提高抽油機采油系統效率研究

徐秀芬 李泓霏 曹瑩 薛興昌 周勇

（1.東北石油大學；2.中國石油新疆油田分公司工程技術研究院）

據不完全統計，截至2017年末，我國約有24萬口抽油機井，按每臺抽油機井電動機實耗功率為10 kW計算，年耗電量約為210×108kWh。如果抽油機采油系統效率平均只提高1個百分點，則每年可節電2×108kWh，節能量相當可觀。

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

1 抽油機采油系統效率

抽油機采油系統效率為系統輸出功率與電動機輸入功率的比值。

通過計算或測試油井產量、泵的有效揚程，可計算得到系統的輸出功率；通過懸點運動分析，根據其他參數計算懸點載荷、曲柄軸凈扭矩等，求得系統的輸入功率，進而求得系統效率。

抽油機采油系統效率的計算式為

式中：N2——抽油機采油系統輸出功率，kW；

N1——抽油機采油系統輸入功率，kW。

1.1 系統輸入功率

1.1.1 抽油機懸點運動規律

以游梁式抽油機為例，應用復變函數法精確分析得到抽油機懸點的運動規律，即懸點的位移、速度和加速度。

1.1.2 懸點載荷

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、抽油桿柱和油柱運動所產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，計算得到懸點載荷，也可實測示功圖。

1.1.3 電動機輸入功率

根據懸點載荷、抽油機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）進行計算得到電動機的平均輸入功率即系統的輸入功率，也可實測。

1.2 系統輸出功率

系統輸出功率可由式（2）求得：

式中：Q——油井產量，考慮泵的理論產量、泵漏失、地面油氣比、泵的沖程損失、液體收縮系數和體積系數、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）揚程，m，

ρL——井液密度，kg/m3。

對于生產井進行測試和計算系統效率或對油井進行參數優化設計時計算系統效率，都可以采用以上方法。但因計算涉及參數過多，根據該計算方法不能定性或定量分析某些參數對系統效率的影響。

2 系統效率影響因素分析

用功能原理建立系統效率計算的數學模型，綜合分析各主要因素對系統效率的影響。

2.1 系統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載荷對抽油機所作的功Wsd外，還需要電動機付出能量。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的電能傳遞到減速器輸出軸上的能量之和。設hfs和hmg分別是四連桿機構效率和電功輸入→電動機→減速器輸出軸的轉化和傳遞效率，電動機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動，即電動機的輸入電功通過電動機轉化為機械功后，經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構傳遞后，來提升懸點載荷，對懸點做的功或克服懸點載荷所做的功為Wsu。設電動機在上沖程中輸入的電功為Wmu，則

把式（3）代入式（4）得

式（5）是抽油機一個工作循環即曲柄轉一周電動機所要付出的電功，是上、下沖程中系統輸入的電功之和。

不失一般性，忽略振動載荷，則下沖程懸點載荷對抽油機所做的功Wsd為

上沖程時，電動機和平衡重共同作用需對懸點做的功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、下沖程中電動機輸入電功的總和Wmu+Wmd，這是抽油機曲柄轉動一周或抽油機一個工作循環內電動機所做的功。電動機的平均輸入功率為

2.2 系統效率影響因素分析及提高系統效率的措施

應用功能原理分析抽油機采油系統效率的影響因素：

1）由式（14）可知，當油井產量、動液面深度、油壓和套壓不變，即油井處于穩定工作狀態時，系統的輸出功率不變。

2）由式（15）可知，系統的輸出功率決定于產量、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量有確定的關系，所以對于任意1口油井，系統的輸出功率決定于產量，產量確定，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，系統效率降低。所以,在滿足一定泵吸入口處壓力的條件下，應盡量減小下泵深度。

4）當產量不變時，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，所以系統輸入功率減小，系統效率增加。因此,在一定條件下可采用較大泵徑、低抽汲速度，以提高系統效率。

5）其他條件不變，當電動機、皮帶傳動、減速器效率增加時，系統效率增加。

6）其他條件不變，當四連桿機構的效率增加時，式（14）和式（15）分母中的第1、2項減小，可認為第3項中的兩項加數的增減相抵消，即第3項不變。而四連桿機構效率增加時，系統效率增加。

3 結論

1）根據系統效率的定義，系統效率已有相應的計算方法。由于計算中用到的參數多，系統效率不能寫成各油井生產參數和抽汲參數的函數，即使寫成，此函數也是很復雜的超越方程，無法定性或定量分析油井生產參數和抽汲參數對系統效率的影響。

2）應用功能原理可以得出系統效率與油井生產參數、抽汲參數的函數關系，并且可以進行定性分析，為提高系統效率、實現機械采油系統的節能降耗，提供理論上、方向性的指導具有重要意義。

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”。