产数据管理系统。 6 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 第2 章游梁式抽油系统效率计算方法及功率损失分析 2 1 游梁式抽油系统效率的计算方法 2 1 1 游梁式抽油系统效率的主要组成 抽油机系统装置由地面和井下两大部分组成，地面部分主要包括电动机、皮带与减 速箱以及四连杆机构等，井下部分主要包括抽油杆柱、深井泵以及油套管柱等。游梁式 抽油系统效率受各部件效率的影响，若能测量出或计算出关键点所消耗的能量，则可有 针对性的提出相应的措施，以提高系统效率。 目前，地面部件效率的测量点主要分布在五处：电动机输入口、电动机输出轴、减 速箱输出轴、悬绳器以及井口处。电动机输入口处主要测试有关电参数，以计算电动机 实际耗电量及电动机的功率因数；电动机输出轴处主要测试电动机输出轴的扭矩与转 速，以计算电动机输出功率；减速箱输出轴处主要测试减速箱输出轴扭矩与转速，以计 算减速箱输出功率；悬绳器处主要测试光杆示功图，以计算光杆功率；井口处主要测试 油井动液面及油井产量，以计算抽油机一深井泵装置系统的有效功率。具体说来，有以 下参量需要测试： ( 1 ) 游梁式抽油系统输入功率r ：拖动抽油机用电动机的实际输入功率。 ( 2 ) 游梁式抽油系统光杆功率r ：光杆提升液体和克服井下各种阻力所消耗的功 率。 ( 3 ) 游梁式抽油系统的有效功率r ：在有效扬程下，以一定的排量将井下液体提 升到地面所需要的功率。 ( 4 ) 游梁式抽油系统效率7 7 系统：游梁式抽油系统的有功功率与输入功率的比为系 统效率，它包括地面效率和井下效率。可按单井系统效率或区块平均效率计算。 ( 5 ) 抽油机系统的地面效率7 7 地：光杆悬绳器以上的机械传动效率和电动机运行效 率的乘积为系统地面效率。也是光杆功率与电动机输入功率的比值，或是电动机运行效 率、皮带一减数箱传动效率和四连杆机构传动效率的乘积。 ( 6 ) 电动机运行效率：电动机输出功率与输入功率的比为电动机运行效率。 ( 7 ) 皮带一减数箱传动效率7 7 应减：减数箱的输出功率与电动机的输出功率之比为 皮带一减数箱传动效率。 ( 8 ) 四连杆机构传动效率7 7 叫：光杆功率与减速箱的输h j 功率之比为四连杆机构传 第2 章游梁式抽油系统效率计算方法及功率损失分析 动效率。 ( 9 ) 抽油机系统井下效率，7 井：抽油机系统的有效功率与光杆功率之比为系统井下 效率。 2 1 2 测试参量 为了计算抽油机系统的效率，具体说来，在各部分需要测定下列参量： ( 1 ) 电动机测试参量：电动机输入功率、输出扭矩、转速、下冲程最大电流和上 冲程最大电流； ( 2 ) 减数箱测试参量：减数箱输出扭矩和转速； ( 3 ) 光杆测试参量：光杆载荷、光杆位移； ( 4 ) 井下测试参量：油井动液面； ( 5 ) 井口测试参量：油压、套压、产液量、含水率。 2 1 3 计算公式 根据抽油机系统的工作特点，将系统效率分为以下子系统效率，每个子系统效率采 用不同的计算方法。 ( 1 ) 电动机输入功率 名 ：3 6 i 0 0 n p k ( 2 - - 1 )i 龟入 n p tp 式中： 魄入电动机输入功率，k w ： 聍p 有功电能表所转的圈数，r l n 。有功电能表耗电l k w h 所转的圈数，r ( k w h ) ； t p 有功电能表旋转 p 圈所用的时问，s ； k 电流互感器变化。 ( 2 ) 电动机输出功率 只，m ：些堕( 2 - - 2 ) 1 电出 9 5 5 0 7 式中： 琉：“电动机输出功率，k w ； 即t 乜电动机平均转速，r r a i n ； 中国石油人学( 华东) 硕0 学位论文 m 电电动机平均输出扭矩，n m 。 ( 3 ) 减速器输出功率 p ：垫 1 减 9 5 5 0 式中： p a 减速器输出功率，k w ； 玎减减速器输出轴平均转速，r m i r a m 减减速器平均输出扭矩，n m 。 ( 4 ) 抽油机光杆功率 p ：兰：墨：五生 7 6 0 0 0 式中： 吮抽油机光杆功率，k w ； a 示功图的面积，n - l l r l 2 ； s a 示功图减程比，m m m ； 以示功图力比，n m m ； 咒实光杆实测平均冲程，r m i n 。 ( 5 ) 游梁式抽油系统有效功率 p ：望：丝：2 ：星 再8 6 4 0 0 式中： 略有效功率，k w ； q 油井日产液量，m 3 d ； 日有效扬程，m ； p 油井液体密度，k g m 3 ； g 重力加速度，取9 8 m s 2 。 ( 6 ) 有效扬程 h 手半 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 第2 章游梁式抽油系统效率计算方法及功率损失分析 式中： 日液动液面深度，m ； 油管压力，m p a ： 乓套管压力，m p a 。 ( 7 ) 油井液体密度 当油井液体密度未能实际测得时，可用下式近似计算： p = ( 1 一 ) p o + 尢p 。 ( 2 7 ) 式中： w 含水率； 风油的密度，k e , m 3 ； 风水的密度，k g m 3 。 ( 8 ) 单井系统效率 ，7 黝：警( 2 - - 8 ) 懒2 藏 或 刁系统2 刁电。7 7 皮减刁四r c e ( 2 - - 9 ) 2 2 游梁式抽油系统各部分的理论效率 2 2 1 电动机 对于y 系列电动机，其理论最高效率可达到为9 0 以上，而相对于- - j n 异步电动 机的额定效率，抽油机电动机的运行效率普遍较低，这主要是由于抽油机载荷不均匀和 电动机功率因数较低，以及电动机装机容量过大造成的。y 系列三相异步电机的额定效 率如表2 1 【1 0 】所示： 表2 1y 系列异步电动机的额定效率 t a b l e 2 - 1r a t e dp o w e ro fys e r i e sa s y n c h r o n o u sm o t o r 意 1 11 51 8 52 23 03 7 4 5 川步转速r m i n o ： 1 5 0 08 5 88 6 48 8 98 9 49 0 28 9 8 9 0 3 1 0 0 08 4 3 8 7 08 7 48 7 88 8 08 8 79 0 0 7 5 08 3 78 5 18 6 58 7 28 7 88 8 2 8 9 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 2 2 1 皮带一减速箱 皮带一减速箱效率刁皮减可以分解为皮带效率7 7 皮与减速箱效率7 7 减，即7 7 皮减2r 皮 7 7 减。 减速箱由三对齿轮、三对轴承组成。据资料介绍，一对齿轮的效率为9 8 ，一对轴 承的效率为9 9 7 1 ，这样，理论上：r m = ( 0 9 8 ) 3x ( o 9 9 ) 3 = 9 1 。实验数据表明，皮带 一减速箱的平均效率为7 5 2 ，从而可以推断皮带的效率：铲警2 面0 7 5 2 = 8 2 6 理论上，“d ”、“c ”型三角皮带的传动效率为8 5 - - 9 5 ，而“窄v ”联组带、齿形带 的传动效率则都在9 0 以上。由此可见，皮带传动效率的提高还存在一定的潜力。皮带 理论传动效率如表2 2 所示。 表2 2 皮带理论传动效率 t a b l e 2 - 2t h e o r e t i ct r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo fb e l t 皮带种类效率 平皮带8 3 9 8 有张紧轮的平皮带 8 0 9 5 帘布结构 8 7 9 2 普通v 型皮带 绳心结构 9 2 9 6 窄v 皮带 9 0 9 5 多楔皮带9 2 9 7 同步皮带 9 3 9 8 2 2 2 四连杆机构 抽油机四连杆机构的能量损失，主要为轴承的摩擦损失和驴头钢丝绳的变形损失。 理论上轴承和钢丝绳的效率分别为o 9 9 和0 8 8 。因此，理论上四连杆机构的效率为： 伽= ( o 9 9 ) 3 0 9 8 = 9 5 ，而实验数据表明，四连杆机构平均效率为9 0 6 。这主要是 由于抽油机的四连杆机构轴承润滑不良、调整不好等原因造成的。 2 2 3 密封盒 实验结果表明，对于橡胶密封类材料、普通密封盒、光杆三者匹配，密封盒平均消 耗的功率为o 6 6 5 k w 左右。而对于石墨类密封材料，调心密封盒、光杆三者匹配，密封 盒的平均消耗功率只有o 0 7 k w 左右【】。密封盒的消耗，主要是光杆与密封材料之问的 摩擦损失。 第2 章游梁抽油系统效率计算方法及功率损失分析 2 2 4 抽油杆柱 实验数据表明，抽油杆柱的效率为8 1 1 。据推算，一般生产井上抽油杆柱的效率 大约为7 0 左右。杆柱的能量损耗主要是抽油杆与油管之间的摩擦损失【1 2 】、抽油杆与液 体之间的摩擦损失【1 3 1 以及动态运动( 振动) 损失。 2 2 5 深井泵 深井泵的效率7 7 泉可分解为深井泵的机械效率、水力功率和容积效率等几部分【1 4 】。 就深井泵而言，机械效率和水力效率的值都比较大，且基本不变，而容积效率随着井况 变化较大。实验室内实验结果，深井泵的效率为8 1 7 ，这数值相对于生产井是很高 的，其主要原因是由于水力模型的介质为清水、粘度较小以及没有气体的影响。生产井 上由于气体、粘度等影响，使深井泵的容积效率更低。 2 2 6 管柱效率 管柱效率1 7 管柱可分解为管柱的水力效率和管柱的容积效率。液体在油管中多为层 流，以沿程损失为主，且损失较小，所以管柱的水力效率较高，因此管柱效率主要决定 于管柱的容积效率。实验室的实验结果，管柱效率为9 3 3 ，管柱效率之所以这样高， 主要是在水力模型试验井中，严格保证油管不漏。据推算，生产井上的管柱效率一般为 9 0 左右。 2 3 游梁式抽油系统各部分的功率损失分析 2 3 1 电机分析 2 3 1 1 游梁式抽油机的工作特点及其对拖动装置的要求 游梁式抽油机的运行特点是启动转矩大，在一个周期内负荷变化率大，为适应游梁 式抽油机的运行特点，所用电机应具有较高的可靠性、较长的使用寿命、较好的软启动 性能、负荷率在1 0 1 0 0 的范围内都具有较高的效率和功率因数、能够变速运转以 实现冲次的改变，使抽油泵达到较高的充满系数等特点。总之，要求电机提高运行效率 和功率因数的同时，还可根据出液量的变化选择最佳冲次，保证泵的充满系数，从而提 高油井产量，降低泵的磨损和维护费用。 2 3 1 2 拖动装置的配置原则 拖动装置的配置有以下原则可作参考： ( 1 ) 电动机运行指标合理性原则。按系统节能的要求科学合理确定电动机功率合 理配置的原则应是抽油机电动机负荷率达到0 7 0 一0 8 0 1 5 】；变压器负荷率达到7 0 1 2 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 8 0 t 1 6 】。这两个指标对于平稳运行的工作机来讲不算高，但对抽油机来讲应该说已达到 很理想程度了。 ( 2 ) 电动机拖动对象针对性分类原则。通过把抽油机井分为两类，一类是低冲次 ( 一般为3 冲m i n 以下的) 的稠油井或低产井；一类是中、高冲次( 一般为3 冲m i n 以 上的) 稀油井或较高产量井；针对不同分类来进行电机的选择。 ( 3 ) 电机配套功率向抽油机适用功率极限靠近原则。根据抽油机静止启动载荷大、 运行交变负荷变化大的特性，合理缩小配套电机功率，在满足生产要求的前提下，降低 能耗。 针对纯梁采油三矿以低冲次慢抽的稠油、低产井为主的具体情况，下面主要针对低 冲次油井的电动机配置要求进行讨论： 根据这类油井的特性，油层渗透性与流动性差，产量也相对低，一般要求这类油井 冲次在0 3 - - - 3 0 冲m i n 的范围，对于其配套的电动机有三点要求：一是转速能够适应 5 0 - - - - - 3 5 0 转m i n 的范吲1 7 】；二是对于启动困难的稠油井要求电机软启动或慢速启动，使 启动负荷和电流降低；三是通过电机软启动或慢速启动降低启动负荷的同时，也给降低 配套功率提供了条件。电动机功率降低了，配套变压器容量也会相应降低，电力系统用 电节能自然也会实现。 2 3 1 3y 系列普通电机分析 y 系列普通电机具有以下局限性：启动转矩较小、功率因数低、效率低、不能灵活 的调整冲次。因此普遍认为，抽油机工作效率不高的主要原因是其载荷特性与所用普通 三相异步电动机的工作特性不匹配： ( 1 ) 普通电机负荷率低：普通异步电机装机容量大，当电动机启动后，绝大多数 电动机都是在定速拖动方式或轻重负荷变化拖动方式下运行。这种高低功率的不平衡匹 配，使电动机长时间处于轻载和定速运行的低效利用状态，电机效率低。 ( 2 ) 普通电机功率因数低：由于抽油机负荷变化较大，电机负载率低，再加上无 功率因素补偿装置，因此抽油机电机平均功率因数普遍很低，过低的功率因数使电机无 功损耗和输电线路损耗大大增加。 y 系列普通电机的功率、效率、功率因数关系如下图2 1 所示： 第2 章游梁式抽油系统效率计算方泫及功率损失分析 1 0 0 8 功率因数 c o s 巾0 6 0 4 0 2 0 20 40 50 81 0 额定功率， 1 0 0 8 0 6 0 效率t i 4 0 2 0 图2 - 1 功率、效率、功率因数关系 f i9 2 。1r e l a t i o nc u r v eo fp o w e r , e f f i c i e n c ya n dp o w e rf a c t o r 从图中可以看出，y 系列普通电机最高效率点在8 0 额定功率附近，效率最高为 9 0 ，功率因数最高为0 8 5 。当电机轻载运行时，电机效率和功率因数非常低，效率最 低为3 0 左右，功率因数最低为0 2 以下。然而游梁式抽油机在正常运转，负荷成周期 性变化，上行程比下行程负荷高，y 系列普通电机具有硬外特性，适宜拖动均匀载荷， 不能在这种宽幅变化负荷下始终保持高效率和高功率因数的特性，造成了游梁式抽油机 系统效率普遍偏低。 2 3 1 4 新型节能电机的对比分析 游梁式抽油机的工作特点要求电机的机械特性为软特性，要求电动机的转速随负荷 大小的变化而变化，这样就可实现抽油机在每一个抽提往复中自我消减扭矩峰值，适应 游梁式抽油机的重载启动和运行过程中的载荷变化特点。当抽油杆上提载荷加重时，电 动机的转速在设定的转差率范围内自动下降，从而减小抽油杆柱的冲击应力，使抽油杆 柱弹性变形减少，抽油泵活塞的有效行程增加。同时由于转速降低，抽油泵充满系数提 高并减少泵漏，有利于增加产液量。可见，如果抽油机拖动装置得到合理的配置，不仅 可以提高地面效率，而且还会明显地改善井下抽油工况。 目前新型抽油机电动机主要从三个方面实现节能：其一，人为地改变电动机的机械 特性，主要是改变电源频率，以实现与负荷特性的柔性配合；其二，从设计上改变电动 机的机械特性，从而改善电动机与抽油机的配合；其三，提高电动机的负荷率和功率因 数。已经成功研制了超高转差率电动机、稀土永磁同步电动机、变频调速电动机、双功 率电动机、绕线式异步电动机、电动机调门i 装置和抽油机蓄能调压节能装置等。 接下来对几种新型电机进行对比和分析，在各种电动机首先要适应生产现场抽油机 静止启动载荷大、运行时交变负荷变化大的这两条实际要求的前提下，对比分析其节能 效果。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 ( 1 ) 电磁调速电机：该电机采用的配套功率般在2 2 - - , 3 0 k w ；一般来讲可实现平 滑连续性无级调速，随机调速性能较好。但其缺点是在抽油机1 冲r n i n 以下负荷较大的 低速运转时丢转严重；励磁耗电高，这种电机空载无功损耗大，一般空载电流2 2 - - 2 6 a ， 节能效果不理想；体积大、重量一般达到1 t 以上；使用一定时期后，控制开关、励磁部 分等元件易损，使用费用较高，长期使用相对故障率较高。 ( 2 ) 多极调速电机：电机极数决定转速，采用多极电机可降低转速从而实现低冲 次慢抽的效果，但极数增加其电机本身效率降低，体积大，价格高，且不能调速，是不 可取的方法，不被认可。 ( 3 ) 采用变频调速装置对电机进行平滑连续性无级调速，随机调速性能最好，适 应低速慢抽；但受野外露天的温度、湿度、风沙、雨水、人为破坏等环境与价格因素影 响，使其不能推广。 ( 4 ) 皮带轮减速和普通减速机减速，由于油井环境恶劣耐用性差不能推广。 ( 5 ) 新型机械减速与变极调速结合的变速电机：为了适应低冲次慢抽井的工况要 求，目前新研制的专用电机优势特别显著。其用在1 2 型抽油机上，配套功率可由原井 5 5 k w 恒速或3 0 k w 调速电机改变为15 - - 2 2 k w 范围，降低7 0 5 5 ；电机负荷率与 功率因数能达5 0 以上；空载电流在3 6 a 水平，带机运行电流仅9 - - - 2 8 a ，带机运行 平均电流比原井5 5 k w 恒速或3 0 k w 调速电机空载电流还低，降低功率配置效果特别明 显；从现场适应低速慢抽效果方面看，这种电机的减速机可根据油井冲次选择不同的速 比匹配，另外还设有变级变速功能，在电机功率范围允许情况下可方便现场调参。电机 体积小、重量仅达3 8 0 k g ，相比节约了大量的金属耗材。经节能部门测试节电率达1 5 4 9 水平。针对性强，性能稳定，节电率高，是目前推广价值很高的新型节能电机。 2 3 1 5 电动机变频调速节能方案探讨 交流电动机广泛应用于各行各业中，电动机消耗的电能占全国总发电量的6 0 以 上。在我国石油化工行业中，电耗约占企业总能耗的1 5 【18 1 。因此，如何降低电能消耗 是一个普遍的问题，它直接涉及到企业经济效益的好坏。目前机械采油设备使用大量的 交流异步电动机，其中有相当多的还处在非经济运行状态，浪费大量电能。丌发应用变 频调速器可以在一定程度上实现节能降耗、降低设备磨损率、延长设备寿命。 交流异步电机的转速公式 1 9 】： n - = 6 0 f ( 1 一s ) j p ( 2 1 0 ) 式中： 15 第2 章游梁式抽油系统效率计算方法及功率损失分析 珂电机转速，r m i n ； 厂频率，h z ； p 极对数； s 转差率。 由公式2 1 0 可见，转速n 与频率成正比，只要改变频率，即可改变电动机的转速， 当频率在0 一- - 5 0 h z 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变 电动机电源频率实现速度调节的。 因为石油行业使用的装置上大部分采用的电动机容量都在8 0 0 k w 以下，当电动机 的功率在8 0 0 k w 以下时，最好的方案是选用低压电机( 如国产3 8 0 v ，6 6 0 v ) ，取代原 有的高压电机，经输入降压变压器降压后，用低压变频器直接驱动电机调速。此方案性 能优越，低压变频器技术成熟，不含高压器件，维护使用方便，变频器选择余地很大， 投资最低2 0 1 ，而且由于变频调速结构简单，稳定可靠，调速精度高，启动转矩大，调速 范围广，节能显著，在石油行业具有一定的推广价值。 2 3 1 6 电动机传动损失分析 一般的异步电动机在输出功率名出为6 0 1 0 0 气n ( 气n 为额定输入功率) 的条 件下工作时，其效率等于或略高于额定工况下的效率n ，魂n 约在9 0 左右，电机损 耗约占1 0 左右。 抽油机电机负荷的变化很大而且频繁，其瞬时功率极大值可能超过气n ，极小值一 般为负功率，即电机不仅不输出功率，反而被拖动发电。也