不同工況下抽油機能耗規律研究

阮晶琦，梁宏寶，鄭應偉

（1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318；2.華北石油管理局節能監測站，河北任丘062550）①

不同工況下抽油機能耗規律研究

阮晶琦1，梁宏寶1，鄭應偉2

（1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318；2.華北石油管理局節能監測站，河北任丘062550）①

針對抽油機效率低的問題，分析了地面效率、井下效率、能耗及其產生原因，對影響系統效率的因素進行研究。結果表明：影響抽油系統效率的因素主要是電機負載率、抽油機平衡率、皮帶松緊度、盤根的松緊度等；其中生產參數（沖次、沖程、泵徑、泵深）影響最大，其次為桿柱組合情況、電機影響，最后為四連桿機構和皮帶。通過相關試驗得到了影響系統效率的規律，可為采用節能設備來提高油井的系統效率提供理論依據。

抽油機；載荷；系統效率；能耗

目前，我國抽油機井的井數占生產總井數的90%，而抽油機的能耗大和效率低［1-2］是存在的主要問題。中石油抽油機井的平均系統效率為23%，大慶油田的系統效率最高為25%。系統效率的高低直接反應出系統耗能的多少。隨著油田開采的不斷進行，其能耗問題變得越來越嚴重，也成為研究的重要內容。很多研究人員對此進行了大量研究，但系統效率仍然很低。本文通過對抽油機系統效率影響因素和影響程度的分析，得到系統的耗能規律，對抽油系統的節能研究具有重要意義。

1 系統效率的組成

抽油機采油是將地面上的電能傳給井下液體，再把井下液體舉升到井口，這個過程中能量不斷地傳遞和轉化，能量每一次的傳遞和轉化都伴隨有一定的損失，除去損失后的有效能量與系統輸入能量的比值，稱為抽油機井的系統效率。

抽油機井系統效率包括地面效率和井下效率2部分［3］。光桿懸繩器以上的為地面效率，光桿懸繩器以下為井下效率。抽油機井的系統效率為

地面部分的能量損失在電動機、皮帶（三角帶）、減速箱及四連桿機構中。地面效率為

井下部分能量損失在盤根盒、抽油桿、抽油泵及管柱的摩擦中。井下效率為

所以，抽油機系統的總效率為

式中：η為系統效率；ηdm為地面效率；ηjx為井下效率；ηd為電動機效率；ηpd為皮帶效率；ηj為減速箱效率；ηl為四連桿機構效率；ηp為盤根盒效率；ηg為抽油桿效率；ηb為抽油泵效率；ηgz為管柱效率。

2 抽油機井系統效率分析

2.1 地面影響因素

2.1.1 電機的影響

抽油機常用的動力裝置為Y系列三相異步電動機。Y系列電機效率約為92%，效率損失約為8%［4］。影響電動機效率的主要因素是電動機的功率匹配和抽油機的平衡度。

2.1.1.1 電機負載率的影響

抽油機在運轉過程中，工作載荷是帶有沖擊的周期性變化的交變載荷，為了保證抽油機的啟動力矩大，抽油機必須配備有大功率電機，而正常工作時電動機均以輕載運行。因此，當啟動力矩合適則負載功率必然出現匹配不合理，抽油機的實際輸入功率遠小于電機額定功率，即“大馬拉小車”［4-6］。結果使電機的負載率降低，損耗增大。電機的負載率過低時，電機效率下降，嚴重影響抽油機的系統效率。

根據抽油機的電機負載率與效率的關系曲線，當電機的負載率低于20%時，隨負載率提高，電機效率上升幅度較大；當負載率高于20%時，隨負載率提高，電機效率上升緩慢；當負載率高于40%時，隨負載率提高，電機效率基本穩定在90%。根據電機運行時的工況特點，確定20%為抽油機電機運行負載率。在生產中，根據光桿功率［7-9］來合理選擇抽油機電機的額定功率，對負載率低的電機進行“大調小”，以提高抽油機的電機負載率，降低電機的無功功率，實現節能，提高系統效率。

2.1.1.2 抽油機平衡率的影響

抽油機的懸點載荷［10-13］狀況對抽油機的能耗產生影響。抽油機工作時，懸點載荷和平衡塊在曲柄軸所產生的轉矩與電機輸入給曲柄軸所產生的轉矩應平衡。當抽油機不平衡，上沖程時電機承受著極大的載荷，下沖程抽油機反而帶著電機運行，從而造成功率的浪費［14］，使電動機的效率和壽命降低。因此，平衡率的高低將影響抽油機懸點動載荷和耗電量。實測抽油機平衡度與能耗關系曲線如圖1。

由圖1可得出：平衡度在80%～100%時，抽油機能耗最低，也就是平衡度在80%～100%時最節能。超出此范圍，能耗將會增加，效率將會下降。

圖1 抽油機平衡度與能耗的關系曲線

2.1.2 傳動皮帶的影響

傳動皮帶常采用三角皮帶，傳動效率為97%～98%，效率損失約為2%～3%［15-16］。傳動時，幾根皮帶組合使用時松緊程度很難保持一致，會造成皮帶間因為受力不均而出現相互錯動、打滑和振動現象，造成部分能量損失。皮帶傳動效率與皮帶的松緊度、兩輪的對正度及輪軸的同心度有關，其中皮帶的松緊度是影響皮帶傳動效率的最重要因素［17］。

陸東慶［18］選擇了3種不同型號的皮帶來研究皮帶的松緊度對能耗的影響，試驗數據如表1。從試驗數據可以看出：皮帶最緊和最松相比，上下電流都平均上升3 A，平均有功功率上升了0.94 k W，從最松到最緊電機頂絲每上緊1圈，有功功率會增加0.13 k W，可看出日耗電增加。對不同型號的皮帶，隨著長度的增加，皮帶從最緊到最松有功差值為增加，并得出抽油井皮帶的最佳運行狀態：比電機頂絲最松狀態時的電機頂絲擰緊近3圈左右，既可防止皮帶過緊對皮帶磨損和電機軸承的磨損，又可達到節能目的。

表1 皮帶松緊度對能耗的影響

2.1.3 減速箱的影響

減速箱里一般有3對人字齒輪和3副軸承，齒輪轉動時，相嚙合的齒面間由于相對滑動而產生摩擦損失，同時，軸承也產生摩擦損失。1對齒輪傳動效率損失約為2%，3對齒輪共損失約為6%；1副軸承傳動損失約為1%，3副軸承共損失約為3%；減速箱總的傳動損失約為9%～10%，在潤滑保養良好的情況下，總傳動效率約為90%。影響減速箱效率的主要因素是齒輪和軸承的潤滑度，一般出問題少，對系統效率影響較小。

2.1.4 四連桿機構的影響

在四連桿機構中［19］，共有3副軸承和1根鋼絲繩，四連桿機構的效率與軸承摩擦損失及驢頭鋼絲繩在往復運動過程中的變形損失有關。在潤滑保養良好的情況下，其損失約為5%，傳動效率約為95%。影響四連桿機構效率的主要因素是軸承潤滑情況和鋼絲繩的變形程度。

抽油機地面部分效率約為77%，在地面部分，由于減速箱出問題少，所以影響較小。除減速器外，對系統效率影響最大的是電機，其次是四連桿機構，最后為皮帶。

2.2 井下影響因素

2.2.1 盤根盒的影響

光桿與盤根盒的摩擦產生阻力，阻力大小直接影響功率損失。材質及壓緊程度不同使產生的阻力也有較大變化。理想情況下，傳動效率可達98%～99%。石墨盤根盒價格較高，所以很少使用，目前大部分使用橡膠填料的盤根盒。盤根盒松緊度和驢頭井口的對中程度是影響盤根盒效率的主要因素。盤根盒過緊和井口偏磨會使懸點載荷增加，光桿與盤根盒的摩擦阻力增大，耗電增加，效率降低。

為得到不同壓緊狀態下盤根的數據，采用專用力矩扳手進行試驗，數據如表2。從測試數據可以看出：隨著力矩增加，懸點最大載荷增加；力矩每增加10 N·m，懸點最大載荷平均增加1 k N，有功功率平均增加0.23 k W；盤根在旋緊過程中，有功功率逐漸增加，耗電量也逐漸增加，系統效率逐漸降低1%～3%。因此，盤根的松緊度對系統效率的提高具有重要意義。

表2 使用力矩扳手對盤根松緊測試數據

2.2.2 抽油桿和油管柱的功率損失影響

在理想情況下，管桿柱部分的效率［20］可達91.6%。抽油桿重力增加使抽油桿運行負荷增大，能量損失增加。桿柱的運動能耗與桿柱的設計有關。

為得到抽油桿尺寸對能耗的影響，在泵徑為?38 mm、舉升高度為1 829 m、產量79.5 m3／d條件下，采用4種桿柱組合，得到能耗隨著沖程增加的數據，如表3。

由表3數據可得：較重的抽油桿柱能耗較低，?25 mm×?22 mm×?19 mm×?16 mm和?25 mm× ?22 mm×?19 mm桿柱的能耗高，相應的耗電費用也高。但隨著沖程的增加，4種桿柱的能耗均下降。對于某一特定的桿柱組合存在一個最小沖程使能耗較低。除?22 mm×?19 mm×?16 mm外，其余3種桿柱組合在沖程增加到4 m時，電費降低明顯，之后平緩。因此，沖程需要保持合理的值才可以明顯降耗。

表3 沖程與年耗電費的關系

2.2.3 深井泵

深井泵效率主要受3方面因素的影響：管桿柱的彈性伸影響、氣體或充滿度的影響和漏失的影響。其中，泵的充滿度與生產參數（沖次、沖程、泵徑、泵深）有關。深井泵效率［20］可達85.2%～88.4%。井下部分的效率約為76%～80%。在井下部分，對系統效率影響最大的是生產參數，其次為桿柱組合情況，最后為盤根盒的影響。

2.2.3.1 沖次的影響

沖次對抽油泵效起決定作用，沖次、動載荷、摩擦載荷增加，系統效率下降。

選抽油機型號、泵徑、沖程和泵掛相同，產液量接近，不同沖次的油井進行測試，數據如表4，從數據可看出：沖次越低，系統效率越高。

表4 沖次與系統效率的關系

2.2.3.2 沖程的影響

沖程對泵效的影響也很大。當沖程增加后，可減少氣體的不良影響；對于已磨損的泵，還可減少液體的漏失量，從而提高抽油效率。選抽油機型號和產液量相同，泵徑均為?32 mm、沖次均為5.5 min－1，泵掛接近，沖程不同的油井進行統計分析，如表5。

表5 沖程與系統效率和耗電量的關系

由表5可看出：沖程越大，系統效率越高，當沖程從1.8 m上升到3.0 m時，系統效率提高1.2%，日耗電下降14.4 k W·h。

無論哪一種桿柱，隨著沖程增加，沖次下降，其耗能下降，系統效率越高。

2.2.3.3 泵徑的影響

當沖程和沖次相同時，泵徑越大，排量越大。但大直徑泵的使用，受到套管尺寸和抽油桿強度限制。

吳雪琴對沙南油田沙丘3油藏進行了現場測試［21］，根據測試數據作泵徑與系統效率的關系曲線，如圖2。

圖2 泵徑與系統效率的關系曲線

由圖2可得出：在泵徑為?55 mm左右時系統效率最大。泵徑為?70 mm和?83 mm的系統效率相對于?38 mm和?44 mm的高，因為大直徑的泵可在較低的抽汲速度下產出所要求的產液量，使水力損失和摩擦損失減小，提高系統效率。因此，存在某一較大泵徑使系統效率達到最大值。較大泵徑配以合理的最小沖程，可使能耗最小，提高系統效率。

2.2.3.4 泵深的影響

沉沒度過低時會導致抽油泵供液不足、結蠟嚴重、采出液黏度上升、抽油桿下行阻力增大、抽油桿因彎曲而產生偏磨［22-23］。沉沒度過大會使懸點載荷增加，能耗增大，系統效率降低。因此，對沉沒度不合理的油井采取上提泵掛的措施，既節省了大量的管桿材料，還可以治理偏磨。調整泵深測試數據對比如表6。

表6 泵深調整測試數據對比

由表6可看出：泵掛上提100 m后，產液量增加1 t，懸點最大載荷下降3.5 k N，有效功率增加0.18 k W，系統效率增加3%，日耗電量下降9 k W·h。因此，在保證油井供液的前提下使沉沒度最小，系統效率較高。

通過大量的現場數據總結發現：一般含水率在90%以上的井，合理的沉沒度應在200～250 m；含水率低于80%的井，合理的沉沒度應在350～400 m；稠油井合理的沉沒度為400～500 m。

3 結論

1） 影響抽油機系統效率的因素主要有電機負載率、抽油機平衡率、皮帶松緊度、盤根的松緊度、抽油桿柱組合情況、沖次、沖程、泵徑、泵深9個。其中：生產參數（沖次、沖程、泵徑、泵深）影響最大；其次為桿柱組合情況、電機影響；最后為四連桿機構、帶和盤根盒的影響。

2） 要提高系統效率就是要提高地面效率和井下效率。提高地面效率就是要提高電機、抽油機及傳動部分的效率；提高井下效率主要是通過優化生產參數和桿柱組合情況來實現。同時還應做好清蠟，潤滑、保養、維護等日常管理工作。

3） 通過對電機功率的匹配進行分析，確定了電機運行負載率，為生產中對負載率低的電機進行“大調小”提供了依據。

4） 抽油機平衡度在80%～100%時最節能，當超出此范圍，能耗將增加。

5） 對于同型號的皮帶，皮帶越緊越耗電；對于不同型號的皮帶，皮帶越長越耗電。盤根越緊越耗電，系統效率越低。

6） 無論哪一種桿柱，隨著沖程的增加，沖次下降，其耗能下降。對于某一特定的桿柱組合有一最小沖程能使其能耗較低。較大的泵徑配以合理的最小沖程，可使能耗最小。

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Study on Energy Consumption Laws of the Pumping Unit under Different Working Conditions

RUAN Jing-qi1，LIANG Hong-bao1，ZHENG Ying-wei2（1.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China；2.Energy-saving Monitoring Stations，North China Petroleum Administration Bureau，Renqiu 062550，China）

In this paper，the problem of low efficiency for pumping，the energy efficiency of surface and downhole efficiency composition system efficiency and the causes of energy produced are analyzed.The factors affecting the efficiency of the system were studied.Factors that influence efficiency of pumping system is derived，there are nine major factor composed with the motor load rate，pumping unit balance rate，tightness of the belt，packing firmness，etc.Where production parameters（stroke times，stroke，pump diameter，pump depth）the greatest impact，followed by a combination of column lever，the motor influence，and finally the four-bar linkage with.Through the relevant test to obtain the effect of the law of the system efficiency，a theoretical basis for the use of energy-efficient equipment is provided to improve system efficiency wells.

pumping unit；load；system efficiency；energy consumption

TE933.1

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.003

1001-3482（2014）07-0008-05

2014-01-17

黑龍江省教育廳攻關項目（No.12531071）

阮晶琦（1972-），女，黑龍江大慶人，講師，碩士，主要從事石油礦場機械設計和石油生產節能技術研究，E-mail：ruanjingq＠163.com。