曹榮亮論文抽油機井系統(tǒng)效率研究及認識

1、采油工程專業(yè)評審組論文答辯材料抽油機井系統(tǒng)效率的研究及認識姓名：曹榮亮敖包塔作業(yè)區(qū)抽油機井系統(tǒng)效率的研究及認識摘要：目前油氣田開發(fā)中，普遍存在運行成本過高，系統(tǒng)效率較低等問題，如何提高抽油機井的系統(tǒng)效率就尤為重要。本文基于抽油機井系統(tǒng)效率的基本概念，對系統(tǒng)效率進行了分解，并對主要部分分解效率的理論計算模型進行了研究，為選擇合適的電動機、以及合理的抽汲參數(shù)組合及抽油泵有效效率的確定，從而提高抽油機井的系統(tǒng)效率提供了科學依據(jù)。關鍵詞：節(jié)能降耗；抽油機系統(tǒng)；系統(tǒng)效率一、前 言在油田采油系統(tǒng)中，抽油機耗電量占油田總耗電量的25%以上，由于多種因素的影響，大量的能量在傳遞過程中白白損失掉，因此，如何提高

2、抽油機井的系統(tǒng)效率就尤為重要。本文基于抽油機井系統(tǒng)效率的基本概念，對系統(tǒng)效率進行了分解，并對各部分分解效率的理論計算模型進行了研究，為選擇合適的電動機、合適的皮帶松緊度、以及合理的抽汲參數(shù)組合，從而提高抽油機井的系統(tǒng)效率提供了科學依據(jù)，對于油田的節(jié)能降耗、原油增產(chǎn)及提高其經(jīng)濟效益都具有重要的意義。二、抽油機井系統(tǒng)效率的組成及基本概念有桿抽油系統(tǒng)是由電機、抽油機、抽油桿、抽油泵、井下管柱和井口裝置組成的。抽油機井系統(tǒng)效率是抽油機井節(jié)能降耗與經(jīng)濟效益、油田技術裝備與技術管理水平等多方面的綜合反映，它主要由地面部分系統(tǒng)效率和井下部分系統(tǒng)效率組成。地面部分系統(tǒng)效率主要由電機效率、皮帶效率、減速箱效率和

3、四連桿效率四部分組成；井下部分系統(tǒng)效率主要由盤根盒效、抽油桿效率和抽油泵效率三部分組成。1.電動機輸入功率拖動抽油機的電動機的輸入功率即為抽油機的輸入功率。根據(jù)輸入電流電壓可由下式計算輸入功率：（1） 式中，電動機輸入功率，kW；輸入電壓，V；輸入電流，A；電動機的功率因數(shù)。2.電動機輸出功率 (2)式中，電動機輸出功率，kW；電動機平均轉速，r/min；電動機平均輸出扭矩，N·m。 (3)式中，電動機軸彈性模量，=2.1×1011N/m2；電動機軸泊松比，小數(shù)；D電動機軸直徑，m；-電動機軸實測平均應變值，小數(shù)。由電動機輸出軸扭矩和電動機轉速可以求電動機的輸出功率，即：

4、(4)式中，電動機的輸出功率，kW；電動機的輸出軸扭矩，kN·m；電動機轉速，r/min；電動機的角速度，rad/s。3.減速箱輸出功率 (5)式中，減速箱輸出功率，kW；減速箱輸出軸平均轉速，r/min；減速箱平均輸出扭矩，N·m。（1）抽油機光桿功率光桿提升液體和克服井下各種阻力所消耗的功率，可根據(jù)示功圖確定。 (6)式中，A理論懸點示功圖面積的大小，表示有效功，kJ；n抽油機沖次，r/min。 (7)式中，抽油機光桿功率，kW；A示功圖的面積，mm2；示功圖減程比，m/mm；示功圖力比；光桿實測平均沖次，r/min。（2）抽油機采油系統(tǒng)有效功率 (8)式中，抽油機的有

5、效功率，kW；油井理論產(chǎn)液量，t/d；油井液體密度，kg/m3；重力加速度，m/s；有效揚程，m。有效揚程 (9)式中，L下泵深度，m；沉沒壓力，MPa；油壓，MPa；套壓，MPa；原油密度，。油井液體密度 (10)式中，含水率，小數(shù)；油密度，kg/m3；水密度，kg/m3。三、系統(tǒng)效率的分解及主要部分的效率分析1.系統(tǒng)效率的分解抽油機井系統(tǒng)效率是指抽油系統(tǒng)在一段時間內(nèi)(一個沖程或幾個沖程周期)用于舉升液體所消耗的有用功功率與電機輸入功率的比值。其公式定義如下： （11）抽油機井系統(tǒng)效率可分解為地面效率和井下效率，即 （12）式中， 地面效率，以光桿懸繩器為界，懸繩器以上的機械傳動效率和電機運

6、行效率的乘積，；井下效率，以光桿懸繩器為界，懸繩器以下到抽油泵，再由抽油泵到井口的效率，。2. 主要部分的效率分析要想提高抽油機井的系統(tǒng)效率可從其7個組成部分入手，但是據(jù)統(tǒng)計在能量傳動過程中，電機效率約為60%-70%，皮帶效率為98%，減速箱效率約為90%，四連桿效率約為95%，所以在地面系統(tǒng)中，能量損失主要為電機能量的損失，而對于井下系統(tǒng)中，在目前條件下，難以準確的確定摩擦力，所以對于盤根松緊度的確定只能靠經(jīng)驗進行，井下部分系統(tǒng)效率主要由抽油泵效率來確定。（1）電動機的選擇電動機的選擇主要是通過調(diào)整電機級數(shù)或皮帶輪直徑，以防止出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。電機的極數(shù)及皮帶輪直徑的確定如下： (

7、13)式中，電源頻率，我國為50Hz；電動機定子旋轉磁場的轉速，又稱為電動機的同步轉速，r/min；電動機定子的磁極對數(shù)。電動機的轉差率為： (14)式中，電動機轉子轉速(又是電動機的實際轉速)，r/min；電動機的轉差率，%。 (15)式中，電動機皮帶輪直徑，mm；抽油機減速箱大輪直徑，mm；抽油機減速箱的減速比；抽油機沖次，r/min。電動機的額定效率約為90%左右，因此當其工作負荷在60%100%范圍內(nèi)時，電機損耗約為10%左右。但由于有桿抽油系統(tǒng)中電機負荷的變化十分劇烈且頻繁，在抽油機的每一沖程中，電機的輸出功率都將出現(xiàn)兩次瞬時功率極大值和瞬時功率極小值，并且這兩次瞬時極大值和極小值的

8、數(shù)值并不相等，其瞬時功率極大值可能超過額定效率；而極小值一般為負值，即電動機不僅不輸出功率，反而由抽油機拖動而發(fā)電。因此電機的輸出功率的實際變化遠遠超過了60%100%的范圍，此時電機的效率降低，損耗必然增大。從現(xiàn)場實測看，電機損耗有的高達30%40%，因此，它對有桿抽油系統(tǒng)效率的影響相當大，應努力減少這一損耗。當抽油機效率在60%100%范圍變化時，電機效率較高。但當電機負荷低于50%以后，電機效率將急劇下降。（2）抽油泵效率抽油泵的效率和通常所說的“泵效”是兩個不同的概念，通常所說的“泵效”實際是指泵的排量系數(shù)，抽油泵的效率是指的泵的能量效率，主要包括泵的容積效率(泵漏失的影響)、泵的水力

9、效率(進泵流動阻力的影響)和抽油泵的機械效率(泵筒和襯套間摩擦的影響)。抽油泵的有效功率為： (16) (17) (18)目前計算理論泵效所考慮的因素有游離氣、余隙，沖程損失(油管和抽油桿彈性伸縮)，溶解氣、泵筒間隙、凡爾漏失等。計算泵效的半經(jīng)驗公式為： (19)游離氣影響泵的充滿系數(shù) (20) (21)式中，游離氣影響泵的充滿系數(shù)；沉沒壓力(即吸入口壓力)下氣體體積系數(shù)，從原油物性曲線上查?。缓?；原始油氣比，m3/t；吸入口壓力下的溶解油氣比，m3/t；吸入口溫度，K；氣體壓縮因子；_沉沒壓力(即吸入口壓力)，MPa。余隙(防沖距)中氣體膨脹減小活塞有效行程時的充滿系數(shù) (22)式中，余

10、隙(防沖距)中氣體膨脹減小活塞有效行程時的充滿系數(shù)；光桿沖程，m；余隙(防沖距)，m。油管及抽油桿的彈性伸縮產(chǎn)生沖程損失時的沖程效率 (23) (24)式中，油管及抽油桿彈性伸縮產(chǎn)生沖程損失時的沖程效率；流體密度，kg/m3；下泵深度，m；泵柱塞截面積，m2；鋼材彈性模量，N/cm3；抽油桿截面積，m2；油管截面積，m2。溶解氣影響泵的充滿系數(shù)。 (25)式中，溶解氣影響泵的充滿系數(shù)；沉沒壓力(即吸入口壓力)下原油體積系數(shù)，從原油物性曲線上查取。泵筒漏失影響泵的充滿系數(shù) (26)式中，泵筒漏失影響泵的充滿系數(shù)；柱塞泵在筒中偏心度的影響系數(shù)，k=0.2；泵柱塞直徑，m；動液面深度，m；間隙長度，

11、(柱塞長度)，m；液體運動粘度，m2/s；抽油泵的理論排量，m3/d。凡爾漏失影響泵的充滿系數(shù)。沒有表達式，允許取平均值0.97或更低一點。 (27)式中，凡爾漏失影響泵的充滿系數(shù)。四、提高抽油機井系統(tǒng)效率的措施及建議1.合理選擇電機類型由以上分析可知，地面部分的系統(tǒng)效率主要由電機的效率決定，所以對于電機的選擇尤為重要，第三部分確定了電機的選擇原則，為電機的選擇提供了科學依據(jù)。目前敖包塔作業(yè)區(qū)針對理論泵效偏低的實際，積極進行永磁電機和低速電機的應用，提高泵效，改善機采井泵況，提高系統(tǒng)效率。表1 各類電機應用效果對比表 內(nèi)容項目電機功率（kw）臺數(shù)日產(chǎn)液(t)動液面(m)有效功率(kw)無功功率

12、(kvar)電流(A)系統(tǒng)效率(%)日耗電(kw.h)永磁電機18.5464.0879.43.75.266.6911.5692.5低速電機151322.1880.63.815.2323.515.392.1普通電機18.5892.6875.15.0721.8329.227.95137.32.準確分析泵效，及時檢、換泵目前，敖包塔作業(yè)區(qū)抽油泵排量系數(shù)偏小，對于此類井應及時檢查抽油泵是否能夠正常工作，準確分析泵效，做到及時檢、換泵。對734隊檢泵前后的10口井系統(tǒng)效率分析結果如下表，檢后這10口井平均系統(tǒng)效率為25.07%，較檢泵前提高了6.77個百分點。表2 敖包塔作業(yè)區(qū)734隊10口井檢泵前后系

13、統(tǒng)效率對比項目平衡率）%）舉升高度產(chǎn)液量（t/d）噸液百米耗電(kw/t)系統(tǒng)效率（%）節(jié)電率（%）調(diào)平衡前81.4593.13.81.4918.3調(diào)平衡后85.41082.366.11.0925.07提高值4489.262.3-0.46.7726.83.提高抽油機的平衡率工作中始終處于平衡狀態(tài)的抽油機是沒有的，因為在生產(chǎn)過程中地層情況、油井情況及油井工作制度的改變都會破壞抽油機原來的平衡，所以在生產(chǎn)過程中應定期檢查抽油機的平衡，并及時調(diào)整平衡率。根據(jù)眾多的實驗可知，抽油機平衡率在85%-100%之間時，抽油機的能耗是最低的，此時抽油機處于欠平衡狀態(tài)，較過平衡時更省電。表3 敖包塔作業(yè)區(qū)734隊10口井調(diào)平衡前后系統(tǒng)效率對比項目平衡率）%）舉升高度產(chǎn)液量（t/d）噸液百米耗電(kw/t)系統(tǒng)效率（%）節(jié)電率（%）調(diào)平衡前65.81020.462.50.9428.94調(diào)平衡后92.51020.662.70.8731.26提高值26.70.20.2-0.072.327.4五、結論及認識1.抽油機井系統(tǒng)效率可分解為地面效率和井下效率，地面效率主要由電機效率決定，而井下效率主要取決于抽油泵的效率。2. 在生產(chǎn)過程中地層情況、油井情況及油井工作制度的改