機械采油效率影響因素研究

張 波，周世德，張亞利，周善興

（中國石油長慶采油一廠測試實驗大隊，陜西 延安 716000）

抽油機系統由地面和井下兩大部分組成，地面部分主要包括電動機、皮帶與減速箱以及四連桿機構；井下部分主要包括抽油桿柱、深井泵以及油套管柱。抽油機系統總效率受各部件效率的影響，對通過測試所得到的數據進行有針對性的分析，旨在提高抽油機井系統效率。

一、抽油機井系統效率分析

1.抽油機井系統效率分解

（1）電機運行效率

①電機輸入功率(系統輸入功率)

電機平均輸入功率測試采用電度表—秒表法進行測取。抽油機運轉時，測取電度表所轉圈數和所用時間，則電機平均輸入功率為：

式中：P1——電機輸入功率，kW；

np——電度表所轉圈數，無因次；

K1——電流互感器變比，無因次；

Np——電度表常數，r/kW；

tp——轉np圈所用時間，s。

②電機輸出功率

在電機輸出軸處貼電阻應變片，將電機軸應變曲線記錄下來，并由轉速儀測試電機實際運行轉速，則電機平均輸出扭矩和功率為：

式中：M電——電機平均輸出扭矩，N·m；

E——電機軸彈性模量，N/m2；

μ——電機軸泊松比，無因次；

D——電機軸直徑，m；

ε實——實際平均應變值；

P2——電機功率，kW；

n電——實測電機軸轉速，r/min。

知道電機輸入輸出功率，即可得到電機的運行效率η1=P2/P1。

（2）皮帶及減速箱效率

電機輸出功率P2即是皮帶及減速箱的輸入功率P3，其輸出功率P3與P2測試技術相同，皮帶及減速箱效率η2=P3/P2。

（3）四連桿機構效率

在懸繩器處安裝動力示功儀，測取動力示功圖，則光桿功率為：

式中：A——示功圖面積，mm2；

Sd——減程比，m/mm；

fd——力比，N/mm；

n——光桿沖次，1/min。

由光桿功率就可計算四連桿機構效率η3=P4/P3。

（4）井下效率

井下部分的能量損失主要發生在盤根盒、抽油桿、抽油泵和管柱上，因此井下效率為：

式中：η1——盤根盒效率；

η2——抽油桿效率；

η3——抽油泵效率；

η4——管柱效率。

2.抽油機井地面效率影響因素分析

抽油機井地面效率受多種因素的影響，如抽油設備、抽汲參數、油井生產狀況以及管理水平等。因此，提高抽油機井地面效率可以通過改善上述條件來實現。

抽油機輸入能量在轉換和傳遞過程中會發生損失。根據地面驅動設備組成情況，可將其功率損失分為以下四個部分。

（1）電機部分損失

包括熱損失和機械損失，用△P1表示。

（2）皮帶部分損失

主要是傳動過程中的摩擦損失，用△P2表示。

（3）齒輪減速器部分損失

主要是傳動過程中的摩擦損失，用△P3表示。

（4）四連桿機構部分損失

主要是軸承的摩擦損失和鋼絲繩變形損失，用△P4表示。

因此，抽油機井地面驅動設備的全部能量損失為：

抽油機井地面效率為：

式中：P1m——電機輸入功率。

可見，地面設備能量損失越大，地面效率越低；反之，地面效率越高。因此，提高地面效率可以通過提高抽油機各部件的效率來實現。

3.測試及資料收集

根據機采系統的工作特點，可將抽油機系統效率分為兩部分：即地面效率和井下效率（以光桿懸繩器為界），則系統效率η：

P光即為抽油機的光桿功率，是指光桿提升液體和克服井下各種阻力所消耗的功率。P水即抽油系統的有效功率，是指在一定的揚程下，將一定排量的井下液體提升到地面所需要的功率。P入即抽油系統的輸入功率，是指拖動抽油機的電動機的輸入功率。

二、抽油機井系統效率測試情況

采油一廠現管轄陜、晉兩省16個縣市境內的27 465km2礦權面積，2010年底共探明地質儲量34 419.41萬t，動用地質儲量34 243.57萬t，動用含油面積584.58km2。管理12個采油單位，18個油藏。現有油井4 737口，開井4 177口。平均單井日產液4.36m3，單井日產油2.00t，含水45.7%，平均泵掛1 225m，平均動液面1 033m，平均抽汲參數φ33mm×1.77m×4.8次/min，平均泵效42%，檢泵周期542天。抽油機以四型、五型、六型為主，占全廠抽油機97%。

三、油井系統效率主要影響因素分析

根據系統效率基本原理，結合安塞油田系統效率測試、分析及調整情況，影響系統效率的因素主要有油井產液量、生產參數、抽油機平衡度等。

1.產液量是影響系統效率的主要因素

單井系統效率的高低是有桿抽油井運行是否協調的重要標志，單井系統效率越高，則產液的噸油耗電量越少。對于系統效率低的井，產液量低是主要原因，主要是產液量低會導致供液能力不足和抽油泵泵效低，供液能力不足會導致動液面下降、沉沒度減少，嚴重時會因為長時間不出油而燒壞盤根。供液不足一是因為抽汲參數設計不合理，可通過采用小泵徑、低沖次、長沖程、加深泵掛等措施保持長時間穩產；二是自然開采衰竭井，目前措施是采用合理組合參數或間開的方法。

根據所測試油井的系統效率，選取泵徑、沖程、泵掛、抽油機型號相同，沖次基本接近，產液量不同的95口油井進行統計分析，可以看出在相同的抽油設備及相同的工作參數情況下，產液量越高，系統效率越高，但產液量的高低對油井耗電量基本不產生影響（見表1）。

表1 不同產液量系統效率對比表

2.沖次是影響系統效率的關鍵因素

油井沖次是決定抽油泵效的重要因素，同時沖次增大后，其動載荷、摩擦載荷相對增加，抽油機單位時間內做的功以及輸入功率隨之增加，導致系統效率下降。

選泵徑、沖程、泵掛、抽油機型號相同，產液量基本接近，不同沖次的油井進行統計分析，可以看出在相同的抽油設備及相同的工作參數情況下，沖次越低，系統效率越高，耗電量越小（見表2）。

表2 沖次與系統效率、耗電量的關系

3.沖程是影響系統效率的重要因素

油井沖程對抽油泵效的影響也很大，在相同的產液情況下，沖程越大，泵效越小，系統效率越小，同時沖程增大后，抽油桿在運動中的摩擦耗功增大，導致系統效率下降。

選泵徑、沖次、產液量、抽油機型號相同、泵掛基本接近，不同沖程的油井進行統計分析，可以看出在相同的抽油設備及相同的工作參數情況下，沖程從1.79m上升為2.44m時，系統效率提高了1.24%，日耗電下降14.35kW·h。

表3 沖程與系統效率、耗電量的關系

4.抽油機平衡狀況是影響系統效率的重要因素

安塞油田大多使用的是常規型游梁式抽油機，驢頭懸點運動加速度較大，平衡效果較差，造成抽油機載荷波動較大，在一個沖次周期內電機有明顯的正功與負功交替，抽油機在運轉過程中，用于克服慣性載荷的負功明顯增大，系統效率降低。

因此要使抽油機最節能，就是要使電機的變動損耗最小，也就是均方根電流最小。平衡度較差，則均方根電流勢必上升，變動損耗增加，耗電量上升。

四、結語

通過對作業區的測試資料分析，并對比不同時期油井的系統效率狀況，初步得到以下結論。

第一，部分井系統效率比較低的主要因素為單井產量低，抽油系統工作參數大于地層供液能力。

第二，采用長沖程低沖次有利于提高系統效率。

第三，抽油機匹配合適功率的電動機，可有效提高系統效率，降低能耗。

第四，抽油機平衡也是影響系統效率的重要因素，調整抽油機平衡同樣可以提高抽油機系統效率，節約能耗。

[1]鄔亦炯，劉卓均.有桿抽油設備與技術叢書之《抽油機》分冊[M].石油工業出版社.