抽油机井系统效率仿真分析的计算方法

抽油机井系统效率仿真分析的计算方法

计算机模仿是分析系统工作行为、提高系统性能的有效方法。目前计算机仿真技术广泛应用于抽油机井动态参数的模拟计算,例如研究抽油杆柱、油管柱、液柱的振动行为,并以此为基础研究悬点示功图、曲柄轴扭矩等动态参数的计算方法。笔者在抽油机井动态参数计算机仿真技术的基础上,改进了系统输入功率、排量系数和有效功率的计算方法,并建立了系统效率计算机仿真的数学模型。通过仿真计算来分析影响系统效率的主要因素,探索提高系统效率的有效途径。1系统效率的定义系统效率仿真的目的就是在已知抽油设备(抽油机、电动机的类型与规格)、抽汲参数(冲程、冲次、泵径、下泵深度、抽油杆柱组合)、油井参数(含水量、气油比、粘度、动液面、油压、套压)的条件下,对油井的排量系数、实际产液量、有效功率、系统输入功率进行仿真计算,进而对系统效率进行仿真计算。抽油机井系统效率η定义为η=ΝeˉΝΜ×100%(1)式中Ne为系统的有效功率,kW;ˉΝΜ为系统的平均输入功率,即电动机的平均输入功率,kW。1.1抽油泵有效冲程系数的确定石油行业标准推荐的有效功率的计算公式为Νe=QΗρmg86400(2)式中ρm为油水两相混合液密度,103kg/m3;Q为油井实际产液量,m3/d;H为有效举升高度,m,其计算式为Η=Ηd+(po-pc)ρmg×10-3(3)式中Hd为油井动液面深度,m;po为井口油压,Pa;pc为井口套压,Pa。在式(2)和式(3)中,井口油压、套压、动液面为已知的油井参数。井液含水率也是已知参数,即油水两相混合液密度ρm为已知。因此,在利用式(2)和式(3)计算有效功率时,关键是计算油井实际产液量。油井实际产液量由下式计算Q=1440×π4D2Snα(4)式中D为抽油泵柱塞直径,m;S为悬点冲程长度,m;n为悬点冲程次数,min-1;α为抽油泵的排量系数(即泵效),%。排量系数的仿真精度直接影响油井产液量与系统有效功率的仿真精度。目前教科书与有关专著都没有考虑泵筒内工作压力不同对气液比所产生的影响,即假设泵筒内气液比为常量且等于沉没压力条件下的气液比。笔者根据抽油泵的工作理论,建立了新的计算抽油泵排量系数的公式为α=ηSηFηLηV(5)式中ηS为柱塞有效冲程系数;ηF为充满系数;ηL为泵的漏失系数;ηV为沉没压力条件下溶气原油的体积系数。各系数的计算式分别为{ηS=Sp/SηF=11+R{1-ΚR[1-(pspd)1k][1+R(pspd)1k]-1ηL=ApSηSηFηV-ΔQApSηSηFηVηV=1(1-nw)Bops+nwBwps(6)式中Sp为柱塞的冲程长度,m;R为泵吸入口气液比,m3/m3;K为余隙系数,K=S0/S,S0为余隙长度,m;ps为抽油泵吸入口沉没压力,MPa;pd为抽油泵排出口排出压力,MPa;Ap为抽油泵柱塞的横截面积;k为天然气多变过程指数;nw为含水率;Bops为泵吸入口条件下泵筒内原油的体积系数;Bwps为泵吸入口条件下水的体积系数;ΔQ为在柱塞的一个冲程过程中,液体经柱塞与泵筒之间的间隙漏失量,m3,其计算式为ΔQ=πDΔpδ312μLc(1+32ε2)Τu(7)式中Δp为上冲程柱塞上下压差,Pa;δ为柱塞与泵筒之间的平均半径内隙,m;Lc为柱塞长度,m;ε为相对偏心率,ε=e/δ;e为柱塞中心线相对于泵筒中心线的偏心距,m;Tu为柱塞上冲程所对应的时间,s;μ为油井内液体的动力粘度,Pa·s。1.2从压力和速度上考虑文献介绍了一种抽油机井输入功率的计算方法。该方法是在以下4个简化条件下得到的:①悬点做简谐运动;②抽油泵充满液体;③没有考虑抽油杆柱振动对悬点载荷的影响;④没有考虑电动机瞬时功率利用率不同对电动机瞬时运行效率的影响。显然,在上述假设条件下所建立的系统输入功率的计算方法具有很大的局限性,计算误差较大。抽油机井动态参数的计算机仿真技术可以充分考虑抽油机的精确运动特性与油井的实际情况,对悬点示功图进行仿真。1.2.1抽油杆悬点示功图的模拟悬点示功图的计算机仿真模型由描述抽油杆轴向振动的波动方程和边界条件组成,即{∂2u∂t2=c2∂2u∂x2-v∂u∂tEA∂u∂x|x=L=Ρp(t)∂u∂t|x=0=U0(t)(8)式中Pp(t)为泵负荷的时间函数,N;U0(t)为悬点位移,m;u为抽油杆柱任意截面x在t时间的位移,m;c为声波在抽油杆中的传播速度,m/s;ν为阻尼系数,1/s;L为下泵深度,m;E为抽油杆材料弹性模量,N/m2;A为抽油杆横截面积,m2。在式(8)中,边界条件的模拟是悬点示功图仿真的关键。泵负荷时间函数PP(t)的具体模拟方法见文献,悬点位移U0(t)的计算方法见文献。通过差分可以求得数学模型式(8)的数值解。求得抽油杆柱任意截面的位移u(x,t)后,悬点载荷W由下式计算,即W=EA∂u∂x|x=0(9)1.2.2调查机构的能量对于游梁式抽油机的曲柄摇杆机构,当悬点在上冲程时,曲柄为主动件,悬点为被动件;当悬点在下冲程时,悬点为主动件,而曲柄为被动件。即在曲柄摇杆机构中存在着能量的反向流动,曲柄摇杆机构同时存在拖动与被拖动两种运动状态,这种能量的反向流动将增加机构的能量损失。考虑到能量的反向流动,曲柄轴净扭矩由下式计算ΜΝ=¯ΤF(W-Bw)ηk1CL-ΜCsin(θ-τ)(10)式中MN为曲柄轴净扭矩,N·m;¯ΤF为扭矩因子;Bw为抽油机结构不平衡重,N;MC为曲柄平衡重的最大平衡扭矩,N·m;θ为曲柄转角,rad;τ为曲柄平衡重偏置角,rad;ηCL为曲柄到抽油机悬点的机械传动效率;k1为系数。当悬点运动速度vA>0时,即悬点在上冲程时,k1=-1;当悬点运动速度vA≤0时,k1=1。1.2.3电机振动分析对于游梁式抽油机,减速箱曲柄轴净扭矩一般存在负值,即皮带减速箱传动装置也存在拖动与被拖动两种运动状态。电动机瞬时输出功率由下式计算ΝΜΟ=ΜΝ⋅ω1000×ηk2ΜB(11)式中NMO为电动机瞬时输出功率,kW;ηMB为皮带与减速箱的传动效率;ω为曲柄转动的角速度,1/s;k2为系数。当MN>0时,k2=-1,当MN≤0时,k2=1。1.2.4电机输入功率电动机的输入功率即为系统的输入功率。考虑电动机瞬时输出功率变化对电动机瞬时效率的影响,电动机瞬时输入功率与平均输入功率分别由下式计算ΝΜ=ΝΜΟ+Ρ0+[(1ηΝ-1)ΡΝ-Ρ0]β2ˉΝΜ=1Τ∫Τ0ΝΜdt}(12)式中NM为电动机瞬时输入功率,kW;ˉΝΜ为电动机平均输入功率,kW;β为电动机瞬时功率利用率,β=NMO/PN;PN为电动机额定功率,kW;P0为电动机空耗功率,kW;ηN为电动机额定效率。2井筒、井底静压抽汲参数的调整对系统效率有显著影响。当对抽汲参数与系统效率的关系进行仿真分析时,必须考虑抽汲参数的调整对油井产能的影响,即首先预测出抽汲参数调整后的油井动液面。油井在稳定工况下生产时,应满足如下的产能平衡条件Qin=Qex(13)式中Qin为地层流入井筒的产液量,m3/d;Qex为油井实际产出液量,m3/d。油井实际产出液量取决于抽汲参数与排量系数,地层流入井筒的产液量可以通过油井流入动态预测。在静压低于饱和压力条件下,式(13)可以用下式表示为1440×π4D2Sna=Qmax[1-0.2(pwfpr)-0.8(pwfpr)2](14)式中Qmax为油井最大产能,m3/d;pwf为井底流压,Pa;pr为井底静压,Pa。抽油泵吸入口处的沉没压力ps与流压pwf之间的关系为pwf=ps+(Lz-L)ρ1g×106(15)式中L为下泵深度,m;Lz为油层中部深度,m;ρ1为抽油泵入口到油层中部的混合液密度,kg/m3。由式(13)和式(14)可以预测出抽汲参数调整后的流压、沉没压力以及动液面,进而可以利用式(1)至式(12)对参数调整后的排量系数、实际产液量、有效功率、输入功率与系统效率进行仿真计算。3油田实际应用分析根据所建立的数学模型,开发了抽油机井系统效率计算机仿真分析软件,该软件具有6个功能:①抽油机运动分析;②悬点示功图仿真;③曲柄轴扭矩曲线;④电动机瞬时输入功率曲线;⑤油井实际产液量;⑥系统效率分析。在大庆、辽河、华北等油田实际应用结果表明,该软件具有较高的仿真精度。在仿真计算中,若无特殊说明,计算参数如下:抽油机类型为CYJ10-3-53HB,装机功率PN为45kW,冲程S为3m,冲次n为6min-1,泵径D为70mm,下泵深度L为1100m,抽油杆柱组合为ϕ25mm×350m+ϕ22mm×350m+ϕ19mm×400m,含水率为80%,粘度为20mPa·s,气油比为40m3/m3,油压为0.3MPa,套压为0.4MPa,动液面Hd为600m。3.1应用节能耗技术3.1.1匹配电机的额定功率图1中绘出了常规型、异相曲柄平衡、双驴头抽油机井系统效率随有效举升高度的变化规律。图1(a)中3种抽油机匹配电动机的额定功率PN均为45kW;图1(b)中,常规机匹配电动机的额定功率PN为45kW,异相曲柄平衡抽油机匹配电动机的额定功率PN为30kW,双驴头抽油机匹配电动机的额定功率PN为22kW。由仿真结果可以看出,若节能型抽油机与常规型抽油机匹配相同额定功率的电动机,节能型抽油机没有明显的节能效果。 由于节能型抽油机具有优越的动力性能,曲柄轴扭矩波动小,基本消除了负扭矩,因此和常规型抽油机相比,其装机功率可以下降2～3个档次。由图1(b)可以看出,当节能型抽油机匹配较小额定功率的电动机时,节能型抽油机具有明显的节能效果,可以使系统效率提高2～5个百分点。3.1.2气锚对抽油泵的影响对于低沉没度气影响较重的抽油机井,由于抽油泵充满系数、排量系数较低,导致井下效率与系统效率较低。图2绘出了沉没度为50m及含水率分别为40%和90%条件下系统效率随气油比的变化规律。由图2可以看出,系统效率随气油比的增加而下降,含水率越低,即泵筒内气液比越大,气油比对系统效率的影响越显著。显然,对于低沉没度气影响显著的油井,应用气锚减少进泵气体量,可以提高泵的充满程度与系统效率。但是,在低沉没度油井中应用气锚时,由于充满程度提高,将导致排量系数提高,沉没度降低,若不降低抽汲参数,抽油泵将仍然处于严重供液不足状态,系统效率不会明显提高。因此必须合理降低冲次或冲程,保持沉没度不变,从而可以显著降低系统输入功率,提高系统效率。由于气锚仅能分离进泵的自由气,因此只有在低沉没度油井中应用气锚才能取得明显的使用效果。3.2优化机杆泵系统3.2.1抽扫参数组合对系统效率的影响某口油井的气油比为130m3/m3,动液面为600m,产液量为12m3/d,其他参数同上述给定值。表1列出了在油井动液面与产液量保持不变的条件下,不同抽汲参数组合时该井的系统效率仿真结果。由表1中的仿真计算结果可以看出,在油井动液面与产量一定的条件下,抽汲参数组合对系统效率有显著影响。在本算例中,最低系统效率为16.37%,最高系统效率为27.96%,相差达11.59个百分点。显然,优化抽汲参数是提高系统效率的有效途径。3.2.2沉淀度对系统效率的影响图3绘出了不同含水率条件下系统效率随沉没度的变化规律。由仿真对比结果可以看出,沉没度对系统效率有显著影响,并存在一个最佳沉没度。在最佳沉没度条件下,系统效率达到最高值。在沉没度低于最佳沉没度时,系统效率随沉没度的增加而增加;当沉没度大于最佳沉没度时,系统效率随沉没度的增加而下降。含水率与气油比对最佳沉没度有显著影响。含水率越低,气油比越大,最佳沉没度越大。3.2.3方面:功率利用率偏低图4中绘出了系统效率、电动机功率利用率随电动机额定功率的变化规律。系统效率随电动机额定功率的增加而下降。当电动机功率利用率高于45%时,系统效率随额定功率降低而增加的幅度较小;当电动机功率利用率低于45%时,系统效率随额定功率的降低而显著提高。在选择电动机的额定功率时,除考虑系统效率外,还必须考虑电动机长期工作不过热和启动要求。仿真与现场实验结果表明,当电动机的功率利用率不高于60%时,抽油机一般能够顺利启动,电动机长期工作也不会过热。因此45%～60%是电动机功率比较合理的利用率(常规型抽油机取下限,节能型抽油机取上限)。目前我国游梁式抽油机的电动机功率利用率普遍偏低。例如,大庆采油五厂抽油机井电动机平均功率利用率约为28.5%,约有20%的油井电动机功率利用率不足20%。对于这部分油井,更换较小额定功率的电动机会提高系统效率,降低耗电量。3.2.4系统效率分析表2中列出了不同抽油杆柱组合时的系统效率仿真结果。由仿真结果可以看出,抽油杆柱组合对系统效率有显著影响,系统效率相差达3个百分点。在满足抽油杆强度要求的前提下,选择重量较轻的抽油杆柱组合可以提高系统效率;选择高强度杆可以降低抽油杆柱的重量并提高系统效率。3.3曲柄摇杆机构传动效率与系统优化抽油机的平衡度、皮带减速箱的传动效率、曲柄摇杆机构的传动效率、盘根预紧程度和井下故障等参数或运行状态对系统效率有显著影响。这些参数和运行状态直接反应了油井的管理水平。例如:①皮带预紧不够、各轴承润滑不良将直接降低皮带减速箱与曲柄摇杆机构的传动效率;②抽油机严重不平衡会降低系统效率;③盘根过紧会显著增加系统输入功率,从而降低系统效率;④抽油泵与油管漏失、抽油泵严重供液不足与气影响、油井结蜡等非正常工况都会显著降低系统效率。图5给出了系统效率随曲柄摇杆机构传动效率的变化规律。由仿真结果可以看出,曲柄摇杆机构传动效率对系统效率有显著影响。曲柄摇杆机构传动效率由95%降低到93%,系统效率降低了1.5个百分点以上。导致这一现象的根本原因是曲柄摇杆机构的平均运行效率低于其