潛油電泵系統效率分析

盧曉云

（大慶油田裝備制造集團抽油機分公司研究所，黑龍江 大慶 163318）

0 引 言

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，對于保持油井穩產是很重要的。

并且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 系統效率計算與測試

1.1 系統效率的分解

潛油電泵在運行過程中，其各組成部分都有能量損失，系統效率η可用下式進行表示：

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——電機輸出功率，kW；

P6——保護器輸出功率，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——電機效率；

η5——保護器效率；

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

用標準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——電度表所轉圈數；

Kc——電流互感器變比；

Kv——電壓互感器變比；

C——電度表常數；

t——轉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；

n2——功率表2的顯示格數；

f——單位格數的功率，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 電機和保護器功率損耗ΔP4＋5

電纜輸出功率為電機輸入功率，由于結構原因只能將電機和保護器一起測量，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可用下式進行計算：

式中：Q——油井產液量，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 潛油電泵井系統總效率

潛油電泵井系統總效率為：

1.3 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。由于潛油電泵系統的結構特點，分解測試中將系統分解為變壓器、控制柜、電纜、電機與保護器、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 潛油電泵系統效率測試儀器儀表連接示意圖

2 系統效率分析

2.1 系統組成部件損耗分析［5－7］

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、電機損失ΔP4、保護器損失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。

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

當電流和電壓一定時，電纜損失與電纜的截面積及長度有關。

2.1.4 電機損失ΔP4

電機損失包括定子銅損、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，電機的最大效率在額定功率的70%～100%這一范圍內。額定負載時，潛油電機的效率在75%～94%之間，容量越大，效率一般越高。

2.1.5 保護器損失ΔP5

保護器的能量損失主要是機械摩擦損失，對于一定型號規格的保護器來講，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

離心泵損失由機械損失、水力損失和容積損失3部分組成。

機械損失包括兩部分：一是泵內軸套與軸承、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；二是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：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構和流體粘度有關；二是液體進入葉導輪時的沖擊損失，主要由于液體的水力角和結構不一致所造成的。

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。

2.2 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。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：

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。

2.3 運行參數對系統效率的影響［8］

潛油電泵井系統效率現場測試結果明細見表1。

根據表1中的測試結果可以看出，潛油電泵的最高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320m3／d，額定揚程為1 000m，下泵深度為1 064.1m。

理論上講，潛油電泵的最高效率點應在320m3／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376m3／d、有效揚程為763m的工況點上，此工況點的系統效率為39%，其它各點均低于此值。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。

根據表1，當油壓在1.8MPa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。

3 提高系統效率的措施［9－10］

3.1 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，要求在潛油電泵井生產過程中，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進行。

3.2 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得到提高。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。

3.3 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。

4 結 語

1）潛油電泵系統其主要能耗部件為潛油電纜、潛油電機和多級離心泵。

2）加強潛油電泵系統調節單元和節能元件的研制，如可調油嘴和變頻器等，增加潛油電泵系統的可調因素，降低潛油電泵系統的能耗損失。

3）加強科學管理，提高設備利用率、提高潛油電泵井的系統效率。

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