潛油電泵井效率計算與分析

王道軍盧曉云

（1.大慶油田力神泵業有限公司技術研發中心；2.大慶油田裝備制造集團抽油機分公司研究所）

潛油電泵井效率計算與分析

王道軍1盧曉云2

（1.大慶油田力神泵業有限公司技術研發中心；2.大慶油田裝備制造集團抽油機分公司研究所）

潛油電泵在油田開發的各種機械采油設備中占有相當大的比例，但是在選井、選泵上依然存在一些問題，經常出現泵工作時偏離高效區、不能在理想工況點下運行的情況，導致整套機組的系統效率低、能耗大。以潛油電泵井系統效率計算和測試試驗為基礎，分析了影響機組系統效率的各種因素，分析表明系統效率高低取決于潛油電泵設備各部件損耗和運行參數的設置，以及管理水平和油井狀況；提出了通過提升潛油電泵產品結構性能、優化油井和參數設計、加強日常管理等措施來提高潛油電泵井的系統效率，進而達到節能降耗的目的。

潛油電泵效率計算分析節能

當油田投入開發以后，隨著不斷開采，地下情況處于運動和變化之中，這些變化又通過生產井的油、氣、水產量和壓力的變化反映出來。當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律，研究油、氣、水在油層中的運動規律和分布情況，了解油層生產能力的變化與注水強度及壓力的變化關系，對于保持油井穩產是很重要的。通過對大量潛油電泵井的各種變化進行綜合分析，為油田大批量使用潛油電泵采油提供準確的資料和依據[1]。

1 潛油電泵的工作原理及系統效率

潛油電泵以電能為動力源，電網電壓首先經過降壓變壓器改變電壓后，輸入到變頻器中，經過變頻器變換至所需的電源頻率后，輸入到升壓變壓器，將電壓提升到電動機所需電壓，通過潛油電纜將電能傳輸給潛油電動機，潛油電動機將電能轉換為機械能，帶動潛油泵高速旋轉；潛油泵中的每級葉輪、導殼使井液壓力逐步提高，在潛油泵出口處達到潛油泵要求的舉升揚程，井液通過油管被舉升至地面，再通過地面管線傳輸至地面集輸系統。

應用潛油電泵采油的目的是將電能從地面傳遞給井下液體，從而將液體舉升到井口。整個采油系統工作時，就是一個能量不斷傳遞和轉化的過程。能量的每一次傳遞和轉化，都將有一定的損失。從地面輸入系統的能量扣除系統的各種損失，就是系統所給液體的有效能量，該有效能量與系統輸入能量之比稱為機械采油系統的系統效率。對潛油電泵井系統效率進行詳細的計算和分析，以便進一步提高其系統效率[2-3]。

2 系統效率計算與測試

2.1測試參數與計算公式[4-6]

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

變壓器功率損耗ΔP1：用標準電度表測取變壓器輸入功率P1，用功率表測取輸出功率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為電度表所轉圈數；Kc為電流互感器變比；Kv為電壓互感器變比；C為電度表常數；t為轉n圈所用時間。

用功率表測量輸出功率為

式中：n1為功率表1的顯示格數；n2為功率表2的顯示格數；f為單位格數的功率，kW。

變壓器的功率損耗為

變壓器的效率為

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

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，由下式求得：

式中：I為電纜工作電流，A；R為電纜電阻，Ω。

控制柜輸出功率P4為電纜輸入功率減去電纜功率損耗，即

則效率為

電動機和保護器功率損耗ΔP4+5：電纜輸出功率為電動機輸入功率，由于結構原因只能將電動機和保護器一起測量，其功率損耗可由下式求得：

式中：ΔP6為分離器功率損耗；ΔP7為潛油泵功率損耗；P9為系統有效功率。ΔP6、ΔP7和P9的單位均為kW。

其效率為

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可由下式求得：

式中：Q為油井產液量，m3s；H為油井總動壓頭，m；ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，g＝9.8m s2。

2.2系統效率測試

潛油電泵系統效率測試分室內分解測試和生產井系統效率測試兩部分。這樣做基于兩點考慮：現有條件下生產井只能測得輸入功率、動液面深度、日產液量、油壓及套壓，有些部件無法進行分解測試；室內分解測試又異于生產井實際工況條件，分解測試試驗介質為水，不存在氣體和黏度的影響，且下泵深度較淺；因而需要對試驗井和生產井分別測試并綜合考慮。

根據潛油電泵系統的結構特點，測試中將系統分解為5個部分，測試不同工況下各個部分的能量損耗，測試部位的儀器儀表連接如圖1所示[7]。潛油電泵系統效率測試選用的儀器儀表見表1。

潛油電泵井系統總效率：

圖1 潛油電泵系統效率測試儀器儀表連接示意圖

表1 測試儀器儀表明細

3 系統效率分析

影響潛油電泵采油系統效率的因素較多，它不僅受潛油電泵設備各部件損耗和運行參數的影響，而且受管理水平和井況的影響。

3.1各部件損耗對系統效率的影響[8-10]

根據潛油電泵系統的組成情況，可以把潛油電泵系統的功率損失分為7個部分，即變壓器損失ΔP1、控制柜損失ΔP2、電纜損失ΔP3、電動機損失ΔP4、保護器損失ΔP5、分離器損失ΔP6和潛油泵損失ΔP7。

3.1.1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，變壓器損失占系統總損失的比例較小。中小型變壓器的效率一般應在95%～98%之間。

3.1.2控制柜損失ΔP2

控制柜損失主要是部分電氣元件的發熱損失、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1 kW，效率在99%左右。

3.1.3電纜損失ΔP3

當電流和電壓一定時，電纜損失與電纜的截面積和長度有關。

3.1.4電動機損失ΔP4

電動機是電能與機械能轉換的主要設備，在能量轉換過程中必然會有損失。其損失包括定子銅損、轉子銅損、主磁通在定子鐵芯中產生的鐵損、軸承摩擦損失和通風損失等。

一般來講，電動機的最大效率在額定功率的70%～100%范圍內。額定負載時，潛油電動機的效率在75%～94%之間，容量越大，效率越高。

要使潛油電動機的效率與功率都在額定負荷附近達到最大值，關鍵在于潛油電泵設備選擇的準確性及合理性。

3.1.5保護器損失ΔP5

保護器的能量損失主要是機械摩擦損失，一定型號規格的保護器，其損耗基本為一定值。

3.1.6分離器損失ΔP6

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

3.1.7潛油泵損失ΔP7

離心泵損失由機械損失、水力損失和容積損失三部分組成。

機械損失包括兩部分：泵內軸套與軸承、葉輪徑向扶正部位與導殼的機械摩擦損失，這部分損失與泵的機械設計有關；葉輪在泵內液體中高速旋轉時，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。

水力損失也包括兩部分：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構和流體黏度有關；液體進入葉導輪時的沖擊損失，主要是由液體的水力角和結構不一致所造成的。

容積損失主要由高壓液體通過葉輪與導殼間的間隙形成的環流所造成。這部分損失將降低泵的理論排量。

3.2技術管理對系統效率的影響

油井供液能力與潛油電泵的排量、揚程匹配不合理，將導致潛油電泵長期在泵最佳排量范圍外工作，這種現象將會使潛油電泵在低效率工況下運行。即使在優化設計的基礎上，潛油電泵工作一段時間后，由于各種因素的影響，如油井的地層壓力、產液量、含水率等均會有所變化，也會造成潛油電泵井的工作狀況與原設計不符。同時，潛油電泵井的人為控制因素較少，泵的特性參數如排量、揚程等都難以人為改變；潛油電泵的工況點隨地層壓力、產液量等因素的變化而變化，也難以人為調節，由此造成了潛油電泵低效率工作狀態，其能量損失較大。

要改變潛油電泵井的這種低效率工作狀況，應加強技術管理[11-12]：

1）對于檢泵井及新轉抽井，應根據實際情況重新進行優化設計，包括泵的額定排量、揚程、泵掛深度及液面深度、油壓等參數的優化設計。

2）對于正在運行的潛油電泵井，應優化潛油電泵的運行參數，以保證潛油電泵機組始終處于高效區工作。

3.3運行參數對系統效率的影響[13]

潛油電泵系統效率的測試結果和理論研究都表明，潛油電泵井的系統效率與油井的油壓、套壓、產液量、動液面和油氣比等諸多因素有關，所以，潛油電泵井的系統效率是一個多元函數，即

式中：η為潛油電泵井的系統效率；Hd為油井動液面；Q為潛油泵排量；po為油壓；pc為套壓。

并且各個影響因素之間也相互影響，相互制約。這些因素的變化都將影響潛油電泵井系統的工作狀況及其系統效率。

在潛油電泵井結構和管路系統一定的情況下，潛油電泵井的系統效率隨泵排量的變化規律與潛油泵效率隨泵排量的變化規律而有所不同。根據表2的測試結果可以看出，潛油電泵的最高系統效率點偏離泵的最高效率點，并處于額定排量右側。該井潛油電泵的額定排量（最高效率點）為320m3d，額定揚程為1000 m，下泵深度為1 064.1 m。

表2 潛油電泵井系統效率現場測試結果

理論上講，潛油電泵的最高效率點應在320 m3/d附近，而實測結果表明，該井潛油電泵系統的最高效率點在376.7 m3/d、有效揚程為763.0 m的工況點上，此工況點的系統效率為39.04%，其他各點均低于此值。從測試結果也可以看出，在泵最高效率點以右的高效工作區內，隨泵排量的增大，系統效率增大，當產量增加超過高效區以后，隨著產量的增加，系統效率降低。

如表2所示，當油壓在1.8 MPa時，系統效率達到最高點；當油壓低于或高于此值時，隨著油壓的下降或上升，系統效率都呈下降趨勢。由此可見，在一定范圍內，可以通過改變油壓（調節油嘴的大小）使系統效率達到最高。

4 提高系統效率的措施

提高潛油電泵井系統效率的措施主要包括使用高效泵和節能元器件，加強科學管理和優化設計運行參數等[14-15]。

4.1潛油電泵產品系列化

潛油電泵產品系列化主要包括不同外徑、不同排量、不同揚程，以及適用不同地質條件和不同井溫的潛油電泵設備。使潛油電泵在油田的應用具有較強的針對性，根據油井的實際情況，泵級數可任意組合，泵規格齊全，使潛油電泵設備和油井的實際生產情況相匹配。

4.2潛油電泵井優化設計及參數優選

首先，采用科學的潛油電泵選擇方法，根據油井生產數據，進行潛油電泵設備的選擇配套。其次，在潛油電泵井生產過程中，應根據油井的實際生產情況和地下情況的變化，對潛油電泵井的運行參數，如運行頻率、油嘴尺寸等進行調整，使潛油電泵的運行和油井的生產在最佳狀況下進行。在控制方面，采用變頻器控制，可適當增大泵高效區的幅寬。對于產能變化比較大的油井，采用變頻調參對節能降耗是非常有利的。

當然，整套機組系統效率的高低，不僅取決于某一個參數，而是機組電壓、電流、排量、揚程、井液黏度、井底壓力、溫度、含砂量、含氣量、泵掛深度、沉沒度、各部件機械效率等諸多因素共同作用的結果。在選井選泵時應綜合分析，合理配置各項參數，才能使系統效率達到最大。

4.3提升潛油電泵的性能

隨著科學技術的不斷進步，新技術、新工藝和新材料的應用，潛油電泵設備的性能指標將不斷提高。例如，葉導輪的單級揚程和效率進一步提高，各種損耗逐步下降；高性能潛油電動機的研制成功，將會大大提高功率因數和效率。由于提高了潛油電泵設備的整體性能，必然會較大幅度地降低整個系統的能耗，從而提高潛油電泵井的系統效率。

4.4加強科學管理

加強潛油電泵井的科學管理，不斷提高管理水平，是提高潛油電泵井系統效率的主要措施之一。同時，加強和應用潛油電泵采油工藝技術，最大限度地消除各種因素對潛油電泵工作特性的影響，使潛油電泵設備在高效率點或最佳排量范圍內運行，不但能夠提高潛油電泵井的系統效率，還會延長潛油電泵設備的運行壽命，同時也提高潛油電泵采油的經濟效益。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2014.010.002

2014-03-24）

王道軍，工程師，2007年畢業于大慶石油學院（電氣工程專業），從事潛油電泵及螺桿泵的地面控制設備的研究，E-mail：wangdj1@cnpc.com.cn，地址：黑龍江省大慶市薩爾圖區中興北街58號大慶油田力神泵業有限公司技術研發中心，163311。