提高抽油機(jī)采油系統(tǒng)效率研究

徐秀芬 李泓霏 曹瑩 薛興昌 周勇

（1.東北石油大學(xué)；2.中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院）

據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2017年末，我國約有24萬口抽油機(jī)井，按每臺抽油機(jī)井電動機(jī)實耗功率為10 kW計算，年耗電量約為210×108kWh。如果抽油機(jī)采油系統(tǒng)效率平均只提高1個百分點(diǎn)，則每年可節(jié)電2×108kWh，節(jié)能量相當(dāng)可觀。

自從“八五”期間崔振華教授提出機(jī)械采油系統(tǒng)效率概念和計算方法[1-3]以來，相關(guān)科技人員一直在研究、試驗、實施提高系統(tǒng)效率的措施[4-7]，提出了“提高產(chǎn)液量、增加動液面深度、增加有效揚(yáng)程”[8-9]，“長沖程、低沖速、小泵徑”[10-11]，“長沖程、低沖速、大泵徑”[12-14]，“通過大量計算進(jìn)行能耗最低機(jī)采系統(tǒng)設(shè)計，抽汲參數(shù)優(yōu)化設(shè)計”[15-21]等不同的抽汲參數(shù)匹配方法和提高系統(tǒng)效率的措施。有些措施缺乏理論指導(dǎo)，正確性有待商榷和驗證。本文應(yīng)用功能原理，從理論上定性分析了系統(tǒng)效率的影響因素，提出了提高抽油機(jī)采油系統(tǒng)效率的技術(shù)措施和抽汲參數(shù)匹配方案，旨在提高系統(tǒng)效率，節(jié)能降耗。

1 抽油機(jī)采油系統(tǒng)效率

抽油機(jī)采油系統(tǒng)效率為系統(tǒng)輸出功率與電動機(jī)輸入功率的比值。

通過計算或測試油井產(chǎn)量、泵的有效揚(yáng)程，可計算得到系統(tǒng)的輸出功率；通過懸點(diǎn)運(yùn)動分析，根據(jù)其他參數(shù)計算懸點(diǎn)載荷、曲柄軸凈扭矩等，求得系統(tǒng)的輸入功率，進(jìn)而求得系統(tǒng)效率。

抽油機(jī)采油系統(tǒng)效率的計算式為

式中：N2——抽油機(jī)采油系統(tǒng)輸出功率，kW；

N1——抽油機(jī)采油系統(tǒng)輸入功率，kW。

1.1 系統(tǒng)輸入功率

1.1.1 抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動規(guī)律

以游梁式抽油機(jī)為例，應(yīng)用復(fù)變函數(shù)法精確分析得到抽油機(jī)懸點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律，即懸點(diǎn)的位移、速度和加速度。

1.1.2 懸點(diǎn)載荷

全面考慮抽油桿柱自重、泵活塞上的油柱重、抽油桿柱所受浮力、油井中液體對活塞底部的壓力、抽油桿柱和油柱運(yùn)動所產(chǎn)生的慣性和振動載荷，柱塞和泵筒間、抽油桿接箍和油管間的半干摩擦力，抽油桿柱和液柱間、液柱和油管間以及油流通過抽油泵游動閥座的液體摩擦力，計算得到懸點(diǎn)載荷，也可實測示功圖。

1.1.3 電動機(jī)輸入功率

根據(jù)懸點(diǎn)載荷、抽油機(jī)各部件的自重及平衡情況等，利用曲柄軸的凈扭矩（輸出扭矩）進(jìn)行計算得到電動機(jī)的平均輸入功率即系統(tǒng)的輸入功率，也可實測。

1.2 系統(tǒng)輸出功率

系統(tǒng)輸出功率可由式（2）求得：

式中：Q——油井產(chǎn)量，考慮泵的理論產(chǎn)量、泵漏失、地面油氣比、泵的沖程損失、液體收縮系數(shù)和體積系數(shù)、泵的充滿情況等因素計算得到，m3/d；

H——舉升高度或泵的（有效）揚(yáng)程，m，

ρL——井液密度，kg/m3。

對于生產(chǎn)井進(jìn)行測試和計算系統(tǒng)效率或?qū)τ途M(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計時計算系統(tǒng)效率，都可以采用以上方法。但因計算涉及參數(shù)過多，根據(jù)該計算方法不能定性或定量分析某些參數(shù)對系統(tǒng)效率的影響。

2 系統(tǒng)效率影響因素分析

用功能原理建立系統(tǒng)效率計算的數(shù)學(xué)模型，綜合分析各主要因素對系統(tǒng)效率的影響。

2.1 系統(tǒng)效率計算功能原理法

計算中所需量的名稱和單位見表1。

懸點(diǎn)下沖程時，要把平衡重從低處抬到高處，增加了平衡重的位能。為了抬高平衡重，除了依靠抽油桿柱下落所放出的位能或下沖程懸點(diǎn)載荷對抽油機(jī)所作的功Wsd外，還需要電動機(jī)付出能量。平衡重中所儲的能量為抽油桿柱下落所放出的能量與輸入至電動機(jī)的電能傳遞到減速器輸出軸上的能量之和。設(shè)hfs和hmg分別是四連桿機(jī)構(gòu)效率和電功輸入→電動機(jī)→減速器輸出軸的轉(zhuǎn)化和傳遞效率，電動機(jī)在下沖程中輸入電功是Wmd，則平衡重所儲的能量Wb為

表1 量的名稱和單位

上沖程時，電動機(jī)輸入的電功和平衡重下落放出的位能都用來提升抽油桿柱和液柱向上運(yùn)動，即電動機(jī)的輸入電功通過電動機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械功后，經(jīng)過皮帶傳動和減速器傳到減速器輸出軸（曲柄軸）上，和平衡重放出的位能一起通過四連桿機(jī)構(gòu)傳遞后，來提升懸點(diǎn)載荷，對懸點(diǎn)做的功或克服懸點(diǎn)載荷所做的功為Wsu。設(shè)電動機(jī)在上沖程中輸入的電功為Wmu，則

把式（3）代入式（4）得

式（5）是抽油機(jī)一個工作循環(huán)即曲柄轉(zhuǎn)一周電動機(jī)所要付出的電功，是上、下沖程中系統(tǒng)輸入的電功之和。

不失一般性，忽略振動載荷，則下沖程懸點(diǎn)載荷對抽油機(jī)所做的功Wsd為

上沖程時，電動機(jī)和平衡重共同作用需對懸點(diǎn)做的功Wsu為

將式（6）和式（7）代入式（5），再將沉沒壓力 ps=pt+hsρLg，ps=pwf-（LPZ-L）ρLg 代入，得上、下沖程中電動機(jī)輸入電功的總和Wmu+Wmd，這是抽油機(jī)曲柄轉(zhuǎn)動一周或抽油機(jī)一個工作循環(huán)內(nèi)電動機(jī)所做的功。電動機(jī)的平均輸入功率為

2.2 系統(tǒng)效率影響因素分析及提高系統(tǒng)效率的措施

應(yīng)用功能原理分析抽油機(jī)采油系統(tǒng)效率的影響因素：

1）由式（14）可知，當(dāng)油井產(chǎn)量、動液面深度、油壓和套壓不變，即油井處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，系統(tǒng)的輸出功率不變。

2）由式（15）可知，系統(tǒng)的輸出功率決定于產(chǎn)量、油層中部深度和井底流壓。對于每口油井，油層中部深度一定，井底流壓又與油井產(chǎn)量有確定的關(guān)系，所以對于任意1口油井，系統(tǒng)的輸出功率決定于產(chǎn)量，產(chǎn)量確定，則輸出功率確定。

3）由式（14）和式（15）可知，其他因素不變，當(dāng)下泵深度增加時，分母中的第1、3項都增大，因而輸入功率增加，系統(tǒng)效率降低。所以,在滿足一定泵吸入口處壓力的條件下，應(yīng)盡量減小下泵深度。

4）當(dāng)產(chǎn)量不變時，輸出功率不變，同時泵活塞面積、沖程、沖速的乘積（FS n）基本不變。當(dāng)增加泵徑時，可以減小抽汲速度（Sn ），此時式（14）和式（15）分母中的第1、3項減小，第2項不變，所以系統(tǒng)輸入功率減小，系統(tǒng)效率增加。因此,在一定條件下可采用較大泵徑、低抽汲速度，以提高系統(tǒng)效率。

5）其他條件不變，當(dāng)電動機(jī)、皮帶傳動、減速器效率增加時，系統(tǒng)效率增加。

6）其他條件不變，當(dāng)四連桿機(jī)構(gòu)的效率增加時，式（14）和式（15）分母中的第1、2項減小，可認(rèn)為第3項中的兩項加數(shù)的增減相抵消，即第3項不變。而四連桿機(jī)構(gòu)效率增加時，系統(tǒng)效率增加。

3 結(jié)論

1）根據(jù)系統(tǒng)效率的定義，系統(tǒng)效率已有相應(yīng)的計算方法。由于計算中用到的參數(shù)多，系統(tǒng)效率不能寫成各油井生產(chǎn)參數(shù)和抽汲參數(shù)的函數(shù)，即使寫成，此函數(shù)也是很復(fù)雜的超越方程，無法定性或定量分析油井生產(chǎn)參數(shù)和抽汲參數(shù)對系統(tǒng)效率的影響。

2）應(yīng)用功能原理可以得出系統(tǒng)效率與油井生產(chǎn)參數(shù)、抽汲參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，并且可以進(jìn)行定性分析，為提高系統(tǒng)效率、實現(xiàn)機(jī)械采油系統(tǒng)的節(jié)能降耗，提供理論上、方向性的指導(dǎo)具有重要意義。

3）在滿足一定泵吸入口處壓力的條件下，盡量減小下泵深度，而并非“深抽”。

4）在一定條件下可采用較大泵、低抽汲速度，而并非“長沖程、低沖速、小泵深抽”。