潛油電泵系統(tǒng)效率分析

盧曉云

（大慶油田裝備制造集團(tuán)抽油機(jī)分公司研究所，黑龍江 大慶 163318）

0 引 言

當(dāng)油田投入開發(fā)以后，隨著不斷開采，地下情況處于運(yùn)動和變化之中，這些變化又通過生產(chǎn)井的油、氣、水產(chǎn)量和壓力的變化反映出來。

當(dāng)油井使用潛油電泵采油時，及時掌握和分析潛油電泵井的變化規(guī)律，研究油、氣、水在油層中的運(yùn)動規(guī)律和分布情況，對于保持油井穩(wěn)產(chǎn)是很重要的。

并且通過對大量潛油電泵井的各種變化進(jìn)行綜合分析，為油田大批量使用潛油電泵采油提供準(zhǔn)確的資料和依據(jù)。

1 系統(tǒng)效率計算與測試

1.1 系統(tǒng)效率的分解

潛油電泵在運(yùn)行過程中，其各組成部分都有能量損失，系統(tǒng)效率η可用下式進(jìn)行表示：

式中：P1——變壓器輸入功率，kW；

P2——變壓器輸出功率，kW；

P3——控制柜輸出功率，kW；

P4——電纜輸出功率，kW；

P5——電機(jī)輸出功率，kW；

P6——保護(hù)器輸出功率，kW；

P7——潛油泵輸入功率，kW；

P8——潛油泵輸出功率，kW；

P9——潛油電泵系統(tǒng)的有效功率，kW；

η1——變壓器效率；

η2——控制柜效率；

η3——電纜效率；

η4——電機(jī)效率；

η5——保護(hù)器效率；

η6——分離器效率；

η7——潛油泵效率；

η8——管柱效率。

1.2 測試參數(shù)與計算公式［1－3］

潛油電泵的輸出功率P9（有效功率）等于潛油電泵的輸入功率P1與各部分功率損耗ΔPi之差，即

1.2.1 變壓器功率損耗ΔP1

用標(biāo)準(zhǔn)電度表測變壓器輸入功率P1，用功率表測輸出功率P2，便可得到變壓器的功率損耗ΔP1。

用電度表測量時，其輸入功率為：

式中：n——電度表所轉(zhuǎn)圈數(shù)；

Kc——電流互感器變比；

Kv——電壓互感器變比；

C——電度表常數(shù)；

t——轉(zhuǎn)n圈所用時間。

用功率表測量輸出功率為：

式中：n1——功率表1的顯示格數(shù)；

n2——功率表2的顯示格數(shù)；

f——單位格數(shù)的功率，kW。

變壓器的功率損耗為：

變壓器的效率為：

1.2.2 控制柜功率損耗ΔP2

變壓器的輸出功率為控制柜的輸入功率，用功率表測出其輸出功率P3，則控制柜的功率損耗為：

其效率為：

1.2.3 電纜功率損耗ΔP3

電纜功率損耗可用間接方法測試，用萬用表測量電阻，用下式進(jìn)行計算：

式中：I——電纜工作電流，A；

R——電纜電阻，Ω。

控制柜輸出功率為電纜輸入功率減去電纜功率損耗，便是電纜輸出功率P4，即

則效率為：

1.2.4 電機(jī)和保護(hù)器功率損耗ΔP4＋5

電纜輸出功率為電機(jī)輸入功率，由于結(jié)構(gòu)原因只能將電機(jī)和保護(hù)器一起測量，用下式計算其功率損耗：

式中：ΔP6——分離器功率損耗，kW；

ΔP7——潛油泵功率損耗，kW；

ΔP9——系統(tǒng)有效功率，kW。

則效率為：

1.2.5 分離器和潛油泵功率損耗ΔP6＋7

用水泵效率測試儀器測取潛油泵的效率η6＋7，則分離器和潛油泵的功率損耗為：

其中P9可用下式進(jìn)行計算：

式中：Q——油井產(chǎn)液量，m3／s；

H——油井總動壓頭，m；

ρ——液體密度，kg／m3；

g——額外重力加速度，g＝9.8m／s2。

1.2.6 潛油電泵井系統(tǒng)總效率

潛油電泵井系統(tǒng)總效率為：

1.3 系統(tǒng)效率測試

潛油電泵系統(tǒng)效率測試分室內(nèi)分解測試和生產(chǎn)井系統(tǒng)效率測試兩部分。由于潛油電泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分解測試中將系統(tǒng)分解為變壓器、控制柜、電纜、電機(jī)與保護(hù)器、分離器與潛油泵等部分，測試不同工況下各個部分的能耗。測試部位的儀器儀表連接如圖1所示［4］。

圖1 潛油電泵系統(tǒng)效率測試儀器儀表連接示意圖

2 系統(tǒng)效率分析

2.1 系統(tǒng)組成部件損耗分析［5－7］

根據(jù)潛油電泵系統(tǒng)的組成情況，可以把潛油電泵系統(tǒng)的功率損失分為7個部分，即：變壓器損失ΔP1、控制柜損失ΔP2、電纜損失ΔP3、電機(jī)損失ΔP4、保護(hù)器損失ΔP5、分離器損失ΔP6和潛油泵損失ΔP7。

2.1.1 變壓器損失ΔP1

變壓器損失分為鐵損和銅損，這兩項損失又都包含基本損失和附加損失。一般情況下，變壓器損失占系統(tǒng)總損失的比例較小。中小型變壓器的效率一般應(yīng)在95%～98%之間。

2.1.2 控制柜損失ΔP2

控制柜損失主要是部分電氣元件的發(fā)熱損失、控制變壓器的鐵損和銅損以及中心控制器的損耗等。控制柜損耗很小，一般不超過1kW，效率在99%左右。

2.1.3 電纜損失ΔP3

當(dāng)電流和電壓一定時，電纜損失與電纜的截面積及長度有關(guān)。

2.1.4 電機(jī)損失ΔP4

電機(jī)損失包括定子銅損、轉(zhuǎn)子銅損、主磁通在定子鐵芯中產(chǎn)生的鐵損、軸承摩擦損失和通風(fēng)損失等。

一般來講，電機(jī)的最大效率在額定功率的70%～100%這一范圍內(nèi)。額定負(fù)載時，潛油電機(jī)的效率在75%～94%之間，容量越大，效率一般越高。

2.1.5 保護(hù)器損失ΔP5

保護(hù)器的能量損失主要是機(jī)械摩擦損失，對于一定型號規(guī)格的保護(hù)器來講，其損耗基本為一定值。

2.1.6 分離器損失ΔP6

分離器損失由水力損失、容積損失和機(jī)械摩擦損失等組成。這部分功率損失占總損失的比例較小，效率一般為95%。

2.1.7 潛油泵損失ΔP7

離心泵損失由機(jī)械損失、水力損失和容積損失3部分組成。

機(jī)械損失包括兩部分：一是泵內(nèi)軸套與軸承、葉輪徑向扶正部位與導(dǎo)殼的機(jī)械摩擦損失，這部分損失與泵的機(jī)械設(shè)計有關(guān)；二是葉輪在泵內(nèi)液體中高速旋轉(zhuǎn)時，葉輪表面與液體的摩擦阻力損失，這部分損失與葉輪的直徑及表面粗糙度有關(guān)。

水力損失也包括兩部分：一是流道部分的沿程阻力損失和局部損失，主要與流道部分的結(jié)構(gòu)和流體粘度有關(guān)；二是液體進(jìn)入葉導(dǎo)輪時的沖擊損失，主要由于液體的水力角和結(jié)構(gòu)不一致所造成的。

容積損失主要是由于高壓液體通過葉輪與導(dǎo)殼間的間隙形成的環(huán)流所造成，這部分損失將降低泵的理論排量。

2.2 技術(shù)管理對系統(tǒng)效率的影響

油井供液能力與潛油電泵的排量、揚(yáng)程匹配不合理，將導(dǎo)致潛油電泵長期在泵最佳排量范圍外工作，這種現(xiàn)象將會使?jié)撚碗姳迷诘托使r下運(yùn)行。要改變潛油電泵井的這種低效率工作狀況，應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)管理：

1）對于檢泵井及新轉(zhuǎn)抽井，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，包括泵的額定排量、揚(yáng)程、泵掛深度及液面深度、油壓等參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

2）對于正在運(yùn)行的潛油電泵井，應(yīng)優(yōu)化潛油電泵的運(yùn)行參數(shù)，以保證潛油電泵機(jī)組始終處于高效區(qū)工作。

2.3 運(yùn)行參數(shù)對系統(tǒng)效率的影響［8］

潛油電泵井系統(tǒng)效率現(xiàn)場測試結(jié)果明細(xì)見表1。

根據(jù)表1中的測試結(jié)果可以看出，潛油電泵的最高效率點(diǎn)偏離泵的最高效率點(diǎn)，并處于額定排量右側(cè)。該井潛油電泵的額定排量（最高效率點(diǎn)）為320m3／d，額定揚(yáng)程為1 000m，下泵深度為1 064.1m。

理論上講，潛油電泵的最高效率點(diǎn)應(yīng)在320m3／d附近。而實(shí)測結(jié)果表明，該井潛油電泵系統(tǒng)的最高效率點(diǎn)在376m3／d、有效揚(yáng)程為763m的工況點(diǎn)上，此工況點(diǎn)的系統(tǒng)效率為39%，其它各點(diǎn)均低于此值。從測試結(jié)果也可以看出，在泵最高效率點(diǎn)以右的高效工作區(qū)內(nèi)，隨泵排量的增大，系統(tǒng)效率增大，當(dāng)產(chǎn)量增加超過高效區(qū)以后，隨著產(chǎn)量的增加，系統(tǒng)效率降低。

根據(jù)表1，當(dāng)油壓在1.8MPa時，系統(tǒng)效率達(dá)到最高點(diǎn)，當(dāng)油壓低于或高于此值時，隨著油壓的下降或上升，系統(tǒng)效率都呈下降趨勢。由此可見，在一定范圍內(nèi)，可以通過改變油壓（調(diào)節(jié)油嘴的大小）使系統(tǒng)效率達(dá)到最高。

3 提高系統(tǒng)效率的措施［9－10］

3.1 潛油電泵井優(yōu)化設(shè)計及參數(shù)優(yōu)選

首先，采用科學(xué)的潛油電泵選擇方法，根據(jù)油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行潛油電泵設(shè)備的選擇配套。其次，要求在潛油電泵井生產(chǎn)過程中，根據(jù)油井的實(shí)際生產(chǎn)情況和地下情況的變化，對潛油電泵井的運(yùn)行參數(shù)，如運(yùn)行頻率、油嘴尺寸等進(jìn)行調(diào)整，使?jié)撚碗姳玫倪\(yùn)行和油井的生產(chǎn)在最佳狀況進(jìn)行。

3.2 提升潛油電泵的性能

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，新技術(shù)、新工藝和新材料的應(yīng)用，潛油電泵設(shè)備的性能指標(biāo)將不斷得到提高。如葉導(dǎo)輪的單級揚(yáng)程和效率進(jìn)一步提高，各種損耗逐步下降；高性能潛油電機(jī)的研制成功，將會大大提高功率因數(shù)和效率。由于提高了潛油電泵設(shè)備的整體性能，必然會較大幅度地降低整個系統(tǒng)的能耗，從而提高潛油電泵井的系統(tǒng)效率。

3.3 加強(qiáng)科學(xué)管理

加強(qiáng)潛油電泵井的科學(xué)管理，不斷提高管理水平，是提高潛油電泵井系統(tǒng)效率的主要措施之一。同時，加強(qiáng)和應(yīng)用潛油電泵采油工藝技術(shù)，最大限度地消除各種因素對潛油電泵工作特性的影響，使?jié)撚碗姳迷O(shè)備在高效率點(diǎn)或最佳排量范圍內(nèi)運(yùn)行，不但能夠提高潛油電泵井的系統(tǒng)效率，還會延長潛油電泵設(shè)備的運(yùn)行壽命，同時也提高潛油電泵采油的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 語

1）潛油電泵系統(tǒng)其主要能耗部件為潛油電纜、潛油電機(jī)和多級離心泵。

2）加強(qiáng)潛油電泵系統(tǒng)調(diào)節(jié)單元和節(jié)能元件的研制，如可調(diào)油嘴和變頻器等，增加潛油電泵系統(tǒng)的可調(diào)因素，降低潛油電泵系統(tǒng)的能耗損失。

3）加強(qiáng)科學(xué)管理，提高設(shè)備利用率、提高潛油電泵井的系統(tǒng)效率。

［1］梅思杰，邵永實(shí)，劉軍，等.潛油電泵技術(shù)（上）［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2004：56－59.

［2］沈建新，孫玉國，張新禮，等.潛油電泵提高系統(tǒng)效率措施及效果分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（24）：5769－5772.

［3］祝淑萍，胡朝志.機(jī)組有功功率優(yōu)化分配［J］.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，28（2）：132－135.

［4］趙春民，王則賓.潛油電泵系統(tǒng)的能耗分析［J］.油氣地面工程，2005，24（6）：33.

［5］劉樹林，徐敏強(qiáng)，董振剛，等.潛油電泵機(jī)組振動狀態(tài)評估系統(tǒng)［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報，2008，32（5）：58－61.

［6］柏澤龍，王毅.異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈研究［J］.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，30（3）：312－315.

［7］管虹翔.變頻條件下電潛泵井的產(chǎn)量調(diào)節(jié)能力研究［J］.石油機(jī)械，2008，36（2）：95－98.

［8］彭新秀.電源電壓波動對異步電動機(jī)性能的影響［J］.機(jī)電信息，2011，21（3）：28－29.

［9］蔡明山.永磁同步電動機(jī)中混沌運(yùn)動的峰－峰值圖分析法［J］.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，28（1）：17－20.

［10］董振剛，龐向東，劉軍，等.電動潛油泵變頻配套設(shè)計方法［J］.石油機(jī)械，2001，29（12）：45－47.