抽油机井系统效率技术及应用

1、抽油机井系统效率抽油机井系统效率 技术及应用技术及应用 采油工艺研究院采油工艺室采油工艺研究院采油工艺室 一、抽油机井系统效率管理的意义一、抽油机井系统效率管理的意义 抽油机井系统效率的研究并不是一个新课题抽油机井系统效率的研究并不是一个新课题 或新领域，但是众多的采油工程、开发等教科书或新领域，但是众多的采油工程、开发等教科书 上讨论的较少，自上讨论的较少，自19961996年行业颁发的系统效率测年行业颁发的系统效率测 试标准出台后，该项技术逐渐进入广大采油工程试标准出台后，该项技术逐渐进入广大采油工程 人员的视线，通过几年的探索与研究，目前已经人员的视线，通过几年的探索与研究，目前已经 达

2、到可操作的程度达到可操作的程度。 但由于思维定式的改变，必然要引起设计思但由于思维定式的改变，必然要引起设计思 想的改变。传统的抽油机井优化设计方法是追求想的改变。传统的抽油机井优化设计方法是追求 井口产量为目标，采用节点分析技术，对井下杆井口产量为目标，采用节点分析技术，对井下杆 柱工作参数的进行优化组合，这一举升设计思想柱工作参数的进行优化组合，这一举升设计思想 已不再适应股份公司高效、低耗的生产指导思想已不再适应股份公司高效、低耗的生产指导思想 。而以提高抽油机井系统效率、降低生产成本、。而以提高抽油机井系统效率、降低生产成本、 降低抽油机能耗为目标的设计则是系统效率的灵降低抽油机能耗为

3、目标的设计则是系统效率的灵 魂。魂。 从管理的范畴，以系统效率作为目标管理可从管理的范畴，以系统效率作为目标管理可 以使抽油机井的科学管理达到更高境界以使抽油机井的科学管理达到更高境界。可以实。可以实 现用有限的投入、产出最大的效益。因此思维定现用有限的投入、产出最大的效益。因此思维定 式的改变，必然要引起设计思想的改变，这就是式的改变，必然要引起设计思想的改变，这就是 系统效率的灵魂。系统效率的灵魂。 二、机采系统效率定义及影响因素二、机采系统效率定义及影响因素 抽油机井系统效率抽油机井系统效率是指将液体举升到地面的有效是指将液体举升到地面的有效 作功能量与系统输入能量之比。作功能量与系统输

4、入能量之比。 i e p p 有效功率有效功率 输入功率输入功率 现场实测现场实测 K K（Q Q、HdHd、PoPo、PtPt、） 机械采油井的有效功率机械采油井的有效功率 ： 86400 gHQ P e 有效扬程有效扬程 ： g pp HH d 1000)( 10 有用能量：有用能量：用于提升所载液体用于提升所载液体 损失能量损失能量 地面损失能量地面损失能量 地下损失能量地下损失能量 电机损失能量电机损失能量 抽油机摩阻损失能量抽油机摩阻损失能量 粘滞摩阻损失能量粘滞摩阻损失能量 滑动摩阻损失能量滑动摩阻损失能量 水击损失能量水击损失能量 P P入 入=P =P有 有+ + P P地地+

5、P +P粘 粘+P +P滑 滑+P P其它其它 液体粘度 泵挂深度 油管管径 泵杆杆径 冲程冲次 杆管材质 井斜轨迹长度 单位长度杆重 皮带皮带- -减速箱减速箱 四连杆机构四连杆机构 地面效率构成地面效率构成 油管油管 抽油杆抽油杆 抽油泵抽油泵 盘根盒盘根盒 井下效率构成井下效率构成 电机效率电机效率 井下效率影响因素井下效率影响因素 1 1、盘根盒效率、盘根盒效率 主要功率损失填料摩擦损失。主要功率损失填料摩擦损失。 2 2、抽油杆效率、抽油杆效率 主要为抽油杆与油管的摩擦损失、抽油杆与液体之间的摩主要为抽油杆与油管的摩擦损失、抽油杆与液体之间的摩 擦损失、杆柱弹性伸缩损失。擦损失、杆柱

6、弹性伸缩损失。 3 3、抽油泵效率、抽油泵效率 主要的功率损失为抽油泵柱塞与衬套之间的摩擦损失、泵主要的功率损失为抽油泵柱塞与衬套之间的摩擦损失、泵 漏失损失、原油流经泵阀时由于水力阻力引起的功率损失。漏失损失、原油流经泵阀时由于水力阻力引起的功率损失。 4 4、管柱效率、管柱效率 主要有油管漏失损失、液体与油管内壁产生的摩擦损失、主要有油管漏失损失、液体与油管内壁产生的摩擦损失、 油管弹性伸缩损失。油管弹性伸缩损失。 影响因素影响因素 有效功率有效功率 现场实测现场实测 K K（Q Q、HdHd、PoPo、PtPt、） （1）技术装备 要想提高系统效率，就应采用较先进的、 节能型的技术装备。

7、如节能抽油机、适应抽油 机变工况的拖动装置、降低抽油杆摩擦的技术 和高效抽油泵等。 由此可见，有杆抽油系统的效率与油井本身的条 件有密切关系。在油井条件一定的情况下，则主要有 以下三种因素的影响： 影响因素影响因素 （2）机、杆、泵的设计 研究表明，抽汲参数（S、n、D），特别 是冲次（n）对有杆抽油系统效率有明显影响， 要想提高其运行效率，必须对抽汲参数进行优 化。 影响因素影响因素 （3）管理工作 管理工作水平，例如抽油机的平衡度、驴 头与井口的对中情况、传动皮带的张紧程度等 等都会影响有杆泵抽油系统效率。 三、提高系统效率的对策三、提高系统效率的对策 技术装备水平技术装备水平 抽油机抽油

8、机 电机电机 抽汲参数抽汲参数 冲程冲程 冲次冲次 泵径泵径 抽油机平衡调整方法抽油机平衡调整方法 技术管理技术管理 提高提高 机采机采 系统系统 效率效率 对策对策 近几年，从股份公司到地区分公司、直近几年，从股份公司到地区分公司、直 至采油厂一直在狠抓提高机采系统效率工作。至采油厂一直在狠抓提高机采系统效率工作。 目前仅系统效率测试仪器就有三种、系统效目前仅系统效率测试仪器就有三种、系统效 率优化设计技术也有几家在我油田应用，在率优化设计技术也有几家在我油田应用，在 为提高我油田的机采系统效率做出了积极推为提高我油田的机采系统效率做出了积极推 动作用的同时，也使技术的选用存在盲目性。动作用

9、的同时，也使技术的选用存在盲目性。 在此，对我油田在用的优化设计技术进行了在此，对我油田在用的优化设计技术进行了 评价。评价。 优化思路：优化思路：测试优化实施测试验证测试优化实施测试验证 仪器名称仪器名称测试功能测试功能范围范围精度精度 与软件的衔与软件的衔 接性接性 XTZH-XTZH-示功图、动液面、三相示功图、动液面、三相 电压、电流、有功、无电压、电流、有功、无 功、功图、电机转速、功、功图、电机转速、 减速轴转速减速轴转速 0 01140V1140V0.50.5可直接将测可直接将测 试数据上传试数据上传 到优化诊断到优化诊断 及设计软件及设计软件 PTS2.0PTS2.0同上同上同

10、上同上0.50.5同上同上 日产日产31663166电压、电流、有功、无电压、电流、有功、无 功功 0 0380V380V1 1需人工加载需人工加载 结结 论：论：测试仪器上，实现测试、设计一体化是技术发展趋势，测试仪器上，实现测试、设计一体化是技术发展趋势， 显然北京枫火和华北采研院（湖北荆州显然北京枫火和华北采研院（湖北荆州) )要优于江苏瑞达，但在要优于江苏瑞达，但在 携带和操作方面，北京枫火又要优于华北采研院。携带和操作方面，北京枫火又要优于华北采研院。 配套仪器的适应性评价配套仪器的适应性评价 软件名称软件名称单位单位软件功能软件功能0505年实施效果年实施效果 提高抽油机井系统提高

11、抽油机井系统 效率优化设计软件效率优化设计软件 江苏瑞达技江苏瑞达技 术服务公司术服务公司 工况校核工况校核 优化设计优化设计 实施后效果预测实施后效果预测 对比对比103103口口 18.1218.1232.5132.51 SysEffSysEff软件软件华北油田采华北油田采 油工艺院油工艺院 工况校核工况校核 敏感性分析敏感性分析 优化设计优化设计 平衡分析平衡分析 实施后效果预测实施后效果预测 对比对比1515口口 23.623.629.529.5 结结 论论：从优化设计角度看，：从优化设计角度看，SysEffSysEff软件功能较江苏瑞达强，软件功能较江苏瑞达强， 不仅能分解地面效率与

12、井下效率，还能定量的计算主要参数对系不仅能分解地面效率与井下效率，还能定量的计算主要参数对系 统效率的敏感性程度，并在此基础上进行了油井参数优化设计，统效率的敏感性程度，并在此基础上进行了油井参数优化设计， 提高了优化设计及动态预测的准确性。且为网络版软件，便于生提高了优化设计及动态预测的准确性。且为网络版软件，便于生 产单位的应用及技术的管理。但由于实施井数较少，其效果的普产单位的应用及技术的管理。但由于实施井数较少，其效果的普 遍性有待进一步验证。遍性有待进一步验证。 设计软件的适应性评价 一是对高凝高粘油考虑不够充分。一是对高凝高粘油考虑不够充分。从现场应用从现场应用 效果来看，主要表现

13、在有效期上（小于效果来看，主要表现在有效期上（小于9090天的井占天的井占 到了三分之一）；部分井未达到预期效果（四分之到了三分之一）；部分井未达到预期效果（四分之 一的实施井）一的实施井） 二是对掺水量、加药浓度等配套措施无法优化二是对掺水量、加药浓度等配套措施无法优化， 仅仅是杆管柱的设计及工作制度的优化；仅仅是杆管柱的设计及工作制度的优化； 三是优化目标比较单一，未考虑经济效益三是优化目标比较单一，未考虑经济效益。 研发了提高双高油井系统效率优化设计软件研发了提高双高油井系统效率优化设计软件 缺点：缺点： ? ? 冲程冲程 对悬点载荷影响相对最小对悬点载荷影响相对最小 冲程长则冲程损失变

14、小冲程长则冲程损失变小 长冲程长冲程 冲次冲次 对悬点载荷影响大对悬点载荷影响大 稠油井、低供液井稠油井、低供液井 慢冲次慢冲次 泵径泵径 大直径泵可以在较低抽汲速度大直径泵可以在较低抽汲速度 下得到所要求的产液量，从而下得到所要求的产液量，从而 使水力损失和摩擦损失减小使水力损失和摩擦损失减小 ， 可得到较高的系统效率可得到较高的系统效率 较大泵径较大泵径 抽汲参数优化的共同点：抽汲参数优化的共同点： 在同等产液量，杆柱等级、管径基本保持不变的前提下：在同等产液量，杆柱等级、管径基本保持不变的前提下： 8.447kw 5.02kw 23.6% 35% 优化前 优化后 输入功率系统效率 系统效

15、率优化设计实施效果对比表系统效率优化设计实施效果对比表 项目项目 日产液日产液 m m3 3/d/d 泵径泵径 mmmm 冲程冲程 m m 冲次冲次 次次/ /分分 输入功输入功 率率 系统效系统效 率率 年耗电年耗电 量量 kw.hkw.h 实施前实施前34.753.163.535.329.16723.3777003 实施后实施后39.259.053.574.156.62935.7355684 对比对比+4.5+5.89+0.04-1.17-2.538+12.36-21319 新井优化设计实施效果对比新井优化设计实施效果对比 项目项目冲程冲程冲次冲次输入功率输入功率系统效率系统效率年耗电量年

16、耗电量吨液耗电吨液耗电 抽测新井平抽测新井平 均单井均单井 4.354.354.784.786.796.7929.629.65.75.7万度万度5.585.58度度 全油田全油田 平均平均 3.563.565.275.278.408.4023.623.67.17.1万度万度5.665.66度度 对比对比+0.79+0.79-0.49-0.49-1.61-1.61+6+6-1.4-1.4-0.08-0.08度度 技术装备水平技术装备水平 抽油机抽油机 电机电机 抽汲参数抽汲参数 冲程冲程 冲次冲次 泵径泵径 抽油机平衡调整方法抽油机平衡调整方法 技术管理技术管理 提高提高 机采机采 系统系统 效

17、率效率 对策对策 输入功率 有效功率 系统效率 由系统效率的定义出发：由系统效率的定义出发： 系统效率系统效率 输入功率输入功率 有效功率有效功率 通过设计参数通过设计参数 的优化可实现的优化可实现 P P入 入 = P = P有 有 + P + P损 损 从输入功率的构成来看：从输入功率的构成来看： P地 地 + P粘粘 + P滑滑 + P其它其它 P电机 电机 + P抽油机抽油机 u对现有抽油机加强维护和保养对现有抽油机加强维护和保养 u在条件允许的情况尽可能选择节能型抽油机在条件允许的情况尽可能选择节能型抽油机 u进行常规游梁式抽油机的节能型技术改造（下进行常规游梁式抽油机的节能型技术改

18、造（下 偏杠铃式）偏杠铃式） （一）降低抽油机能量损耗的主要方法（一）降低抽油机能量损耗的主要方法 （二）国内外发展趋势（二）国内外发展趋势 游梁式抽油机是国内外油田应用最广泛的有游梁式抽油机是国内外油田应用最广泛的有 杆抽油装备。近年来，为了满足注水开发油田排杆抽油装备。近年来，为了满足注水开发油田排 液量高、粘油、稠油、深井与超深井抽油工艺的液量高、粘油、稠油、深井与超深井抽油工艺的 要求，游梁式抽油机朝着要求，游梁式抽油机朝着长冲程、重载、大扭矩长冲程、重载、大扭矩 方向发展。方向发展。 同时，同时，节能型抽油机节能型抽油机也是目前有杆抽油技术也是目前有杆抽油技术 一个比较活跃的研究领域

19、。一个比较活跃的研究领域。 2000年前年前节能抽油机的应用以双驴头抽油机为主节能抽油机的应用以双驴头抽油机为主 2000年年油田公司召开了油田公司召开了“新型节能抽油机新型节能抽油机”技术发技术发 展展 研讨会，确定了现场试验机型研讨会，确定了现场试验机型 2001年年开展了调径变矩式抽油机、下偏杠铃式抽油开展了调径变矩式抽油机、下偏杠铃式抽油 机、摆杆式抽油机和皮带式抽油机等机、摆杆式抽油机和皮带式抽油机等4种节能种节能 抽油机的现场试验抽油机的现场试验 2002年至今年至今重点在产能井上开展了节能抽油机的推重点在产能井上开展了节能抽油机的推 广应用工作，常规游梁式抽油机节能型广应用工作，

20、常规游梁式抽油机节能型 技术改造进入现场实施技术改造进入现场实施 （三）大港油田应用情况（三）大港油田应用情况 节能抽油机试验情况节能抽油机试验情况 抽油机抽油机常规抽油机常规抽油机 调径调径 变矩变矩 摆杆摆杆皮带皮带 下偏下偏 杠铃杠铃 双驴头双驴头 悬点最大负荷悬点最大负荷(KN)120120120120120120 冲程冲程(m)5 /4.2 /3.6 /33.4 /4.2 /5 4.8/ 4.2 /3.6 6 4.8 /4.2 /3.6 5/4/3 冲次冲次(r/min)2.8 4 64 5 62.7 4 5.50-45.5 4 2.76 5 4 减速箱额定扭距减速箱额定扭距7348

21、或或53375348 电动机功率电动机功率(KW)4522或或3022373022 平衡方式平衡方式曲柄平衡曲柄平衡游梁平衡游梁平衡复合平衡复合平衡平衡箱平衡箱复合平衡复合平衡曲柄平衡曲柄平衡 地面效率地面效率54.470.7885.1782.3578.37 节电率节电率-18%28%42%36%25% 节能抽油机应用参考意见节能抽油机应用参考意见 型号型号优点优点缺点缺点适应油藏条件适应油藏条件 双驴头双驴头 配件与常规机通用配件与常规机通用 1010型机可实现型机可实现5 5米冲程米冲程 调参同常规机调参同常规机 对稠油井适应性差对稠油井适应性差 中北部常规油气藏中北部常规油气藏 皮带机皮

22、带机 最大冲程达到最大冲程达到7.37.3米、冲次米、冲次0404次可次可 调调; ;对扭矩要求较小，可最大限度的对扭矩要求较小，可最大限度的 利用其额定负荷利用其额定负荷; ;平衡易调整平衡易调整 作业需要移机作业需要移机 价格较常规机高价格较常规机高 稠油及深抽油井稠油及深抽油井 调径变距调径变距 调参简便调参简便 1010型机可实现型机可实现5 5米冲程米冲程 配重箱离地面近，需配重箱离地面近，需 安装防护栏安装防护栏 基本适应大港油田基本适应大港油田 常规油气藏常规油气藏 下偏杠铃下偏杠铃可作为常规游梁机节能改造技术可作为常规游梁机节能改造技术调参同常规机调参同常规机 基本适应大港油田

23、基本适应大港油田 常规油气藏常规油气藏 摆杆摆杆调冲程、调平衡方便调冲程、调平衡方便 滚轮套为易损件需定滚轮套为易损件需定 期更换期更换 基本适应大港油田基本适应大港油田 常规油气藏常规油气藏 复合平衡复合平衡最大冲程达到最大冲程达到6m6m，具有节能效果，具有节能效果调参同常规机调参同常规机适用于各类油井适用于各类油井 机型选择：机型选择：以节能抽油机为首选，并依据上表视油井情以节能抽油机为首选，并依据上表视油井情 况确定合理的节能抽油机类型。况确定合理的节能抽油机类型。 最大载荷选择：最大载荷选择：依据悬点最大载荷计算结果，载荷利依据悬点最大载荷计算结果，载荷利 用率为用率为4080之间为

24、合理。之间为合理。 扭矩选择：扭矩选择：依据最大扭矩计算结果，抽油机扭矩利用依据最大扭矩计算结果，抽油机扭矩利用 率为率为4080之间为合理，并考虑后续加深需要，在同之间为合理，并考虑后续加深需要，在同 载荷机型中最好选择较大扭矩的机型。载荷机型中最好选择较大扭矩的机型。 冲程选择：冲程选择：同系列机型中，选择冲程最大的机型。同系列机型中，选择冲程最大的机型。 （四）抽油机选配原则（四）抽油机选配原则 技术装备水平技术装备水平 抽油机抽油机 电机电机 抽汲参数抽汲参数 冲程冲程 冲次冲次 泵径泵径 抽油机平衡调整方法抽油机平衡调整方法 技术管理技术管理 提高提高 机采机采 系统系统 效率效率

25、对策对策 P P入 入 = P = P有 有 + P + P损 损 从输入功率的构成来看：从输入功率的构成来看： P地 地 + P粘粘 + P滑滑 + P其它其它 P电机 电机 + P抽油机抽油机 电机负载率与电机效率的关系曲线电机负载率与电机效率的关系曲线 50 提高系统效率提高系统效率 降低电机损耗降低电机损耗 提高电机效率提高电机效率 正常区域 低负载区域 过载区域 大港油田在用电动机负载情况统计大港油田在用电动机负载情况统计 统计井数：统计井数：349349口口 电机负载电机负载 率范围率范围 日产液日产液泵深泵深动液面动液面输入功率输入功率 有效功率有效功率系统效率系统效率 40%5

26、0%50%124.62124.62940.7940.747947914.53614.5364.5274.52731.131.1 电机处于不同负载区域系统效率统计表电机处于不同负载区域系统效率统计表 电机电机 功率功率 选择选择 电机发热电机发热 启动能力启动能力 过载能力过载能力 应用永磁同步电机、双功率电应用永磁同步电机、双功率电 机等节能辅助设备可得到改善机等节能辅助设备可得到改善 “大马拉小车大马拉小车”的现象普遍存在，由于电机选配的现象普遍存在，由于电机选配 考虑了更多因素，因此不能彻底根除，但可采取有考虑了更多因素，因此不能彻底根除，但可采取有 效措施加以改善。效措施加以改善。 突出

27、技术永磁同步电机 项目项目启动转矩启动转矩 与普通异步电与普通异步电 机比节电率机比节电率 负载率低于负载率低于 50%50%的效率的效率 额定效率额定效率 普通异步电机普通异步电机1.8 (1.8 (倍倍) )30%-50%30%-50%80%80% 永磁同步电机永磁同步电机3.63.6（倍）（倍）9.6%-27%9.6%-27%90%90%94%94% 井号井号安装前机型安装前机型安装后机型安装后机型 安装前月安装前月 耗电（耗电（kWhkWh） 安装后月安装后月 耗电（耗电（kWhkWh） 月节电月节电 （kWhkWh） 西西49-749-7Y225M-8 22KWY225M-8 22K

28、WCXT225M-8 22KWCXT225M-8 22KW2174217413801380794794 西西15-8315-83Y225M-8 30KWY225M-8 30KWCXT225M-8 30KWCXT225M-8 30KW528552853560356017251725 永磁同步电机与常规异步电机性能对比永磁同步电机与常规异步电机性能对比 永磁同步电机安装前后节电计量对比永磁同步电机安装前后节电计量对比 （四）电机应用需注意的问题（四）电机应用需注意的问题 u电机性能与抽汲参数优化匹配问题电机性能与抽汲参数优化匹配问题 以系统效率为设计目标的参数优化原则：以系统效率为设计目标的参数优

29、化原则： 长冲程、慢冲次、合理泵径长冲程、慢冲次、合理泵径 在用电机皮带轮改造在用电机皮带轮改造 增置辅助调速装置增置辅助调速装置 在用电机增极改造在用电机增极改造 选用较大极数的电机选用较大极数的电机 6 6极电机通过皮带轮的加工，冲次可降低到极电机通过皮带轮的加工，冲次可降低到4 4次次 8 8极电机通过皮带轮的加工，冲次可降低到极电机通过皮带轮的加工，冲次可降低到3 3次次 1212极电机通过皮带轮的加工，冲次可降低到极电机通过皮带轮的加工，冲次可降低到2 2次次 p f n 60 电机转速电机转速 电源频率 电机定子 磁极对数 电机改极前后的变化电机改极前后的变化 1、电机转速变化、电

30、机转速变化 电机极速增加，转速变慢电机极速增加，转速变慢 2、电机轴承运行条件变化、电机轴承运行条件变化 电机极速增加，转速变慢，轴承运行条件变化好电机极速增加，转速变慢，轴承运行条件变化好 3、电机额定功率下降、电机额定功率下降 在同一口井应用时，电机负载率提高，电机效率提高在同一口井应用时，电机负载率提高，电机效率提高 原功率6极改8极8极改10极 8极改12极 30242523 37303128 45363834 其它油田现场应用情况其它油田现场应用情况 1999年开始胜利油田临盘采油厂对旧电机进行增年开始胜利油田临盘采油厂对旧电机进行增 极改造，用于供液较差的油井，经现场测试，取得了极

31、改造，用于供液较差的油井，经现场测试，取得了 较好的效果。在保持油井产油量基本不变的情况下，较好的效果。在保持油井产油量基本不变的情况下， 平均电流下降了平均电流下降了30，输入功率下降了，输入功率下降了37%，系统效，系统效 率提高了率提高了5%，单井日耗电下降了，单井日耗电下降了72KW.H。 电机改极的条件电机改极的条件 工厂生产的系列电机都是综合各种性能的最佳方案，包括安工厂生产的系列电机都是综合各种性能的最佳方案，包括安 全性、经济性，进行改极后将造成一些电机性能更加优化，一些全性、经济性，进行改极后将造成一些电机性能更加优化，一些 性能更加恶化。性能更加恶化。 同时，改极一般只适用于鼠笼式异步电机，绕线式转子电机同时，改极一般只适用于鼠笼式异步电机，绕线式转子电机 改极时，其转子改极时，其转子绕组也要相应改变极数，改极工作复杂。绕组也要相应改变极数，改极工作复杂。 另外，不是所有电机都能改极，所以改极前要查清电机定子另外，不是所有电机都能改极，所以改极前要查清电机定子 槽数槽数Q1和转子槽数和转子槽数Q2的配合，出现下列情况时，改极后电机将会的配合，出现下列情况时，改极后电机将会 出现严重的嗓音，