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1、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。Ne/Ni100,（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 3600 np k k1 /(nw tp) （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1 kWh时所转的圈数，r(kWh)；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
2、的实际有效功率，又称水功率。NeQH mg/86400 kW （3）式中 Q油井实际产混合液量，m3d；H有效举升高度，m；m油管内混合液相对密度，103kgm3。m0.66(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：HHd+ 102(pt- - PC )/ m （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： （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。
3、可表示为sw （7）式中s-抽油系统的地面效率； w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1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2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3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
4、的变形损失。,4盘根盒的效率4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5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6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7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
5、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sw1234567 （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180。皮带轮的效率胶90，齿轮的传递效率齿98(3副)，轴承的效率轴99(3副)，皮带轮减速器的效率可表示为2胶齿3轴390(98)3(99)382,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
6、的影响，轴承效率取轴99(3副)，钢丝绳效率取绳98，故四连杆机构效率可表示为3轴3绳(99)39895于是，地面效率最大目标值表示为s=12380829562,（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490，抽油杆柱效率590，抽油泵效率680，油管柱效率795。井下效率最大目标值为w45679090809562,（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maxmaxsw626238.4综上所述，有杆抽油系统的最大目标只有384。,4、抽油机井系统效率计算方法（一）常规法：
7、,实用的系统效率计算公式： （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 （12）式中 Hp-泵挂深度，m； qp抽油量，td。,停机后测得油井自喷量，再按下式计算qp ：qp= q- qf （1
8、3）式中 q开井生产时测得的产液量，td； qf油井停机后测得的自喷量，td。,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
9、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,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12 65104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
10、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,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。,经济泵效的确定,6.2.经
11、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200300 m 的沉没度较合理。,胜利采油厂含水小于80%时泵效与沉没
12、度的统计规律沉没度范围为300400 m。,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
13、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,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0.81.2 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，
14、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,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，,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机效率大幅上升，电机负载率高于20%时，随着负载率的提高电机效率上升缓慢，电机负载率高于40%以后，电机效率基本保持在90
15、%不变。因此，对电机负载率低于20%的油井重新匹配电机功率，提高其负载率，可明显提高电机的运行效率。,6.5、电机部分,理论依据,根据光杆功率选择电机功率试验前后对比表,平均负载率提高5.5%，平均电机额定功率降低14.1kw，平均单井日节电40.1kw.h，平均节电率23.9%。,采油二队试验结果,6.6泵径、冲程、冲次的优化： 一般选择大泵径、长冲程、慢冲次。即采用的常规大一级的泵径，设备的最长冲程，从而进可能的减少冲次，达到延长检泵周期和节能的目的。,6.7 防止非正常泄漏,6.7.1 对于密封不严的油管，应适当减小沉没度，或及时更换新油管，提高抽油机井的系统效率6.7.2 对于密封不严的深井泵，应适当减小沉没度，或及时检泵、换泵，提高抽油机井的系统效率,技术方案的探讨和论证,1、设计原则：在保证液量、延长油井免修期的前提下提高油井系统效率、降低油井单耗；,(四)、技术认识与成果,技术方案的探讨和论证,3、电机方面：,利用光杆功率法确定电机功率是有效避免抽油机电机“大马拉小车”的技术手段。,电机经济负载率为20%。,(四)、技术认识与成果,
