曹荣亮论文-抽油机井系统效率研究及认识

采油工程专业评审组论文答辩材料

抽油机井系统效率的研究及认识

姓名：曹荣亮

敖包塔作业区

抽油机井系统效率的研究及认识

摘要：目前油气田开发中，普遍存在运行成本过高，系统效率较低等问题，如何提高抽油机井的系统效率就尤为重要。本文基于抽油机井系统效率的基本概念，对系统效率进行了分解，并对主要部分分解效率的理论计算模型进行了研究，为选择合适的电动机、以及合理的抽汲参数组合及抽油泵有效效率的确定，从而提高抽油机井的系统效率提供了科学依据。

关键词：节能降耗；抽油机系统；系统效率

一、前 言

在油田采油系统中，抽油机耗电量占油田总耗电量的25%以上，由于多种因素的影响，大量的能量在传递过程中白白损失掉，因此，如何提高抽油机井的系统效率就尤为重要。本文基于抽油机井系统效率的基本概念，对系统效率进行了分解，并对各部分分解效率的理论计算模型进行了研究，为选择合适的电动机、合适的皮带松紧度、以及合理的抽汲参数组合，从而提高抽油机井的系统效率提供了科学依据，对于油田的节能降耗、原油增产及提高其经济效益都具有重要的意义。

二、抽油机井系统效率的组成及基本概念

有杆抽油系统是由电机、抽油机、抽油杆、抽油泵、井下管柱和井口装置组成的。抽油机井系统效率是抽油机井节能降耗与经济效益、油田技术装备与技术管理水平等多方面的综合反映，它主要由地面部分系统效率和井下部分系统效率组成。地面部分系统效率主要由电机效率、皮带效率、减速箱效率和四连杆效率四部分组成；井下部分系统效率主要由盘根盒效、抽油杆效率和抽油泵效率三部分组成。 1.电动机输入功率

拖动抽油机的电动机的输入功率即为抽油机的输入功率。 根据输入电流电压可由下式计算输入功率：

1

p?3UIcos?（1）

入入入式中，P入——电动机输入功率，kW；

U入——输入电压，V； I入——输入电流，A； cos?——电动机的功率因数。

2.电动机输出功率

PM电n电 (2)

出?式中，9550P出——电动机输出功率，kW；

n电——电动机平均转速，r/min； M电——电动机平均输出扭矩，N〃m。

ME?D3电?? (3)

实式中，(1??)64E——电动机轴弹性模量，E=2.1×1011N/m2；

?——电动机轴泊松比，小数； D——电动机轴直径，m；

?实-电动机轴实测平均应变值，小数。

由电动机输出轴扭矩和电动机转速可以求电动机的输出功率，即：P?n电M电M电?2?n电出?30?60?M电? (4)

式中，P出——电动机的输出功率，kW；

M电——电动机的输出轴扭矩，kN〃m； n电——电动机转速，r/min；

?——电动机的角速度，rad/s。

3.减速箱输出功率

PM减n减减? (5)

式中，9550P减——减速箱输出功率，kW；

n减——减速箱输出轴平均转速，r/min； M减——减速箱平均输出扭矩，N〃m。

2

（1）抽油机光杆功率

光杆提升液体和克服井下各种阻力所消耗的功率，可根据示功图确定。

P光?An/60 (6)

式中，A——理论悬点示功图面积的大小，表示有效功，kJ；

n——抽油机冲次，r/min。

Pdfdn实 (7)

光?AS式中，6000P光——抽油机光杆功率，kW；

A——示功图的面积，，mm2；A ??CAAPds??CPdsSd——示功图减程比，m/mm； fd——示功图力比；

n实——光杆实测平均冲次，r/min。

（2）抽油机采油系统有效功率

P?Q?H??l?g水 (8)

式中，86400P水——抽油机的有效功率，kW；

Q——油井理论产液量，t/d；

?——油井液体密度，kg/m

3

l；

g——重力加速度，g?9.8m/s；

H——有效扬程，m。

①有效扬程

H?L?p沉?106c??106 (9)

式中，L——下泵深度，m；???pt?p

og?lgp沉——沉没压力，MPa； p油——油压，MPa； p套——套压，MPa；

?o——原油密度，kg/m3。

②油井液体密度

3

?l?(1?fw)?o?fw?w (10)

式中，fw——含水率，小数；

?o——油密度，kg/m

3

； 。

?w——水密度，kg/m

3

三、系统效率的分解及主要部分的效率分析

1.系统效率的分解

抽油机井系统效率是指抽油系统在一段时间内(一个冲程或几个冲程周期)用于举升液体所消耗的有用功功率与电机输入功率的比值。其公式定义如下：

?系统?QH?g86400P入 （11）

P光P入抽油机井系统效率可分解为地面效率和井下效率，即

??P水P入?P水P光?（12） ??地面? ?井下；

式中， ?地面——地面效率，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，??井下地面?P光P入——井下效率，以光杆悬绳器为界，悬绳器以下到抽油泵，再由

井下抽油泵到井口的效率，??P水P光。

2. 主要部分的效率分析

要想提高抽油机井的系统效率可从其7个组成部分入手，但是据统计在能量传动过程中，电机效率约为60%-70%，皮带效率为98%，减速箱效率约为90%，四连杆效率约为95%，所以在地面系统中，能量损失主要为电机能量的损失，而对于井下系统中，在目前条件下，难以准确的确定摩擦力，所以对于盘根松紧度的确定只能靠经验进行，井下部分系统效率主要由抽油泵效率来确定。 （1）电动机的选择

电动机的选择主要是通过调整电机级数或皮带轮直径，以防止出现“大

4

马拉小车”的现象。

电机的极数及皮带轮直径的确定如下：

p?60fns (13)

式中，f——电源频率，我国为50Hz；

ns——电动机定子旋转磁场的转速，又称为电动机的同步转速，——电动机定子的磁极对数。

ns?nnsr/min；

p电动机的转差率为：

S??100 (14)

式中，n——电动机转子转速(又是电动机的实际转速)，r/min；

S——电动机的转差率，%。

Di?i?N?D2n?i?N?D2?p60f(1?s) (15)

式中，Di——电动机皮带轮直径，mm；

i——抽油机减速箱的减速比；

D2——抽油机减速箱大轮直径，mm；

N——抽油机冲次，r/min。

电动机的额定效率约为90%左右，因此当其工作负荷在60%～100%范围内时，电机损耗约为10%左右。但由于有杆抽油系统中电机负荷的变化十分剧烈且频繁，在抽油机的每一冲程中，电机的输出功率都将出现两次瞬时功率极大值和瞬时功率极小值，并且这两次瞬时极大值和极小值的数值并不相等，其瞬时功率极大值可能超过额定效率；而极小值一般为负值，即电动机不仅不输出功率，反而由抽油机拖动而发电。因此电机的输出功率的实际变化远远超过了60%～100%的范围，此时电机的效率降低，损耗必然增大。从现场实测看，电机损耗有的高达30%～40%，因此，它对有杆抽油系统效率的影响相当大，应努力减少这一损耗。当抽油机效率在60%～100%范围变化时，电机效率较高。但当电机负荷低于50%以后，电机效率将急剧

5

下降。

（2）抽油泵效率

抽油泵的效率和通常所说的“泵效”是两个不同的概念，通常所说的“泵效”实际是指泵的排量系数，抽油泵的效率是指的泵的能量效率，主要包括泵的容积效率(泵漏失的影响)、泵的水力效率(进泵流动阻力的影响)和抽油泵的机械效率(泵筒和衬套间摩擦的影响)。

抽油泵的有效功率为：

P水???Q?H???g (16) (18)

86400?l?(1?fw)?o?fw?w (17)

fH?H?pt?pc目前计算理论泵效所考虑的因素有游离气?1、余隙?2，冲程损失?3(油管和抽油杆弹性伸缩)，溶解气?4、泵筒间隙?5、凡尔漏失?6等。

计算泵效的半经验公式为：

????1?2?3?4?5?6 (19)

?lg?1000①游离气影响泵的充满系数

?1?11??1?fw??R?Rg?BgZTBg?0.000386Pc (20) (21)

式中，?1——游离气影响泵的充满系数； 上查取；

fw——含水率； RBg——沉没压力(即吸入口压力)下气体体积系数，从原油物性曲线

——原始油气比，m3/t；

3

Rg——吸入口压力下的溶解油气比，m/t； TZ——吸入口温度，K； ——气体压缩因子；

Pc_沉没压力(即吸入口压力)，MPa。

6

②余隙(防冲距)中气体膨胀减小活塞有效行程时的充满系数

?2??S?S1??1?fw??R?Rg?BgS (22)

式中，?2——余隙(防冲距)中气体膨胀减小活塞有效行程时的充满系数；

S——光杆冲程，m；

S1——余隙(防冲距)，m。

③油管及抽油杆的弹性伸缩产生冲程损失时的冲程效率

?3?S??S (23)

?11???10?4????fft??r?????LhL?Pc?hLfPE (24)

式中，?3——油管及抽油杆弹性伸缩产生冲程损失时的冲程效率；

?L——流体密度，kg/m

hL——下泵深度，m；

fp——泵柱塞截面积，m； E23

；

——钢材弹性模量，N/cm3；

22

fr——抽油杆截面积，m；

ft——油管截面积，m。

④溶解气影响泵的充满系数。

?4?fw?1?fwBo (25)

式中，?4——溶解气影响泵的充满系数；

Bo——沉没压力(即吸入口压力)下原油体积系数，从原油物性曲线

上查取。

⑤泵筒漏失影响泵的充满系数

?5?1?0.136kDPghd?LL?Qp?10?4 (26)

式中，?5——泵筒漏失影响泵的充满系数；

k——柱塞泵在筒中偏心度的影响系数，k=0.2； ——泵柱塞直径，m； ——动液面深度，m；

Dphd 7

L——间隙长度，(柱塞长度)，m；

2

3

v——液体运动粘度，m/s；

Qp——抽油泵的理论排量，m

/d。

⑥凡尔漏失影响泵的充满系数。没有表达式，允许取平均值0.97或更低一点。

?6?0.97 (27)

式中，?6——凡尔漏失影响泵的充满系数。

四、提高抽油机井系统效率的措施及建议

1.合理选择电机类型

由以上分析可知，地面部分的系统效率主要由电机的效率决定，所以对于电机的选择尤为重要，第三部分确定了电机的选择原则，为电机的选择提供了科学依据。目前敖包塔作业区针对理论泵效偏低的实际，积极进行永磁电机和低速电机的应用，提高泵效，改善机采井泵况，提高系统效率。

表1 各类电机应用效果对比表

内容 项目 永磁电机 低速电机 普通电机 电机功台日产液 动液面(t) 4.0 2.1 2.6 (m) 879.4 880.6 875.1 有效功率(kw) 3.7 3.8 5.07 无功功率(kvar) 5.26 15.23 21.83 电流 (A) 6.69 23.5 29.22 系统效率(%) 11.56 15.3 7.95 日耗电(kw.h) 92.5 92.1 137.3 率（kw） 数 18.5 15 18.5 46 132 89 2.准确分析泵效，及时检、换泵

目前，敖包塔作业区抽油泵排量系数偏小，对于此类井应及时检查抽油泵是否能够正常工作，准确分析泵效，做到及时检、换泵。对734队检泵前后的10口井系统效率分析结果如下表，检后这10口井平均系统效率为25.07%，较检泵前提高了6.77个百分点。

8

表2 敖包塔作业区734队10口井检泵前后系统效率对比

项目 调平衡前 调平衡后 提高值 平衡率）%） 举升高度 81.4 85.4 4 593.1 1082.36 489.26 产液量（t/d） 3.8 6.1 2.3 吨液百米耗电(kw/t) 1.49 1.09 -0.4 系统效率（%） 18.3 25.07 6.77 节电率（%） 26.8 3.提高抽油机的平衡率

工作中始终处于平衡状态的抽油机是没有的，因为在生产过程中地层情况、油井情况及油井工作制度的改变都会破坏抽油机原来的平衡，所以在生产过程中应定期检查抽油机的平衡，并及时调整平衡率。根据众多的实验可知，抽油机平衡率在85%-100%之间时，抽油机的能耗是最低的，此时抽油机处于欠平衡状态，较过平衡时更省电。

表3 敖包塔作业区734队10口井调平衡前后系统效率对比

项目 调平衡前 调平衡后 提高值 平衡率）%） 举升高度 65.8 92.5 26.7 1020.46 1020.66 0.2 产液量（t/d） 2.5 2.7 0.2 吨液百米耗电(kw/t) 0.94 0.87 -0.07 系统效率（%） 28.94 31.26 2.32 节电率（%） 7.4 五、结论及认识

1.抽油机井系统效率可分解为地面效率和井下效率，地面效率主要由电机效率决定，而井下效率主要取决于抽油泵的效率。

2. 在生产过程中地层情况、油井情况及油井工作制度的改变都会破坏抽油机原来的平衡，所以在生产过程中应定期检查抽油机的平衡，并及时调整平衡率，根据研究抽油机平衡率在85%-100%之间时，抽油机的能耗最低，在其他条件不变时系统效率最高。

3.合理的选择电机机型，做好泵况分析，对于泵效不好的油井，准确判断并采用及时检换泵等措施是提高系统效率的有效途径。

9

参考文献

[1] 王鸿勋，张 琪等.《采油工艺原理》.石油工业出版社,1989.7 [2] 赵福建，吴淼.《抽油机节能的有效手段》.石油石化节能，2008（5）

10

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5irr.html