抽油机系统效率分析

抽油机井系统优化抽油机井系统优化

1、系统效率的定义

抽油机井系统效率是指地面电能传递给井下液体，将液体举升到地面的有效做功能量与系统输入能量之比。即：抽油机井系统的有效功率Ne与输入功率Ni之比。η＝Ne/Ni×100％（1）．抽油机井的输入功率Ni

拖动抽油系统的电动机的输入功率为抽油井的输入功率。Ni＝3600npk

k1/(nwtp)（2）式中Ni－抽油机井输入功率，kW；np－有功电能表所转的圈数，r；k—电流互感器变比，常数；k1－电压互感器变比，常数；nw－有功电能表耗电为1kW．h时所转的圈数，r／(kW．h)；tp－有功电能表转np圈所用的时间，s。（2）．抽油机井的有效功率Ne

抽油井口的实际有效功率，又称水功率。Ne＝QHρmg/86400kW（3）式中Q－油井实际产混合液量，m3／d；H－有效举升高度，m；ρm－油管内混合液相对密度，103kg／m3。ρm＝0.66(1-0.1402fw)-2.75（4）fw－抽油井的含水率，％。有效举升高度H由下式计算：H＝Hd+102(pt--PC)/ρm（5）式中Hd－抽油机井的动液面深度，m；pt－井口油压，MPa；PC－井口套压，MPa。实用的系统效率计算公式：实用的系统效率计算公式：η＝（6）2、抽油机井系统效率分析（一）系统效率的分解系统效率分为地面效率和井下效率，以光杆悬绳器为界，悬绳器以上为地面效率，悬绳器以下为井下效率。可表示为η＝ηsηw（7）式中ηs-－抽油系统的地面效率；

ηw－抽油系统的井下效率。抽油机井系统效率具体分解见图1。图1系统效率分解图1．电动机效率η1电动机输出功率与输入功率的比值为电动机效率，一般电机铭牌上标的电动机效率是在负载率高于60％的情况下的数据。电动机主要功率损失包括：基本铜损，铁芯损耗，通风系统损耗及轴承摩擦损耗等。2．皮带—减速箱传动效率η2减速箱的输出功率与电动机输出功率之比为皮带—减速箱传动效率。皮带造成的功率损失为皮带与轮槽的摩擦损失和打滑损失；减速箱造成的功率损失为轴承损失和齿轮损失。3．四连杆机构传动效率η3光杆功率与减速箱输出功率之比为四连杆机构传动效率。主要的功率损失为轴承损失和钢丝绳的变形损失。4．盘根盒的效率η4盘根盒输出功率与光杆功率之比为盘根盒的效率。其主要的功率损失为光杆与盘根盒中填料摩擦损失，不同的填料擦力相差10倍。5．抽油杆效率η5抽油杆输出功率与盘根盒输出功率之比为抽油杆效率。其主要的功率损失为抽油杆与油管的摩擦损失、抽油杆与液体之间的摩擦损失、杆柱弹性伸缩损失。6．抽油泵效率η6抽油泵的输出功率与抽油杆输出功率之比为抽油泵效率。其主要的功率损失为抽油泵柱塞与衬套之间的摩擦损失、泵漏失损失(又称容积损失)，原油流经泵阀时由于水力阻力引起的功率损失(又称水力损失)。7．管柱效率η7抽油系统的有效功率与抽油泵输出功率之比为管柱效率。其主要的功率损失为油管漏失损失，液体与油管内壁产生的摩擦损失，油管弹性伸缩损失。抽油系统的总效率为η＝ηsηw＝η1η2η3η4η5η6η7（8）3、有杆抽油系统效率最大目标值分析（1）．地面效率的最大目标值抽油机系统由电动机、皮带轮、减速器(由3副齿轮和3副轴承组成)和四连杆机构(由3副轴承和钢丝绳组成)组成。查有关的机械工程手册，电动机最大效率达95％，但是由于抽油机载荷的不均匀及电动机功率因数较低等原因造成抽油系统的电动机效率最大只能达到η1＝80％。皮带轮的效率η胶＝90％，齿轮的传递效率η齿＝98％(3副)，轴承的效率η轴＝99％(3副)，皮带轮—减速器的效率可表示为η2＝η胶η齿3η轴3＝90％×(98％)3×(99％)3＝82％抽油机四连杆机构的效率主要是受轴承摩擦损失和驴头钢丝绳变形损失的影响，轴承效率取η轴＝99％(3副)，钢丝绳效率取η绳＝98％，故四连杆机构效率可表示为η3＝η轴3η绳＝(99％)3×98％＝95％于是，地面效率最大目标值表示为ηs=η1η2η3＝80％×82％×95％＝62％（2）．井下效率的最大目标值

据前所述，抽油系统的井下效率可表示为盘根盒效率、抽油杆柱效率、抽油泵效率和油管效率的乘积，有石墨润滑时，盘根盒效率η4＝90％，抽油杆柱效率η5＝90％，抽油泵效率η6＝80％，油管柱效率η7＝95％。井下效率最大目标值为ηw＝η4η5η6η7＝90％×90％×80％×95％＝62％（3）．整个系统效率的最大目标值有杆抽油系统效率的最大目标值ηmaxηmax＝ηsηw＝62％×62％＝38.4％综上所述，有杆抽油系统的最大目标只有38．4％。4、抽油机井系统效率计算方法

（一）常规法：实用的系统效率计算公式：η＝（6）4、抽油机井系统效率计算方法抽油机井在生产过程中，生产情况复杂，比如油井地层压力较高，抽油机井往往连抽带喷。如果动液面在井口而套压又大于油压时，按式(6)计算出的有效举液高度为负值，因而系统效率也为负值。但现场实践表明，这类井尽管供液能力很强，但抽油时的产量要比不抽油时的大，这说明抽油机是做了功的。对这种计算值与实测结果相矛盾的现实问题，要求研究出新的计算方法予以解决。(二)抽油量法在求出抽油机的抽油量后，通过下式可计算系统效率η＝（12）式中Hp-－泵挂深度，m；

qp—抽油量，t／d。停机后测得油井自喷量，再按下式计算qp：qp=q-qf

（13）式中q—开井生产时测得的产液量，t／d；

qf－油井停机后测得的自喷量，t／d。5、游梁式抽油机节能原理一、游梁式抽油机的工作特征

二、实际抽油机用电情况游梁式抽油机的工作特征1、结构特点由四连杆机构实现运动的转换，将电机的旋转运动转换为光杆的上下往复直线运动。如图3所示。图3游梁式抽油机结构简图2、运动特征悬点的运动为周期性的变速运动。在一个抽油循环中，加速度接近余玄规律变化。如图4所示图4悬点加速度曲线3、负荷特征游梁式抽油机悬点负荷的变化规律可用悬点的示功图表示，如图5、6所示。图5静力示功图图6动力示功图图7扭矩曲线1．净扭矩2、负荷扭矩3、平衡扭矩图7扭矩曲线4、电动机特性现场测试抽油机适配电动机的负荷率在20％左右。但为了满足最大负荷的要求，不得不配用大功率电机，即所谓“大马”拉“小车”。在这样的负荷率下，效率再高的电动机的实际效率也只有80％左右。

实际抽油机用电情况

1、抽油机用电情况表1临盘油田部分抽油机井用电测试数据(1998年10月测)2、抽油机发电情况分析

1)抽油机平衡率与发电量

图1065—47井电功率曲线图1165—92井电功率曲线抽油机的平衡调整好后，油井的供液情况还会影响抽油机的平衡与发电。图1265—104井的示功图和电功率曲线6.1推广采用节能型抽油机6.1.1采用变臂型(双驴头)游梁式抽油机——变臂型游梁式抽油机是在常规型游梁式抽油机的基础上设计出来的。总体设计方案是游梁的前端与驴头相连，尾端制成变臂型椭圆弧轮廓，使游梁后臂呈椭圆形状，从而实现由曲柄、连杆、横梁、游梁及柔性连接件等构成的变参数四连杆传动机构。该机保留游梁式抽油机的基本结构，仅仅将游梁的尾端制成变臂型椭圆弧轮廓。6、提高系统效率的措施6.1推广采用节能型抽油机6.1.2采用长冲程抽油机

室内实验数据皮带机和双驴头游梁机比普通游梁机节能节能型抽油机的节能评价—室内试验6.1推广采用节能型抽油机节能型抽油机的节能评价--现场数据600型皮带机与普通10型机耗能对比表由上表反映出：采用相同泵径生产的油井，在相近的条件下使用600型皮带机比10型普通机的吨液百米耗电量低。机型统计井数泵径（mm）泵深（m）动液面（m）平均日液（t/d）平均单井日耗电（kw.h）吨液百米耗电kw.h/t.100m系统效率（%）600型皮带机35693351134.91540.782734.78普通10型机41561037692211430.950928.63对比节电率17.7%经济泵效的确定6.2.经济泵效的确定经济泵效的确定由上图表可见：对于各种不同的泵径，泵效越低，系统效率越低。同时以平均单井耗电量、吨液百米耗电、系统效率为目标值，泵效高于30%是一“拐点“即：经济泵效值界线。因此，治理低于30%泵效井成为提高系统效率的重要途径。6.2.经济泵效的确定6.3.沉没度与泵效的关系

增大沉没度可使泵的效率在一定范围内增大，但增加的幅度却越来越小，与此同时，悬点载荷也在不断增加，从而增大电机负荷，降低地面效率，进而降低系统效率。6.3.沉没度与泵效的关系胜利采油厂含水大于80%时泵效与沉没度的统计规律——保持200～300m的沉没度较合理。胜利采油厂含水小于80%时泵效与沉没度的统计规律——沉没度范围为300～400m。6.3.1合理沉没度的确定不合理的沉没度会导致两种结果：（1）沉没度过大——为避免或减少气体对泵效的影响，往往采用较大的沉没度，使杆、管过长而产生伸缩变形，导致较大的冲程损失，同时使悬点载荷增大、工作条件恶劣，易损件寿命缩短，增加作业工作量。（2）沉没度过小——气体影响过大而降低泵的充满度，影响泵效，严重时会导致“气锁”。井液粘度大时会导致进泵阻力加大，降低充满度而影响泵效和系统效率。抽油泵合理沉没度的确定有两种方案：（1）以系统效率最高作为优化目标函数（2）以经济效益最好作为优化目标函数合理沉没度的选择临东区块分泵径不同沉没度与平均吨液百米耗电关系表由上表数据显示：70mm以下泵相对合理的沉没度为200-400米；70mm泵合理的沉没度为小于200米。有效举升高度—合理沉没度的确定现场数据井号生产参数日液（t/d）日耗电量(kw.h)吨液百米耗电(kw.h/t.m)节电率（%）动液面(m)沉没度(m)前后前后前后前后前后前后L14-683*4.8*495*5.6*4.570.6126324.32703.1180.95669.3462565456234.5L27-X270*3*270*3*625.96693.4193.61.70.8251.8212493745205.5L2-P1956*3*6.595*4.8*3.558.5121156.73040.570.50311.8541362460255.9L45-232*4.8*344*4.8*3.52.213.1128.4139.25.3460.71785.610501186732293.1L51-144*3*6.556*3*6.521.846.480.7104.645.9441.06781.31147998349.9小计35.874.5156.7202.2883.3350.81259.96453550678267单井不同沉没度耗电量对比表单井在沉没度由不合理区域调整到合理区域后节电率较高，沉没度降低411米，节电效果明显达到59.9%。6.4.保持抽油机的较高平衡度，提高系统效率抽油机平衡调整的目的有两个，一是保证抽油机安全运行，二是节能。判断抽油机平衡的标准是平衡率，即抽油机上行最大电流与下行最大电流之比，若此值在0.8～1.2之间，抽油机平衡。6.4.保持抽油机的较高平衡度，提高系统效率如果仅从电流曲线看，该井是相当平衡的，但从功率曲线看，该井上冲程出现负功，由平衡块带动电动机发电，这是一种极不平衡的情况。抽油机调平衡工作：现场数据井号调前调后单井日节电kw.h节电率（%）电流(A)日液t/d单井日耗电kw.h系统效率%电流(A)日液t/d单井日耗电kw.h系统效率%L14-X108/6.141.215717.97/74214619.1117L25-510.2/733.318636.67.3/7.133.217039.8168.6L104-105.7/82.3959.86/62.58411.01111.6P57-X26/8.217.612917.56.3/6.52011419.71511.6L2-P2112.1/8100.22555.89.3/8.51002116.94417.3L58-214/5.78.28523.14.3/4.28.57625.7911.8平均7.41516.61331811.9调平衡后，平均电流下降10.8%，单井平均日节电18kw.h，节电率11.9%。通过对现场数据的分析表明，平衡率在80%--110%之间最节电。抽油机调平衡工作—电流法与功率法电流法较简便，现场应用最普遍。但功率法调平衡与电流法调平衡相比更符合实际，能消除电流法在一些情况下的假象平衡，井号电流法功率法有功功率日耗电日节电节电率（%）调前电流调后电流调前功率调后功率调前调后调前调后S25-X1088.1/8.5=95.3%7.5/6.7=89.3%10.3/14.9=69.1%10.3/11.3=91.2%6.034.811451153020.7S25-X17327.4/26.8=102.2%22.1/25.1=88%25.2/36.5=69.0%20.9/24.4=85.7%11.3410.55272253197平均8.697.682081842411.5电流法与功率法调整抽油机平衡数据对比

两口电流法反映平衡的抽油机井应用功率法调平衡后，平均单井输入有功功率下降1kw，日节电24kw.h，节电率11.5%电机效率与负载率关系曲线由曲线可见：电机负载率低于20%时，随着负载率的提高电