有杆抽油系统能耗问题的思考与优化设计

1、有杆抽油系统能耗问题的思考与优化设计 一、有杆抽油系统应用现状 目前，有杆抽油系统能耗严重,效率普遍偏低，而且有杆抽油在机 械采油中又占有很大比例。全而系统地分析影响有杆抽油系统效率的 因素及能量在传递过程中消耗的原因，开展提高抽油系统效率研究, 己成为降低石油开采成木，实现高效经济采油的重点研究课题之一。 有杆泵抽油系统由抽油机、抽油泵和抽油杆三大部分组成。 有杆泵抽抽是我国主要的机械采油方式，抽油机井数量多、耗电 量大，因此提高抽油机并的系统效率，降低其能耗，对抽油机井节能 具有重要意义。作为低压油藏中有效的人工举升方式，有杆泵抽油己 经得到了广泛应用，其中最常用的是游梁式有杆抽油系统，这

2、种系统 结构简单、耐用且经济。游梁式抽油机一深井泵抽油装置：用油管把 深井泵下入到井内液面以下，在泵筒下部装有只能向上打开的吸入 阀，用抽油杆把柱塞下入泵筒内，柱塞上装有只能向上打开的排出阀, 通过抽油杆柱把抽油机驴头悬点产生的上下往复运动传递给抽油泵 向上抽油。然而研究表明，有杆抽油系统的效率只有50%左右（即如 果原动力是电动机，则只有50%的电能被转化为水力功率），通过精 心设计和革新，其效率还能大大提高。有杆抽油系统存在“反传”现 象，即下冲程中抽油机反而带着电动机运转，从而造成功率的浪费。 抽油机井的系统运行效率一直处于比较低的水平，这使得生产能耗 大，采油可变成木高。 有杆泵往复抽

3、汲方式具有设备装置简单、操作方便、综合成本低 的特点。我国约有90%的油井、全世界约有80%的油井采用这种方式 进行生产。但是,在采用有杆泵抽油方式的油井中，其机械采油系统 的效率一般较低，而机械采油能耗费用在采油变动成木中所占比例最 大，现已达到12%以上。在国内抽油机井整个系统工作过程中，70% 以上的能耗作了无用功，造成了大量的能源浪费，同时加剧了机械损 耗。抽油机载荷变化、泵效偏低、油井供液不足、抽油机机械性能变 差以及抽油机不平衡等都是影响系统效率的主要因素。 抽油机系统工作时，是一个能量不断传递和转化的过程，而能量 的每次传递都有一定的损失。由地面供入系统的能量减去系统的各种 损失

4、，就是系统供给液体的有效能量，将液体举升至地而的有效作功 能量与系统输入能量的比值即为抽油机系统效率。在实际开采作业过 程中，抽油机受油井的井深、油质、杂质、含沙量、含水量等诸多客 观因素的影响，须调整作业冲次、冲程，甚至更换电机、改变电机的 功率；同时，由于油田所处地理位置、纬度的不同，以及所处地区的 气候等自然因素，也会对开采作业产生影响，要求抽油机根据实际工 况进行相应的速度调整。 有杆泵抽油系统能耗问题H趋严重，直接影响原油的开采成本。 深入开展提髙有杆泵抽油系统效率的技术研究，对提高油田的采油工 程技术水平和经济效益具有重要意义。因此，有必要开展油田有杆泵 采油系统优化设计分析方法的

5、研究，以满足油田生产的需要。 二、有杆系统优化设计方法。 1、有杆泵抽油系统设计是依据：基础数据（井深、地层压力、油 藏温度、饱和压力、套管内径、油管内径、油管外径、地而原油相对 密度、地面产岀水相对密度、标况下天然气相对密度）、生产动态数 据（体积含水、井底流压、产油量）和设计数据（体积含水、产油量、 生产气油比、油压、套压），计算各种载荷，确定系统中机械设备的 型号和规格，确定泵效最大的机杆泵及其工作参数，通过进一步完善 确定机杆泵及其工作参数，使抽油系统的效率达到最大值。 2设计步骤 2.1根据给定的地层压力、饱和压力以及生产动态数据用综合IPR曲 线计算采液指数 因为： 人）几）+ 欝

6、1-0.2（血）-0.8（血）2 + 化厶0-切） 1 Ac套管内径而积，肿； At油管外圆面积，F ; 由己知数据可得： 11 A = = 15393.8（/mn2）; 4 4 =竽=4185.4（劝彳）； 假定初选泵径=43，则： Ar = 1452.2（?广）； 所以: ? = +1一 4- A - A 1452.21452.2 =1 15393.815393.8-4185.4 =0.224 (2) 由井底流压与沉没度的关系得：含水井正常抽油时，泵吸入 口以上的油套环形空间流体不会发生流动。因此，油水由于密度差而 发生重力分异，使泵吸入口以上的环形空间的液柱中不含水，而在吸 入口以下为油

7、水混合物。故正常抽吸时油水界面稳定在泵的吸入口 处，此时，流动压力可近似的表示为： 厂(H厶)石 n = 6.2 min1 且有: sxn2 1790 =0.045 0.225 因此，冲数的选择满足要求。 2. 7抽油杆柱设计（釆用等强度综合设计方法） 2. 7. 1抽油杆柱强度级别的选择 表-4强度级别和对应的抗拉强度对照表（选自采油工程课程设计 指导P20） 抽油杆强度级别 C D K 抽油杆最底抗拉强 度 620794 794965 588794 在轻载荷或中载荷有轻微盐水腐蚀的油井中，选择C级抽油杆； 在中载荷有腐蚀介质C02、H2S的油井中，选择K级抽油杆； 在重载荷有轻微盐水腐蚀的

8、油井中，选择D级抽油杆。 2. 2. 7. 2抽油杆柱下部加重杆设计计算 （1）初定油管柱和抽油杆柱组合型式及SF值 表-5抽油杆最大下泵深度推荐值（C级）（相当屁而二=8。怀州2 时） （选自采油技术手册P268） 每级杆柱长度占总下泵深度的百分数， 级 杆 柱 抽油杆 直径，in 7/8 25 28 3/4 28 32 5/8 47 40 最大下泵深度， m 2020 1790 抽油杆 直径，in 1 20 23 26 31 35 7/8 23 26 30 35 38 3/4 57 51 44 34 27 最大下泵深度， m 2 1440 1220 根据CYJ7-2. 1-26和泵径28m

9、m,由表-4知抽油杆尺寸为 1x7/8x3/4(0.20 x0.23x0.57),三级抽油杆和油管尺寸为2丄，并选择抽 2 油杆：喷丸处理碳钢抽油杆(C级)(相当后肿=80%加2)。 SF为使用系数，考虑到流体腐蚀等因素而附加的系数(小于或等于 1. 0)o (2)计算加重杆长度 A.泵筒与柱塞间的摩擦力： P、, = 0.94 x(Dp/J)-140 = 0.94 x (0.028 / 0.053)-140 = 356.6N 表-6标准抽油泵的柱塞-衬套副配合间隙等级表(选自采油机械 设计计算P91) 间隙等级 I II III 直径上间隙，mm 0. 030. 08 0. 080. 13

10、0. 130. 18 直径下间隙，mm 0. 0150. 04 0. 040. 065 0. 0650. 09 计算时取三个配合间隙等级的平均间隙值，即取间隙的平均值0. 053o B计算液体通过排出阀的水力阻力所产生的对柱塞底部的向上推力 计算雷诺数： = 52.63xnspLD /(/“) 9 1 = 52.63x6.2x2.lx 892 x 0.028- /( - x 0.028 x 5) =10269 3xl04 因为当3xlO4 时，“ = 037 - ln = 4185.4(mm2); C选泵径= 28，则: nd 7 = 615.8(”); 所以: 卜=4-一 A A-A 615

11、.8615.8 15393.8 15393.8-4185.4 =0.095 由井底流压与沉没度的关系得：含水井正常抽油时，泵吸入 口以上的油套环形空间流体不会发生流动。因此，油水由于密度差而 发生重力分异，使泵吸入口以上的环形空间的液柱中不含水，而在吸 入口以下为油水混合物。故正常抽吸时油水界面稳定在泵的吸入口 处，此时，流动压力可近似的表示为： 心=(H -厶)瓦g +力恳g x 1 O +代 式中：Pf流压，Mpa H油层中部深度，m； L泵挂深度，m； hx沉没度，m； g重力加速度，in2 /5 ; Pml 井内液气混合物平均密度，kg/m3; Po 吸入口以上环形空间油柱平均密度，k

12、g/m 套压，MPa； 将心等效到泵口吸入压力时: pf =h、agxE+Pc 取j （余隙体积百分数）为0.1； 考虑弹性变形影响K=O1; 生产汽油比为: 心=87x0.856 = 74.47 ; 溶解汽油比为: R, =（7.6988 +1.4）x 104 x 12.048 式中： A = 0.012500.00091 6 = 1.8(7-273.15) + 32 = 1.8x70 + 32 = 158 ; 141 5141 5 -131=-13L5=33-8? a天然气溶解系数，a =空； P 联立上式代入数据计算得： A = 0.00091x158-0.0125x33.8 = -0.

13、28 R, =(7.6988 /? + 1.4)x10ax12.048 n *7 =(7.9688 /? + 1.4)xl 0亠28 xl 2.048 =6.28/? + 1.10 R = - = 6.28 981K(p+l)(l + 5) 0.25F(心-ap) + p+l 9.81 x 0.1 x (0.00981 x 0.856 x hs + 0.2 +1) x (1 + 0.1) _ 0.25 x 0.095 x (74.47 - 6.28 x (/?5 x 0.856 x 0.00981 + 0.2) + 0.00981 x 0.856 x /?( +0.2 + 1 _ 9.06九+

14、1295 7.141/+2939 利用编写程序求出久关系填入下表-7： 表-8泵效与沉没度关系 沉 没 度 0 450 / m 泵 0. 33 0. 39 0. 45 0.49 0. 53 0. 56 0. 59 0.61 0. 63 0. 65 效 2 9 3 7 4 5 2 5 4 2 沉 没 度 5 7 900 950 / m 泵 0.66 0. 68 0. 69 0. 70 0. 71 0. 72 0. 73 0. 73 0. 74 0. 75 效 8 1 4 5 5 4 2 9 6 3 得泵效与沉没度关系曲线如图-5： 2. 11选择电机型号及功率 水功率与光杆功率计算： (a) 水

15、功率(有效功率)：是指一定时间内将一定液体具升一定 距离所需要的功率。 86400 时QRLgq 7448x0.892x1805x9.8x0.836 _ n/186400： (b) 光杆功率计算: 2880.95x2.1x6.2 60 x1000 = 1.531KW (c) 井下效率: HHP 11 HPPR 11 Q A =X100%-74.2% 1.531 (e)电动机额定功率的计算： 由公式： Nr = 0.0409兀)2刃门屛/( _ “皿 + )K x 10-3 式中：弘电动机的额定功率，kW; D泵径，m rjp泵的举升效率，一般为0. 850. 95, 可取0. 9； %抽油机效

16、率,一般为0. 800. 85,可 取 0. 82； K形状系数，与平衡状况有关，为1.23. 4, 平衡时取1. 2,严重不平衡时取3. 4,这里 取 2. 5. 取 =0.9,久=0.82, K = 2.5,则上式变为： =0.1136x100 pinl Lf (0.355 + ) K 代入数据得： Nr =0.1136x102(0.355 + 7) =0.1136 x 10 x 12.0 x 892 x 1005 x (0.355 + 0.753) x2.5 = 3.3%W 在我国大多数油田选择电动机时选用比论功率稍大一点的电动 机，因为这样可使电动机工作较长时间和故障率少，但也不能太大

17、， 这样会不经济。故选择电动机型号为YCCH2OO-6,低LM,输出功率 为5.6加（梁式抽油机设计计算P78表5.5）。 2. 12确定平衡半径 平衡扭矩M平计算式： （摘自采油机械的设计计算P57） 式中平衡重所储存的能量； 用抽油杆柱在油中的重量，N； P油井中动液面以上，断面积等于柱塞全而积的油柱 重，N； S驴头悬点的冲程长度，mo P杆二1-牛gg Pr八1 =|(1028.85x1.94x9.81 + 415.15x2.68x9.81 + 236x3.5x9.81 + 125x3.9x9.81) 7.85 =38650/V 匕=(_/)舛=1005x856x9.81x6.154x10- =51942 即：M .p = A）=片 选择曲柄平衡块8块,游梁平衡块8块，查图-6得平衡半径R = 03cm . 图-6CYJ7-2A-26F （基木型）抽汕机所用平衡重的选择图解 （摘自采油机械的设计计算P57） 3. 设计结果 （1）抽油机类型为游梁式CYJ7-2.1-26