抽油机井系统效率计算及能耗节点分析

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摘要：针对常规抽油机采油系统存在系统能耗高、效率低的问题，借鉴油田内对抽油机的理论分析结果，分析了抽油机系统各节点的能耗状况，对高能耗节点开展了针对性地分析研究，并采取有效方法，为现场节能措施提供指导作用。

关键词：抽油机系统；节点的能耗

中图分类号：TE933 文献标识码：A 文章编号：

1有用功计算方法

常规计算系统效率的公式：

η= QHρg/86400P电

式中：η—机械采油井的系统效率，%；Q —抽油机井日产液量，m3/d；H—泵举升液体的有效扬程，m；ρ—抽油机井液体密度 t/m3；P电入—电机的输入功率或抽油机井的实耗功率，KW。

公式表明，影响系统效率的主要因素是产液量、有效举升高度和耗电量。为此，从有杆泵抽油井的能量损失入手，分析各节点处能量损失对系统效率的影响。

有杆泵抽油井的能量损失包括地面和井下两部分，见油井单耗关联图1。

有杆泵的系统效率公式：

η = ηu ηd，（1）

式中：η—有杆泵的系统效率，无量纲；ηu—地面部分效率，无量纲；ηd—井下部分效率，无量纲。

图1油井单耗关联图

地面部分的能量损失，发生在电动机、皮带-减速箱、四连杆机构中，因此：

ηu = η1 η2 η3，（2）

井下部分的能量损失发生在盘根盒、抽油杆柱、深井泵以及管柱中，因此：

ηd = η4 η5 η6 η7，（3）

2能量损失计算方法

根据能量守恒定律，输入功率P入应当等于有效功率P有与损失功率ΔP的和，即：

η系统=P有/P入=1-ΔP/P入，（4）

公式表明，抽油机井系统效率只取决于损失功率与输入功率之比。根据抽油机井系统的组成情况，可以把抽油机井系统的功率损失分为八个部分：

（1）电机部分的损失ΔP。

（2）带传动部分的损失ΔP 。

（3）减速箱部分的损失ΔP 。

（4）四连杆部分的损失ΔP 。

（5）盘根盒部分的损失ΔP 。

（6）抽油杆部分的损失ΔP 。

（7）抽油泵部分的损失ΔP。

（8）管柱部分损失ΔP。

为此，从以上八个方面对系统效率的影响进行了分析，具体数据见表1。理论分析表明，能耗节点主要包括电机、皮带、减速箱、四连杆、盘根盒、抽油杆、抽油泵、管柱等八个主要节点。皮带传动效率、减速箱效率、四连杆效率、盘根盒效率均达到90%以上，由表1可知，对能耗影响较大的因素主要是电机、抽油泵、抽油杆、管柱。依据相关技术文献资料和现场试验及理论分析结果，常规抽油机-有杆泵抽油系统中能耗点的节点损耗由高到低依次为电机、抽油泵、管柱、抽油杆、四连杆、减速箱、盘根盒、皮带。

表1油田内抽油机各节点能耗状况理论分析结果

2抽油机井能耗主要影响因素分析

2.1地面主要因素影响

电机的影响关键在于电机负载率的影响。目前电机平均负载率29.5%，主要是由于抽油机在运转过程中负荷具有交变载荷的特点，要求再选择驱动电机时留有足够的裕度，满足抽油机的启动要求。电机在正常运行时以轻载运行，存在“大马拉小车”现象，使电机的负载率低，对机采系统能耗影响较大。电机负载率过低时，电机效率和功率因数下降，严重影响抽油机系统能耗。由图2可知，当电机负载率低于20%时，电机功率因数低于0.3；当电机负载率高于80%时，电机功率因数将达到0.8以上。因此，为保证抽油机在负载波动的情况下，避免反发电现象，电机在功率因数应控制在0.5-0.7之间运行。

图2功率因数随负荷率的变化曲线

2.2井下主要因素影响

（1）抽油杆对耗能的影响。抽油杆的损失功率主要包括黏滞损失功率和滑动损失功率。黏滞损失功率主要取决于举升过程中的液体黏度、泵挂深度、管径、杆径、冲程、冲次等6个因素，并随之增加而增加。滑动损失功率主要取决于井斜的水平轨迹长度、冲程、冲次、抽油杆重度以及杆管材质这5个因素，并随之增加而增加。分析可知，通过抽油杆质量和减小泵挂深度，降低冲次、冲程等，同时优化抽油杆的杆径、材质组合，可减少黏滞功率损耗和滑动功率损耗，最终提高抽油杆效率。

（2）管柱结构。油井正常抽汲过程中，由于液柱载荷使抽油杆柱和油管柱发生伸缩变形，引起活塞和泵筒在一定范围内相向运动，使活塞的冲程小于光杆冲程，其值称为冲程损失。冲程损失越大，产量损失也越大，泵效就降低得越多。

（3）光杆与盘根盒间的磨阻。光杆与盘根盒间的磨阻盘根盒起密封流体作用，测试结果证明，盘根盒密封过紧时光杆上下行程中磨阻的增加可引起驴头悬点负荷变化1～2t，为克服变化的负荷，电机功耗会大幅上升。

（4）泵的影响。抽油泵效率是机采系统井下效率重要的一部分，其功率损失主要为抽油泵柱塞与衬套之间的摩擦损失、泵漏失损失和产出液流经泵阀时由于水力引起的功率损失。

2.3设计和管理

（1）抽油机参数。研究表明，抽汲参数（冲次、冲程、泵径、下泵深度以及抽油杆尺寸）对抽油机井效率影响较大。一是冲程和冲次对系统效率的影响。无论哪一种杆柱，随着冲程长度的增加，冲次下降，其能耗下降。对于某一特定的杆柱有某一最小冲程才能使其耗能较低。二是泵径对耗能的影响。较大泵径配以合理的最小冲程，可以使能耗最小。其原因是大直径泵可以在较低抽汲速度下得到所要求的产液量，从而使水力损失和摩擦损失减小。当其它条件一定时，抽汲参数及液量的变化，不仅会对排量系数与泵系统效率产生直接的影响，而且由此引起的排量系数的变化又将对泵效率产生影响。

（2）抽油机平衡率影响。当抽油机不平衡时，上冲程中电动机承受着极大的负荷，下冲程中抽油机反而带着电动机运转，从而造成功率的浪费，降低电动机的效率和寿命。随着开采时间和井况的变化，抽油机井的平衡状态也随之变化，抽油机井系统的平衡度对抽油机井的系统效率影响较大，保持合理的平衡是抽油机井节能降耗的有效手段，研究新的平衡方式，实现随动平衡，使抽油机井运转过程中的平衡状态随负载的变化而调整，从而达到节能的目的。

（3）抽汲参数优化调整，降低能耗。抽汲参数优化是改善设备运行状况，降低机采能耗最直接、最经济的手段。几年来，以合理流压为理论基础，根据生产动态变化，及时进行抽汲参数的优化调整。主要做法：一是针对供液不足井，采取安装低转速电机、间抽、换小泵、调小参等措施，保持合理沉没度，提高系统效率；二是针对供液能力较强的井，换大泵时合理上提泵挂，减小举升载荷；三是对供采关系平衡的井，在保证产量稳定的前提下，采用长冲程、慢冲次或换大泵降冲次等优化措施，减小交变载荷，降低举升能耗。

3结束语

针对能耗高的四个节点对采油系统的能耗进行分析，寻求各种改善抽油机性能和提高节能效果的方法，提出系统的最优配置方案，对指导油田在不同开发阶段进行抽油设备配套和抽油机节能改造以及降低采油成本具有重要意义。

参考资料：

[1]王鸿勋，张琪等.采油工艺原理[M].石油工业出版社，1989.