系统效率论文

1、抽油机的系统效率测试计算及优化分析 前言 有杆泵采油是世界石油工业传统的采油方式之一，也是迄今在采油工程中一直占主导地位的人工举升方式。在我国，采油生产井中大约有90%采用有杆抽油技术，随着油田开发的不断深入，有杆泵采油井所占比例还在不断增大，但是有杆泵采油是石油生产中的主要耗电的采油方式，总耗电占油田生产的1/3，目前全国约有有杆泵采油井9万多口，但系统效率一般不足40%，若系统效率提高10%，以全国9万口机采井计算，每天可节约 6.4 kW. h，因此，提高有杆泵采油井的生产管理水平，对机采井保持节能高效开采，提高企业的经济效益具有十分重要意义。抽油机系统工作时,是一个能量不断传递和转化的

2、过程,而能量的每次传递都有一定的损失。由地面供入系统的能量减去系统的各种损失,就是系统供给液体的有效能量,将液体举升至地面的有效功功率与系统输入功率的比值即为抽油机系统效率。 损失能量是系统工作时消耗的无效功率，包括地面部分的摩擦损失、电动机的热损失、井下部分的摩擦损失、水力损失、容积损失等。求出电动机、皮带、减速箱、四联杆机构等各部位的效率即可得知系统能耗状况。目前,由于有杆泵抽油系统的能耗问题日趋严重,直接影响着原油的开采成本。为了实现油井的正常生产,降低采油成本,采用节能设备并应用新技术、新方法来提高油井的系统效率越来越引起人们的重视.提高抽油机井系统效率,对油田的节能降耗、原油增产及提

3、高经济效益都具有重要意义。抽油机系统效率是衡量抽油机井能耗的重要指标,也是一项综合性计算指标,它涉及到日产液量、动液面深度、油压、套压和耗电量(电流、电压、有效功率)等多项参数。对有杆抽油系统的一些井进行分级效率测试，全面系统地分析影响有杆抽油系统效率的因素及能量在传递过程中消耗的原因,开展提高抽油系统效率研究,已成为我国降低石油开采成本,实现高效经济采油的重点研究课题之一。抽油机系统主要是指从油藏到地面分离器的整个油井生产系统,包括井筒、地面两大部分。油层是系统研究的基础,也是工程与地质的交叉点;井筒部分包含有井筒流体、油管、抽油杆、抽油泵、井下附件等;地面部分由抽油机、电动机、电力系统、出

4、油管线、油气分离系统等组成。要提高机采井系统效率，降低系统能耗，就必须使系统的两大部分相互衔接又相互协调起来,任何一部分衔接协调不好,就会影响整个系统效率的提高及节能效果。通过对机采系统的理论计算,分析了系统效率的构成及影响因素,认为地面设备、井下工具、采油管理等都不同程度地影响了机采井系统效率的提高,从而从管理和新技术运用等方面有针对性地提出了提高机采井系统效率的多项措施。第一章 系统效率计算与测试1.1定义1.1.1.有杆抽油系统包括原动机,抽油机,抽油杆,抽油泵,井下管柱和井口装置。1.1.2. 抽油机的输入功率()拖动抽油机的电动机的输入功率为抽油机的输入功率。1.1.3. 抽油机的光

5、杆功率（）光杆提升液体和克服井下各种阻力所消耗的功率为抽油机的光杆功率。抽油机系统的有效功率（）在一定的扬程下,将一定排量的井下液体提升到地面所需要的功率叫有效功率,也叫水力功率。1.1. 5有杆抽油系统效率计算抽油机的有效功率与输入功率的比值为抽油机井的系统效率,即 .式中: 机采井系统效率；抽油机有效功率,即在一定的扬程下,将一定排量的井下液体提升到地面所需要的功率；抽油机输入功率,即拖动机采设备的电动机输入功率; 抽油机井日产液量,；混合液密度,kg/； 重力加速度,m/；有效扬程,；含水率；原油密度,；水密度, ；动液面,；井口回压,P；井口套压,P；线电压,；线电流,；功率因素。1.

6、2. 效率的分解 根据抽油机系统工作的特点,要将抽油机系统的效率分为两个部分即地面效率和井下效率。以光杆悬绳器为界,悬绳器以上的机械传动效率和电机运行效率的乘积为地面效率;悬绳器以下到抽油泵,再由抽油泵到井口的效率为井下效率。即 .式中 -地面效率； -井下效率。为了对抽油机系统各部分的能量损失及分布情况进行更加深入地研究,可将以上2部分的效率进一步分解。地面部分的能量主要损失在电动机、三角带、减速箱、抽油机的连杆机构;井下部分的能量主要损失在盘根盒、抽油杆、抽油泵、管柱的摩擦中。故，进一步分解如下地面效率的分级 .式中 -电动机效率 ； -皮带和减速箱效率；-四连杆机构效率。式中 K- 有效

7、载荷系数，对于某一抽油机，基本是一定的，这时主受有效功系数的影响 -有效功系数，抽油机每个冲程所作的有效功与上行时所作功 之比值，即示功图所包含的功为，其中 =R为平衡快运动半径；Q-平衡块总重；1.2.3井下效率的分级 式中 -盘根盒效率; -抽油杆效率;-抽油泵效率; -管柱效率;上式中的各个效率又可分别表示为 ； =; =式中 -光杆盘根盒后传给抽油机的功率; -抽油泵的输入功率;-抽油泵的输出功率;-有杆抽油系统的有效功率,即于是系统总效率可由下式表达 从以上个式可看出,为了确定及分效率必须求得从电机输入到抽油机系统输出的各部分功率.第二章 测试参量与计算公式2.1分级效率测试布点布点

8、情况见图1。6，7，8，9点反映出油井及油井产液量的测试均在井口处运行。1，2-电动机输入、输出轴；3减速箱输出轴；4悬绳器；5深井泵；6，7，8，9油井动液面深度、套压、产液量。 图1 分级效率测试布点简图2.2电动机运行效率电机输入功率（有功功率）.1有功功率瞬时有功功率= .式中 -瞬时有功功率，kw; -A/D变换采集的数值量; -单位数值量所代表的有功功率，kw;平均有功功率 .式中 -平均有功功率，kw; -瞬时有功功率，kw; T -抽油机一个或几个整冲程所需时间，s.2无功功率瞬时无功功率 -瞬时无功功率，kw;-A/D变换器采集的数值量;-单位数值量所代表的无功功率，kw.平

9、均无功功率.式中 -平均电压; -瞬时电压; T-抽油机一个或几个整冲程所需时间.3功率因数 瞬时功率因数 /（+）. 平均功率因数 电机输出功率在电机输出轴处贴电阻应变片，见电机轴应变曲线记录下来，并由转速仪测试电机实际转速。则电机平均输出扭矩和功率.式中 -电机平均输出扭矩，N.M; E-电机轴弹性模量，E=2.1N/M; -电机泊松比， =0.3; D -电机轴直径，m; -实际平均应值.式中 -实测电机轴转速，r/min。知道了电机输入输出功率，即可得到电机的运行效率 .2.3皮带-减速箱效率电机输出功率即是皮带-减速箱的输入功率，其输出功率与测试技术相同，皮带-减速箱效率 =/ 。2

10、.4四连杆机构效率 在悬绳器处安装动力示功仪，测取动力示功图，则光杆功率.式中 A-示功图面积，mm -减程比，m/mm 为力比，N/mm n-光杆冲次。1/min式中 K-载荷系数2.5盘根盒效率 盘根盒耗功 . 式中 F -光杆磨檫力，N; V-光杆运动速度，m/s 盘根盒的输出功率 其效率 2.6 抽油杆效率 抽油杆地面吊重耗功 选取 CYJ10-3-26B抽油机在地面吊重不同载荷时，用电度表分别测其耗功 ，便可得到不同工况下的吊重与耗功关系曲线。利用此曲线可得到不同载荷下的抽油机地面部分耗功 。 无游动凡尔抽油机耗功 测此耗功时，抽油泵不装游动凡尔，盘根盒松开，抽油机在n=9（1/mi

11、n），s=2.662m工况下运转，测试其耗功。同时测试示功图，用示功图可算出悬点平均载荷W，求出，则抽油杆耗功应为吊重耗功与无凡尔耗功之差，即.抽油杆输出功率 其效率2.7 抽油泵效率在抽油泵的吸入和排出口分别装上正弦压力计测取压力，同时计量产液量Q，油管不漏即可认为=Q，抽油泵长度为已知，所以抽油泵有效功率 ZQ'g/86400 . Z=H。+ .式中 Z-深井泵扬程，m; Q'-泵实际排量，;-液体密度，t/m;g-重力加速度，g=9. 8m/s;H。-泵长，m;-排出口压力，MPa;-泵吸入口压力，MPa 则 深井泵效率 2.8 有效功率 用双频道回声仪测取油井动液面深度

12、H'，同时计量油井产液量Q，测取油井油压和套压，则有效功率 =HQg/86400 H-=H'十g式中 H-深井泵装置有效举升高度,m;H' -油井动液面深度，m; -油压，MPa; -套压，MPa 则 管柱效率 第三章 实例计算与结果分析3.1系统效率实例计算计算 抽油机井系统分级效率测试由两部分组成，即地面部分与井下部分，分级效率测试于2006年在采油厂二矿5队生产井上进行，测试了不同类型的抽油机及在各种参数下抽油机井的生产状况，根据其测试系统分级效率计算结果见表1。表1 抽油机井系统效率计算数据表序号井号生产参数日产液量日产油量含水%动液面油压井液密度输入功率系统效

13、率泵效1ST2-0-17056*4.2*44.714.4390.6602.60.50.91818.6437.367.92ST2-1-13356*3*2.719.71.0894.56870.50.92934.5234.0868.63ST2-1-16256*2.4*6.238.45.4185.92390.420.93943.7231.372.84ST2-1-18170*4.6*5.2103.42.079810.430.91049.615.3578.05ST2-1-19556*3*4.98.40.46294.58370.420.93977.929.9816.16ST2-2-10756*4.7*3.2

14、49.61.8896.24390.850.93246.1545.4937ST2-2-13156*3.1*4.827.61.8293.46110.70.93762.9767.952.38ST2-2-15156*3.4*3.525.41.9892.213690.420.957410.238.260.29ST2-2X8756*3*3.120.51.1794.36940.750.92934.6536.162.210STS2-1P170*4.3*3.870.93.595.15350.560.928710.2838.278.311ST3-10-19556*4.3*4.140.81.197.311110.5

15、50.921311.7337.665.33.2 各节点效率及能耗影响因素分析 3.2 .1 影响地面效率及能耗的因素分析从总的情况看 ， 测试抽油机井系统平均效率为30%多，大量能量在传递和转换过程中消耗掉了。影响地面效率的因素主要有2个,即电动机和抽油机。3.2.1.1 电动机对系统效率及能耗的影响与游梁式抽油机相匹配的是三相异步电动机,在理想情况下的效率为90%左右。据计算,其功率因数大多小于0.4,负载率不足30%,浪费电能现象严重。原因是,抽油机所用电动机的工作载荷是带冲击的周期性交变载荷,与按恒定载荷设计制造的通用电动机的工作特征不匹配。通用电动机的机械特征是在运行过程中其转速随载荷

16、变化不大,而抽油机的交变载荷增加了电动机的电能损耗,再加上选择的抽油机与实际需要不匹配,降低了整机的运行效率。电动机的负载小于额定负载工况下电动机自身运行效率低,一般运行效率在额定效率50%以下。 一般Y系列电机效率为90.5 % 94 % ; JQO2系列电机效率为85%90%,原因主要是由于装机容量过大。由于JQO2系列电机自身效率低，应选用高效的Y系列电机，并注意设计选择适宜的装机容量，一般讲应使电机负载30% 。在现场应用的大多数常规型游梁式抽油机,其工作特点是承受交变载荷,悬点运动速度和加速度的变化使载荷极不均匀,有足够的过载能力,通常所配电动机的工作能耗偏高,不平衡现象普遍存在,地

17、面系统效率偏低,用电多。异向型游梁式抽油机具有峰值扭矩低、所需电动机功率低等特点,运转时平衡效果较好。在相同的情况下,其系统效率比常规型高2 5%4 0%。前置式游梁抽油机具有平衡效果好、光杆最大载荷小、节能效果好等特点。其缺点是悬点载荷低于额定悬点载荷,造成抽油机资源的浪费,工作时前冲力大,影响机架的稳定性,使它的应用受到制约。3.2.1.2 皮带一减速箱的影响皮带一减速箱效率，又可分为皮带效率，减速箱效率，一般在92%95%之间，为91%，所以理论上应在84%86%之间。3.2.1.3 四连杆机构的影响 四连杆机构的能量损失主要为轴承、密封处的摩擦损失及钢丝绳变形损失。3.2.2 影响井下

18、效率及能耗因素分析生产井井下部分分效率其值偏低，是提高系统效率的关键所在。3.2.2.1 泵效对井下效率及能耗的影响由表1列出了井的实际排量，泵效=，经计算ST2-0-170，ST2-1-195两井 泵效偏低主要原因是深井泵充满度差及非正常漏失，这应是提高油井产量和系统效率的主攻方向之一。其次还受到有效扬程小、油井结盐、结蜡、出砂、偏磨等的影响，因而提高油井产液量、降低油井动液面以增大有效功率是提高系统效率的又一关键.泵效对井下效率的影响主要表现在:一是泵、管漏失严重影响井下效率。实际上,深井泵正常漏失量(柱塞与衬套间的设计漏失量)很小,因而它对井下效率影响很小,这里的“漏失”是指除正常漏失外

19、的所有漏失即非正常漏失。现场测试结果分析,47%的油井存在不同程度的管漏失及泵筒间隙磨大、游动凡尔、固定凡尔漏失。深井泵的非正常漏失,不仅会减少有效功率,而且将增加井下损耗,所以非正常漏失将严重影响井下效率,使之降低。二是气体影响井下效率，油井不同程度的气体影响,使得泵充满度降低,甚至气锁,影响了泵排量系数。三是供液不足影响井下效率。部分油井供液能力差,深抽措施未能及时跟上,沉没度不够,导致泵充满度降低,影响了井下效率。3.2.2.2冲次对系统效率的影响冲次较高的油井,其有效功率均偏低。冲次越高,抽油机悬点承受的动力也越大,抽油杆与液体间的粘滞阻力也越大,特别在斜井及稠油中杆管间的摩擦力及摩擦

20、次数增加,相应的损耗明显增加。一定组合材质的杆柱都有振动频率,只有抽油机冲次与该频率之才满足要求,才能达到增加活塞有效行程的目的。3.2.2.3有效扬程小对井下效率及能耗的影响ST2-1-181井液面在井口,泵的举升高度很小,从而造成有功功率的减少, 计算出的系统效率很低. 有杆抽油系统在运行过程中，其损失功率对于一定井况，机型及抽汲参数其值变化不大，由于损失功率基本一定，当水功率过底时势必造成系统效率偏低。因此提高系统效率就必须提高水功率。提高水功率需要通过提高泵效及有效扬程来实现。 有杆抽油系统的有效扬程由动液面深度、油管压力、套管压力及井液密度决定，其计算公式为： 式中-有效扬程；-动液

21、面深度； - 油管压力；-套管压力机型及抽汲参数对有效扬程没有影响。如果要提高有效扬程，必须提高动液面深度、油管压力，降低套管压力。根据有关研究表明，有效扬程不是越高越好，当泵挂深度一定时，随着有效扬程的增加，导致沉没度减小，导致泵效降低，致使产液量降低，从而影响系统效率的提高。因此针对不同的油田区块为提高抽油机井的系统效率应该确定合理的有效扬程。3.3几点认识3.3.1 测试抽油机井系统平均效率不高，大量能量在传递和转换过程中消耗掉了。3.3.2 生产井井下部分分效率偏低，是提高系统效率的关键所在。3.3.3测试抽油机井系统平均效率值较低，因而提高油井产液量、降低油井动液面以增大有效功率是提

22、高系统效率的又一关键。3.3.4 测试抽油机 井泵效偏低。主要原因是深井泵充满度差及非正常漏失，这应是提高油井产量和系统效率的主攻方向之一。3.3.5 应开展节能元件研究工作，摸索综合节能配套技术。3.4 其它因素对抽油机系统能耗损失的影响 3.4.1 电动机自损耗电动机线圈老化、绕组方式落后以及维护滞后时电机运行的机械磨损增加,造成电动机发热引起温升增加,降低了电动机的输出功率。安装电动机的额定功率过大,出现大马拉小车现象,电机实际利用功率与装机功率比值越小,则电能利用率越低。电路线损供电线路老化以及配电箱设计不合理时线损会大量增加。电动机进行电容无功功率补偿的容量值设置不合理时会出现过补或

23、欠补,为克服过补或欠补,电机运行时能耗也会增加。3.4.2 抽油机平衡度差抽油机平衡度较差时,抽油机上下行程中电动机电流峰值会增大,产生电机发电现象会造成电机负荷增加。3.4.3 光杆与盘根盒间的磨阻盘根盒起密封流体作用,现场示功图测试结果证明,盘根盒密封过紧时光杆上下行程中磨阻的增加可引起驴头悬点负荷变化12吨,为克服变化的负荷,电动机功耗会大幅上升。3.4.4 抽油杆与油管间的磨阻由于井身结构和油管杆应力变化影响,抽油杆运动时管、杆弯曲接触部位会产生摩擦阻力,电动机为克服这一阻力要消耗更多的电能。3.4.5 结盐、结蜡、出砂、偏磨的影响抽油杆柱的偏磨,油井结蜡、结盐、出砂及抽油杆的磨擦造成

24、杆柱有效功率降低,井下无功损耗增加,影响井下效率。抽油泵与活塞间的磨阻抽油泵与活塞间存在一定的滑动摩阻,砂、蜡、盐等异物会造成滑动面光洁度变差而大大增加磨阻,引起电能消耗的增加。3.4.6 管杆泵设计对井下效率的影响测试调查分析认为,从系统效率角度看,管杆泵组合存在与电机抽油机系统匹配性差的问题,甚至其本身组合也存在问题,这主要是目前管杆泵设计时目标函数是产量或管柱强度,而不是系统效率的原因。3.4.7 深井泵和油管漏失的影响深井泵与油管漏失,造成抽油机提液时液体的无效循环而引起过多的能耗浪费。3.4.8生产参数不合理的影响。管柱结构设计不合理泵径与泵深一定时,过重的杆柱设计组合会增加抽油机负

25、荷,甚至有可能缩短抽油杆的使用寿命。不合理生产参数的影响当地层能量一定时,生产参数过小,违背了效能最大化原则,生产参数过大,抽油泵泵效较低,无功损耗上升。3.4.9 地面系统生产技术配套对井下效率的影响也是极为重要的。应开展节能元件研究工作，摸索综合节能配套技术。第四章 降低抽油机井系统能耗的措施4.1 优化配置抽油设备 推广应用节能设备节能设备的应用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。节能型抽油机使净扭矩曲线变缓、波动小,生产运行平稳,节电效果好。据统计,应用节能型抽油机,能使单井系统效率提高4%10%。

26、节能型电动机主要包括超高转差率电动机、电磁调速电动机、高启动转矩电动机、永磁电机等。节能电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,实现节能。节能型配电箱,通过调压提高电动机功率利用率和无功补偿技术,达到节能效果。4.1.2提高电动机负载率 电动机低负荷率下的效率低和功率因数低是抽油机浪费电能的原因之一,电动机负载率提高7%12%,系统效率提高2%4%,当电动机负载率低于25%时,就应该考虑降低电动机的容量级别。4.1.3合理选用抽油机机型抽油机的悬点载荷状况是影响抽油机能耗的主要因素,抽油机的负载率在80%左右为最佳状态。由于油井井况多变,因此要经常

27、调节平衡,平衡度好的抽油机,在稳定生产的情况下,拖动电动机发电的情况少。4.1.4安装无功补偿装置单井功率因数补偿柜是在变压器低压侧投加电容,利用无功就地补偿装置产生的电容性电流抵消电动机感性电流。油井安装无功补偿器后,降低了线路的损耗和变压器的损耗,从而提高功率因数,提高效率,达到节电目的。 采用配套措施 为了克服气体对泵效的不良影响,根据油井产量、气油比大小及地层情况等,可以采用井下分离器、助流器等先进成熟的工艺技术,促使抽油机系统效率的提高。 应用特种材料制作的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。4.2 优化系统参数对机泵杆进行优化设计有杆抽油系统优化设计是以油层、井筒以及抽油设备(机、杆、泵)所组成的有杆抽油系统为研究对象,以油层、井筒、机杆泵三个子系统的协调为基础,合理配置生产设备和优化设计系统生产参数。该系统的优化设计是多因素的复杂系统工程,应先进行初步设计,再进行校核和调整,以达到优化设计目标。抽油机的抽汲参数包括冲