有杆抽油系统-系统效率分析及系统测试与监测

第5章系统效率分析及系统测试与监测

ChinaUniversityofPetroleum有杆抽油系统第5章系统效率分析及系统测试与监测5.1

概述5.2

系统效率与计算5.1概述应用有杆抽油系统的目的是将地面的电能传递给井下液体，从而举升井下液体。整个系统工作时，就是一个能量不断传递和转化的过程。在能量的每一次传递时都将损失一定的能量。从地面供入系统的能量扣除系统的各种损失以后，就是系统所给液体的有效能量。将液体举升至地面的有效作功能量与系统输入能量之比为抽油机系统效率。资料表明，我国有杆抽油系统效率不足20%。1992年我国在用抽油机近5×104台，若每口抽油机井实用功率按10kW计，5×104台抽油机一年耗电近4.26×109kW.h。若将有杆抽油系统效率提高到30%，每年可节电近14.8×108kW.h。可以节省大量能源还可以缓解油田用电紧张状况。目前，全世界有近百万口抽油机井，其耗电量非常可观，因此对有杆抽油系统效率的研究有重要意义。5.1概述有杆抽油系统的效率与油井本身的条件有密切的关系。在油井条件一定的情况下，则主要有以下三种因素的影响：1．技术装备技术装备对系统效率有一定影响。要想提高系统效率，就应采用较先进的、节能型的技术装备，如特殊形状的抽油机（异型抽油机等）、适应抽油机变工况的拖动装置、降低抽油杆摩擦的导向器和高效的抽油泵等。5.1概述2．机、泵、杆设计在保证泵的吸入情况下，应尽量减小下泵深度，同时，在保证产量的前提下，应选择较大泵径，增加冲程并降低冲次。3．管理工作管理水平，如抽油机平衡度、驴头与井口对中情况、井口密封盘根上紧程度、传动皮带张紧程度等都会影响有杆抽油系统效率。

系统效率反映了机采井的节能与经济效益，而且也综合地反映了油田的技术装置、技术管理水平。5.1概述第5章系统效率分析及系统测试与监测5.1

概述5.2

系统效率与计算一、定义与系统效率分解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以及油层供液系统。2．抽油机的输入功率（P入）拖动抽油机的电动机的输入功率为抽油机的输入功率。

3．抽油机的光杆功率（P光）提升液体和克服各种阻力所消耗的功率为抽油机的光杆功率。4．抽油机系统的有效功率（P水）将井下液体提升到地面所需要的功率叫有效功率，也叫水功率。5.2系统效率与计算

5．有杆抽油系统效率

抽油机有效功率与输入功率的比值为抽油机井系统效率，即：抽油机工作过程中负荷是不断变化的，因而其瞬时输入功率、光杆功率、输出功率等也是不断变化的，相应的各种瞬时效率也是不断变化的。为了便于研究，这里有杆抽油系统及各部分的效率主要是指抽油机每工作一个周期的平均效率，所采用的各种功率值，也是每一周期内的平均功率。5.2系统效率与计算（二）效率分解抽油机系统的效率分为两部分，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为井下效率，即：

式中η地—地面效率；

η井—井下效率。5.2系统效率与计算地面部分的能量损失发生在电动机、皮带和减速箱、四连杆机构中：式中K—有效载荷系数；

η1—电动机效率；

η2—皮带和减速箱效率；

η3—四连杆机构效率。

5.2系统效率与计算由于皮带的输出功率（减速箱输入功率）不便测试，因此不再进一步将它们分开。有效载荷系数K是由于上下冲程时四连杆机构中能量的传递方向不同而引入的一个系数。各个效率又可分别表示为：5.2系统效率与计算式中P1—电动机输入功率，即Pλ

，kW；

P2—电动机输出功率，kW；

P3—减速箱输出功率，kW；

P4—光杆功率，即P光，kW。

井下部分能量损失在盘根盒、抽油杆、抽油泵和管柱中，因此：式中η4—盘根盒效率；

η5—抽油杆效率；

η6—抽油泵效率；

η7—管柱效率。5.2系统效率与计算式中P5—光杆经盘根盒后传给抽油杆的功率，kW；

P6—抽油泵的输入功率，kW；

P7—抽油泵的输出功率，kW；

P8—有杆抽油系统的有效功率，即P水，kW。各个效率又分别表示为：5.2系统效率与计算为了确定η、η地、η井及各部分效率ηi必须求得从电机输入到抽油机系统输出的各部分功率Pi。5.2系统效率与计算二、测试参量与计算公式（一）电动机部分电动机的测试参量有：有功功率、无功功率、电流、电压、电机转速、电机输出扭矩等。1．有功功率（1）瞬时有功功率式中Pλt—瞬时有功功率，kW；

P‘—A/D变换器采集的数值量；

Kl—单位数值量所代表的有功功率，kW。

5.2系统效率与计算

（2）平均有功功率

式中Pλa—平均有功功率，kW；

Pλt—瞬时有功功率，kW；

T—抽油机一个或几个冲程所需要时间，s。

2．无功功率（1）瞬时无功功率

式中Wt—瞬时无功功率，kW；

K2—单位数值量所代表的无功功率，kW；

W’—A/D变换器采集的数值量。5.2系统效率与计算（2）平均无功功率

式中Wa—平均无功功率，kW；

Wt—瞬时无功功率，kW；

T—抽油机一个或几个整冲程所需时间，s。电机的平均有功功率与平均无功功率也可以用有功电度表与无功电度表测量。这时有功功率为：

式中Up—有功表的计量转数，转；Ki—电流互感器的变比；

t—转动圈所用时间，s；C1—有功表常数，r/kW.h。5.2系统效率与计算无功功率为：

式中Uw

—无功电度表转数，转；

—电流互感器的变比；

t—转动圈所用时间，s；

C2—无功表常数，r/kW.h。

这样通过测出Up、t和Uw、t即可计算Pλa与Wa。5.2系统效率与计算

3．电流（1）瞬时电流

式中It—瞬时电流，A；

I’—A/D变换器采集的数值量；

K3—单位数值量所代表的电流值，A。

（2）平均电流

式中Ia—平均电流，A；

It—瞬时电流，A；

T—抽油机一个或几个冲程所需时间，s。5.2系统效率与计算（3）平衡度

式中B—抽油机平衡度。

4．电压（1）瞬时电压

式中Ut—瞬时电压，V；

U’—A/D变换器采集的数值量；

K4—单位数值量所代表的电压值，V。5.2系统效率与计算（2）平均电压

式中Ua—平均电压，V；

Ut—瞬时电压，V；

T—抽油机一个或几个冲程所需时间，s。

5．功率因数（1）瞬时功率因数

式中Ct—瞬时功率因数；

Pt—瞬时有功功率，kW；

Wt—瞬时无功功率，kW。5.2系统效率与计算（2）平均功率因数

式中Ca—平均功率因数；

Ct—瞬时功率因数；

T—抽油机一个或几个整冲程所需时间，s。5.2系统效率与计算

6．电动机转速（1）电动机瞬时转速

式中nt—电动机瞬时转速，r/min；

n’—转速传感器输出脉冲数；

K5—转速传感器常数。（2）电动机平均转速

式中na—电动机平均转速，r/min；

nt—电动机瞬时转速，r/min；

T—抽油机一个或几个整冲程所需时间，s。5.2系统效率与计算7．电机输出轴扭矩为了计算电动机的效率，必须算出或测出电动机输出功率：

式中P2—电动机输出功率，kW；

Mk—电动机输出扭矩，N.m；

ω—电动机角速度，rad/s。5.2系统效率与计算电动机平均输出功率为：

式中nla—电机平均转速，r/min；

Mkl—电机轴平均扭矩，N.m。

电机的效率为：

5.2系统效率与计算（二）皮带—减速箱部分皮带、减速箱应当分别测试，从而分别计算它们的效率。但由于抽油机的结构原因，单独测试困难，将它们作为一个组件。

1．输出轴扭矩用输出轴扭矩计算公式进行计算。

2．输出轴转速输出轴平均转速即抽油机的冲次可用秒表测得。

5.2系统效率与计算（三）光杆部分光杆的测试参数有：光杆载荷、光杆位移和光杆功率。

1．光杆载荷

式中Ft—光杆载荷，kN；

F’—A/D变换器采集的数值量；

K6—单位数值所代表的光杆载荷值，kN。

2．光杆位移

式中St—光杆位移，m；

S’—A/D变换器采集的数值量；

K7—单位数值量所代表的光杆位移值，m。5.2系统效率与计算3．光杆功率

式中P4a—光杆功率，kW；

Ft—光杆载荷，kN；

St—光杆位移，m；

T—抽油机一个或几个冲程所需时间，s。5.2系统效率与计算如果动力仪为机械式，可用下式计算光杆功率，即：

式中示功图面积—实测示功图面积，mm2；

p—动力仪力比，N/mm；

q—动力仪横坐标比例（减程比），m/mm；

n—抽油机冲次，min-1。

抽油机四连杆机构效率为：

5.2系统效率与计算（四）盘根盒盘根盒的测试参数有：光杆与盘根盒的摩擦力、光杆运动速度。盘根和耗功用下式计算：式中F—光杆摩擦力，N；

V—光杆运动速度，m/s。5.2系统效率与计算（五）抽油杆部分抽油杆的测试参数为抽油杆在运动中的摩擦耗功（ΔP杆）。抽油杆在油管中往复运动，抽油杆与油管之间、抽油杆与液体之间都有摩擦，损失功率为ΔP杆。则抽油杆输出功率：

抽油杆效率可用下式计算：5.2系统效率与计算（六）抽油泵部分抽油泵的测试参数有：抽油泵的实际产液量、泵的吸入压力、抽油泵的排出压力。抽油泵的有效功率为：

式中Q’—抽油泵实际产液量，m3/d；

ρ—油井液体密度，t/m3；

g—重力加速度，。5.2系统效率与计算

H’—抽油泵实际有效扬程，m。

式中P排—抽油泵排出口压力，MPa；

P吸—抽油泵吸入口压力，MPa；

h—抽油泵长度，m。

所以抽油泵的效率为：

5.2系统效率与计算（七）井下管柱部分井下管柱的测试参数有：油井产量、油井动液面深度等。有杆抽油系统的有效功率为：

式中Q—油井产液量，m3/d；

ρ—油井液体密度，t/m3；

g—重力加速度；

H’—有效扬程，m。

5.2系统效率与计算所以管柱效率为：

有杆抽油系统总效率等于有效功率与其输入功率之比：

上式还可以写成如下形式：5.2系统效率与计算三、系统效率测试目前虽有一些计算有杆抽油系统各部分功耗的公式，但其一般误差都很大。只有采用一定的测试仪器，在现场进行实测，才可能得到比较精确的耗功数据，进而计算系统效率。（一）各分效率的测试方法

1．测试点分布为了测试有杆抽油系统的分效率，可在整个系统布点9处，见下图。5.2系统效率与计算

分级效率测试布点简图5.2系统效率与计算（1）测点1位于电动机动力输入处，在该点测各种电参数。用电功率表可以在1点测得电动机的输入功率。除此之外还要测输入的电流、电压、无功功率（功率因数cosφ）等。用最大电流比可以确定抽油机的平衡度；根据电压是否变化，可以了解整个系统的平稳程度；无功功率或功率因数则说明所测抽油机系统对整个供电系统的影响。（2）测点2、3测点2位于电动机输出轴端，测点3位于减速箱的曲柄轴输出端。用动态应变仪分别测2、3点处的扭矩，同时用转速计测该两点处的转速；然后就可以分别求出电动机的输出功率和减速箱输出功率。5.2系统效率与计算（3）测点4位于悬绳器处。用动力仪可测得示功图；根据示功图面积及动力仪的比例系数可求得光杆功率。（4）测点5在井下抽油泵处。在泵的吸入口和排出口分别安装振弦压力计，测试抽油泵吸入和排出压力。（5）测点6、7、8、9四点都在井口处。在6点处用回声仪测油井动液面深度，在7点处用压力表测套管压力，在8点处用压力表测油管压力，9点为油管出口处，在该点用流量计测量油井产量Q。5.2系统效率与计算2．模拟测试根据5、6、7、8、9五点所测得数值，可分别求得抽油泵输出功率和系统的有效功率，9个测试点可确定6种功率（P1、P2、P3、P4、P5、P6）。用这6种功率求全部的7个分效率是不够的，因为井口盘根盒的耗功和井下抽油杆耗功还是个未知数。要在直接测试P5与P6有较大的困难，为此采用模拟测试方法。测试盘根盒耗功测试是室内完成的。用一根短管把两个盘根盒连接起来，管上安装有压力管通油泵，用油泵对盘根盒加压。光杆上贴有电阻片测出光杆的摩擦力。5.2系统效率与计算

盘根盒耗功测试装置简图1—盘根盒；2—连接管；3—光杆；4—加压管；5—压力表5.2系统效率与计算3．简便测试方法在研究分析抽油机系统各部