有桿抽油系統(tǒng)-系統(tǒng)效率分析及系統(tǒng)測試與監(jiān)測

第5章系統(tǒng)效率分析及系統(tǒng)測試與監(jiān)測

ChinaUniversityofPetroleum有桿抽油系統(tǒng)第5章系統(tǒng)效率分析及系統(tǒng)測試與監(jiān)測5.1

概述5.2

系統(tǒng)效率與計算5.1概述應(yīng)用有桿抽油系統(tǒng)的目的是將地面的電能傳遞給井下液體，從而舉升井下液體。整個系統(tǒng)工作時，就是一個能量不斷傳遞和轉(zhuǎn)化的過程。在能量的每一次傳遞時都將損失一定的能量。從地面供入系統(tǒng)的能量扣除系統(tǒng)的各種損失以后，就是系統(tǒng)所給液體的有效能量。將液體舉升至地面的有效作功能量與系統(tǒng)輸入能量之比為抽油機系統(tǒng)效率。資料表明，我國有桿抽油系統(tǒng)效率不足20%。1992年我國在用抽油機近5×104臺，若每口抽油機井實用功率按10kW計，5×104臺抽油機一年耗電近4.26×109kW.h。若將有桿抽油系統(tǒng)效率提高到30%，每年可節(jié)電近14.8×108kW.h?？梢怨?jié)省大量能源還可以緩解油田用電緊張狀況。目前，全世界有近百萬口抽油機井，其耗電量非常可觀，因此對有桿抽油系統(tǒng)效率的研究有重要意義。5.1概述有桿抽油系統(tǒng)的效率與油井本身的條件有密切的關(guān)系。在油井條件一定的情況下，則主要有以下三種因素的影響：1．技術(shù)裝備技術(shù)裝備對系統(tǒng)效率有一定影響。要想提高系統(tǒng)效率，就應(yīng)采用較先進的、節(jié)能型的技術(shù)裝備，如特殊形狀的抽油機（異型抽油機等）、適應(yīng)抽油機變工況的拖動裝置、降低抽油桿摩擦的導(dǎo)向器和高效的抽油泵等。5.1概述2．機、泵、桿設(shè)計在保證泵的吸入情況下，應(yīng)盡量減小下泵深度，同時，在保證產(chǎn)量的前提下，應(yīng)選擇較大泵徑，增加沖程并降低沖次。3．管理工作管理水平，如抽油機平衡度、驢頭與井口對中情況、井口密封盤根上緊程度、傳動皮帶張緊程度等都會影響有桿抽油系統(tǒng)效率。

系統(tǒng)效率反映了機采井的節(jié)能與經(jīng)濟效益，而且也綜合地反映了油田的技術(shù)裝置、技術(shù)管理水平。5.1概述第5章系統(tǒng)效率分析及系統(tǒng)測試與監(jiān)測5.1

概述5.2

系統(tǒng)效率與計算一、定義與系統(tǒng)效率分解1．有桿抽油系統(tǒng)包括原動機、抽油機、抽油桿、抽油泵、井下管柱和井口裝置以及油層供液系統(tǒng)。2．抽油機的輸入功率（P入）拖動抽油機的電動機的輸入功率為抽油機的輸入功率。

3．抽油機的光桿功率（P光）提升液體和克服各種阻力所消耗的功率為抽油機的光桿功率。4．抽油機系統(tǒng)的有效功率（P水）將井下液體提升到地面所需要的功率叫有效功率，也叫水功率。5.2系統(tǒng)效率與計算

5．有桿抽油系統(tǒng)效率

抽油機有效功率與輸入功率的比值為抽油機井系統(tǒng)效率，即：抽油機工作過程中負(fù)荷是不斷變化的，因而其瞬時輸入功率、光桿功率、輸出功率等也是不斷變化的，相應(yīng)的各種瞬時效率也是不斷變化的。為了便于研究，這里有桿抽油系統(tǒng)及各部分的效率主要是指抽油機每工作一個周期的平均效率，所采用的各種功率值，也是每一周期內(nèi)的平均功率。5.2系統(tǒng)效率與計算（二）效率分解抽油機系統(tǒng)的效率分為兩部分，即地面效率和井下效率。以光桿懸繩器為界，懸繩器以上的機械傳動效率和電機運行效率的乘積為地面效率；懸繩器以下到抽油泵為井下效率，即：

式中η地—地面效率；

η井—井下效率。5.2系統(tǒng)效率與計算地面部分的能量損失發(fā)生在電動機、皮帶和減速箱、四連桿機構(gòu)中：式中K—有效載荷系數(shù)；

η1—電動機效率；

η2—皮帶和減速箱效率；

η3—四連桿機構(gòu)效率。

5.2系統(tǒng)效率與計算由于皮帶的輸出功率（減速箱輸入功率）不便測試，因此不再進一步將它們分開。有效載荷系數(shù)K是由于上下沖程時四連桿機構(gòu)中能量的傳遞方向不同而引入的一個系數(shù)。各個效率又可分別表示為：5.2系統(tǒng)效率與計算式中P1—電動機輸入功率，即Pλ

，kW；

P2—電動機輸出功率，kW；

P3—減速箱輸出功率，kW；

P4—光桿功率，即P光，kW。

井下部分能量損失在盤根盒、抽油桿、抽油泵和管柱中，因此：式中η4—盤根盒效率；

η5—抽油桿效率；

η6—抽油泵效率；

η7—管柱效率。5.2系統(tǒng)效率與計算式中P5—光桿經(jīng)盤根盒后傳給抽油桿的功率，kW；

P6—抽油泵的輸入功率，kW；

P7—抽油泵的輸出功率，kW；

P8—有桿抽油系統(tǒng)的有效功率，即P水，kW。各個效率又分別表示為：5.2系統(tǒng)效率與計算為了確定η、η地、η井及各部分效率ηi必須求得從電機輸入到抽油機系統(tǒng)輸出的各部分功率Pi。5.2系統(tǒng)效率與計算二、測試參量與計算公式（一）電動機部分電動機的測試參量有：有功功率、無功功率、電流、電壓、電機轉(zhuǎn)速、電機輸出扭矩等。1．有功功率（1）瞬時有功功率式中Pλt—瞬時有功功率，kW；

P‘—A/D變換器采集的數(shù)值量；

Kl—單位數(shù)值量所代表的有功功率，kW。

5.2系統(tǒng)效率與計算

（2）平均有功功率

式中Pλa—平均有功功率，kW；

Pλt—瞬時有功功率，kW；

T—抽油機一個或幾個沖程所需要時間，s。

2．無功功率（1）瞬時無功功率

式中Wt—瞬時無功功率，kW；

K2—單位數(shù)值量所代表的無功功率，kW；

W’—A/D變換器采集的數(shù)值量。5.2系統(tǒng)效率與計算（2）平均無功功率

式中Wa—平均無功功率，kW；

Wt—瞬時無功功率，kW；

T—抽油機一個或幾個整沖程所需時間，s。電機的平均有功功率與平均無功功率也可以用有功電度表與無功電度表測量。這時有功功率為：

式中Up—有功表的計量轉(zhuǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)；Ki—電流互感器的變比；

t—轉(zhuǎn)動圈所用時間，s；C1—有功表常數(shù)，r/kW.h。5.2系統(tǒng)效率與計算無功功率為：

式中Uw

—無功電度表轉(zhuǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)；

—電流互感器的變比；

t—轉(zhuǎn)動圈所用時間，s；

C2—無功表常數(shù)，r/kW.h。

這樣通過測出Up、t和Uw、t即可計算Pλa與Wa。5.2系統(tǒng)效率與計算

3．電流（1）瞬時電流

式中It—瞬時電流，A；

I’—A/D變換器采集的數(shù)值量；

K3—單位數(shù)值量所代表的電流值，A。

（2）平均電流

式中Ia—平均電流，A；

It—瞬時電流，A；

T—抽油機一個或幾個沖程所需時間，s。5.2系統(tǒng)效率與計算（3）平衡度

式中B—抽油機平衡度。

4．電壓（1）瞬時電壓

式中Ut—瞬時電壓，V；

U’—A/D變換器采集的數(shù)值量；

K4—單位數(shù)值量所代表的電壓值，V。5.2系統(tǒng)效率與計算（2）平均電壓

式中Ua—平均電壓，V；

Ut—瞬時電壓，V；

T—抽油機一個或幾個沖程所需時間，s。

5．功率因數(shù)（1）瞬時功率因數(shù)

式中Ct—瞬時功率因數(shù)；

Pt—瞬時有功功率，kW；

Wt—瞬時無功功率，kW。5.2系統(tǒng)效率與計算（2）平均功率因數(shù)

式中Ca—平均功率因數(shù)；

Ct—瞬時功率因數(shù)；

T—抽油機一個或幾個整沖程所需時間，s。5.2系統(tǒng)效率與計算

6．電動機轉(zhuǎn)速（1）電動機瞬時轉(zhuǎn)速

式中nt—電動機瞬時轉(zhuǎn)速，r/min；

n’—轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖數(shù)；

K5—轉(zhuǎn)速傳感器常數(shù)。（2）電動機平均轉(zhuǎn)速

式中na—電動機平均轉(zhuǎn)速，r/min；

nt—電動機瞬時轉(zhuǎn)速，r/min；

T—抽油機一個或幾個整沖程所需時間，s。5.2系統(tǒng)效率與計算7．電機輸出軸扭矩為了計算電動機的效率，必須算出或測出電動機輸出功率：

式中P2—電動機輸出功率，kW；

Mk—電動機輸出扭矩，N.m；

ω—電動機角速度，rad/s。5.2系統(tǒng)效率與計算電動機平均輸出功率為：

式中nla—電機平均轉(zhuǎn)速，r/min；

Mkl—電機軸平均扭矩，N.m。

電機的效率為：

5.2系統(tǒng)效率與計算（二）皮帶—減速箱部分皮帶、減速箱應(yīng)當(dāng)分別測試，從而分別計算它們的效率。但由于抽油機的結(jié)構(gòu)原因，單獨測試?yán)щy，將它們作為一個組件。

1．輸出軸扭矩用輸出軸扭矩計算公式進行計算。

2．輸出軸轉(zhuǎn)速輸出軸平均轉(zhuǎn)速即抽油機的沖次可用秒表測得。

5.2系統(tǒng)效率與計算（三）光桿部分光桿的測試參數(shù)有：光桿載荷、光桿位移和光桿功率。

1．光桿載荷

式中Ft—光桿載荷，kN；

F’—A/D變換器采集的數(shù)值量；

K6—單位數(shù)值所代表的光桿載荷值，kN。

2．光桿位移

式中St—光桿位移，m；

S’—A/D變換器采集的數(shù)值量；

K7—單位數(shù)值量所代表的光桿位移值，m。5.2系統(tǒng)效率與計算3．光桿功率

式中P4a—光桿功率，kW；

Ft—光桿載荷，kN；

St—光桿位移，m；

T—抽油機一個或幾個沖程所需時間，s。5.2系統(tǒng)效率與計算如果動力儀為機械式，可用下式計算光桿功率，即：

式中示功圖面積—實測示功圖面積，mm2；

p—動力儀力比，N/mm；

q—動力儀橫坐標(biāo)比例（減程比），m/mm；

n—抽油機沖次，min-1。

抽油機四連桿機構(gòu)效率為：

5.2系統(tǒng)效率與計算（四）盤根盒盤根盒的測試參數(shù)有：光桿與盤根盒的摩擦力、光桿運動速度。盤根和耗功用下式計算：式中F—光桿摩擦力，N；

V—光桿運動速度，m/s。5.2系統(tǒng)效率與計算（五）抽油桿部分抽油桿的測試參數(shù)為抽油桿在運動中的摩擦耗功（ΔP桿）。抽油桿在油管中往復(fù)運動，抽油桿與油管之間、抽油桿與液體之間都有摩擦，損失功率為ΔP桿。則抽油桿輸出功率：

抽油桿效率可用下式計算：5.2系統(tǒng)效率與計算（六）抽油泵部分抽油泵的測試參數(shù)有：抽油泵的實際產(chǎn)液量、泵的吸入壓力、抽油泵的排出壓力。抽油泵的有效功率為：

式中Q’—抽油泵實際產(chǎn)液量，m3/d；

ρ—油井液體密度，t/m3；

g—重力加速度，。5.2系統(tǒng)效率與計算

H’—抽油泵實際有效揚程，m。

式中P排—抽油泵排出口壓力，MPa；

P吸—抽油泵吸入口壓力，MPa；

h—抽油泵長度，m。

所以抽油泵的效率為：

5.2系統(tǒng)效率與計算（七）井下管柱部分井下管柱的測試參數(shù)有：油井產(chǎn)量、油井動液面深度等。有桿抽油系統(tǒng)的有效功率為：

式中Q—油井產(chǎn)液量，m3/d；

ρ—油井液體密度，t/m3；

g—重力加速度；

H’—有效揚程，m。

5.2系統(tǒng)效率與計算所以管柱效率為：

有桿抽油系統(tǒng)總效率等于有效功率與其輸入功率之比：

上式還可以寫成如下形式：5.2系統(tǒng)效率與計算三、系統(tǒng)效率測試目前雖有一些計算有桿抽油系統(tǒng)各部分功耗的公式，但其一般誤差都很大。只有采用一定的測試儀器，在現(xiàn)場進行實測，才可能得到比較精確的耗功數(shù)據(jù)，進而計算系統(tǒng)效率。（一）各分效率的測試方法

1．測試點分布為了測試有桿抽油系統(tǒng)的分效率，可在整個系統(tǒng)布點9處，見下圖。5.2系統(tǒng)效率與計算

分級效率測試布點簡圖5.2系統(tǒng)效率與計算（1）測點1位于電動機動力輸入處，在該點測各種電參數(shù)。用電功率表可以在1點測得電動機的輸入功率。除此之外還要測輸入的電流、電壓、無功功率（功率因數(shù)cosφ）等。用最大電流比可以確定抽油機的平衡度；根據(jù)電壓是否變化，可以了解整個系統(tǒng)的平穩(wěn)程度；無功功率或功率因數(shù)則說明所測抽油機系統(tǒng)對整個供電系統(tǒng)的影響。（2）測點2、3測點2位于電動機輸出軸端，測點3位于減速箱的曲柄軸輸出端。用動態(tài)應(yīng)變儀分別測2、3點處的扭矩，同時用轉(zhuǎn)速計測該兩點處的轉(zhuǎn)速；然后就可以分別求出電動機的輸出功率和減速箱輸出功率。5.2系統(tǒng)效率與計算（3）測點4位于懸繩器處。用動力儀可測得示功圖；根據(jù)示功圖面積及動力儀的比例系數(shù)可求得光桿功率。（4）測點5在井下抽油泵處。在泵的吸入口和排出口分別安裝振弦壓力計，測試抽油泵吸入和排出壓力。（5）測點6、7、8、9四點都在井口處。在6點處用回聲儀測油井動液面深度，在7點處用壓力表測套管壓力，在8點處用壓力表測油管壓力，9點為油管出口處，在該點用流量計測量油井產(chǎn)量Q。5.2系統(tǒng)效率與計算2．模擬測試根據(jù)5、6、7、8、9五點所測得數(shù)值，可分別求得抽油泵輸出功率和系統(tǒng)的有效功率，9個測試點可確定6種功率（P1、P2、P3、P4、P5、P6）。用這6種功率求全部的7個分效率是不夠的，因為井口盤根盒的耗功和井下抽油桿耗功還是個未知數(shù)。要在直接測試P5與P6有較大的困難，為此采用模擬測試方法。測試盤根盒耗功測試是室內(nèi)完成的。用一根短管把兩個盤根盒連接起來，管上安裝有壓力管通油泵，用油泵對盤根盒加壓。光桿上貼有電阻片測出光桿的摩擦力。5.2系統(tǒng)效率與計算

盤根盒耗功測試裝置簡圖1—盤根盒；2—連接管；3—光桿；4—加壓管；5—壓力表5.2系統(tǒng)效率與計算3．簡便測試方法在研究分析抽油機系統(tǒng)各部