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。全面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,已成为降低石油开采成本,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，有杆泵抽油已经得到了广泛应用，其中最常用的是游梁式有杆抽油系统，这种系统结构简单、耐

2、用且经济。游梁式抽油机深井泵抽油装置：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，采油可变成本高。有杆泵往复抽汲方式具有设备装置简单、操作方便、综合

3、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本中所占比例最大，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，就是系统供给液体的有效能量 ,将液体举升至地面的有效作功

4、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日趋严重，直接影响原油的开采成本。深入开展提高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

5、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、地面原油相对密度、地面产出水相对密度、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： (1)又因为： (2)联立（1）（2）得采液指数：2.2由设计基础数据计算井底流压并绘制含水25%时IPR曲线因为

6、： （3）又因为： （5）由此绘制含水率25%时的IPR曲线：（1） 当（2） 当 （3） 当利用编写程序求出 关系填入下表-1：表-1产量（）01234567井底流压（Mpa）1715.8914.7813.6612.5411.4210.228.92产量（）88.599.51010.210.410.5井底流压（Mpa）7.456.635.724.673.362.681.761.02得含水25%时IPR的曲线如图-1： 图-12.3由井底流压估算动液面而因为： （4）显然由（3）(4)（5）得：所以求井底流压应按流压加权平均进行推导，并求的体积含水 25%，产油量 4t/d时的井底流压为： 井筒

7、中混合物密度：动液面深度为：2.4做充满程度与沉没度关系曲线，假设下泵深度（摘自采油工程手册上P448）充满系数与沉没度的关系式： （1）其中：充满系数，小数；弹性变形影响，小数；余隙体积分数，用小数表示；天然气溶解系数，；沉没压力（即吸入口压力），Mpa；生产汽油比，；天然气进泵系数；在这里：；泵径面积，；套管内径面积，；油管外圆面积，；由已知数据可得：； ；假定初选泵径,则：；所以： （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水混合物。故正常抽

8、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：式中：流压，Mpa油层中部深度，m；泵挂深度，m；沉没度，m；重力加速度，；井内液气混合物平均密度，； 吸入口以上环形空间油柱平均密度，；套压，MPa；如图所示，将等效到泵口吸入压力时： （3）取（余隙体积百分数）为0.1； 考虑弹性变形影响；生产汽油比为：;溶解汽油比为： （4） 式中： 油藏压力，Mpa； 天然气的相对密度；原油的相对密度；华式温度（F）， ； 原油的API度，；天然气溶解系数， ； （5） 联立（1）（2）（3）（4）（5）代入数据计算得： 利用编写程序求出 关系填入下表-2： 表-2沉没度/m05010015

9、0200250300350400450充满系数0.240.310.380.430.490.530.580.620.660.69沉没度/m500550600650700750800850900950充满系数0.730.760.790.810.840.860.880.910.930.95得充满度与沉没度关系曲线如图-2 图-2选择下泵深度为，其泵的充满系数为。由得下泵深度为：所以动液面深度为：2.5根据产量和下泵深度确定抽油机型号和泵径采油工程手册（上册）（P449）图5-67设计排量为12 根据确定的产量和下泵深度L，用图-3初选泵径和抽油机型号。图-3 基本型油梁式抽油机选择图在图-3中，从横

10、坐标1805处向上引垂线，再从纵坐标12处向右引水平线，从两线的交点a所在的区域找出抽油机的型号为：CYJ7-2.1-26，对应的泵径为：28mm。图-4 油梁式抽油机-抽油装置所用抽油杆和油管尺寸查用表根据选择的抽油机型号和泵径，结合图-4可知：抽油杆组合为，油管尺寸为。2.6确定抽汲参数在我国油田上，一般抽油设备都采用正常抽汲方式。所谓正常抽汲方式，就是当获得所需排量时，采用最大的冲程长度（对该型抽油机而言）和最小泵径，而冲程次数可采用额定值或稍小的数值。在这里抽油机参数从表-3查的。表-3 （选自采油机械的设计与计算P47）基本参数游梁式抽油机驴头悬点最大载荷光杆最大冲程长度减速箱曲柄轴

11、最大允许扭矩最大冲程次数基本型203050701001201600.61.21.82.12.73.342.571826487010015151212121212变形50802.7326481212从交点a向上延长做横坐标轴的垂线，和最大排量曲线交于b点，从b点向左作水平线与纵坐标轴交于一点，该点数值为，即为抽油机CYJ7-2.1-26在最大冲程（）和最大冲数（）时泵抽汲的排量。根据比值关系：当时，上式化简为：或解得：，取所求得的正常抽汲方式的工作参数为：；且有：因此，冲数的选择满足要求。2.7抽油杆柱设计（采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

12、对照表（选自采油工程课程设计指导P20）抽油杆强度级别CDK抽油杆最底抗拉强度620-794794-965588-794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CO2、H2S的油井中，选择K级抽油杆；在重载荷有轻微盐水腐蚀的油井中，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， 三级杆柱抽油杆直径，in7/82528-3/42832-5/84740-最大下泵深度，m20201790-抽油杆直径，in

13、12023263135-7/82326303538-3/45751443427-最大下泵深度，m21801960169014401220-根据CYJ7-2.1-26和泵径28mm，由表-4知抽油杆尺寸为，三级抽油杆和油管尺寸为，并选择抽油杆：喷丸处理碳钢抽油杆（C级）（相当）。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）。(2)计算加重杆长度A泵筒与柱塞间的摩擦力：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IIIIII直径上间隙，mm0.030.080.080.130.130.18直径下间隙，mm0.0150.040.040.0

14、650.0650.09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0.053。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：因为当时，；当时，所以，取。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：取=2，则C作用于抽油杆柱底部液体的上浮力D下冲程时抽油杆柱底部所受的总下行阻力E需配加重杆长度2.7.3加重杆上部抽油杆柱组合设计计算(1)计算各级抽油杆柱长度根据选定的抽油杆柱型式和各级抽油杆柱所占的比例，计算各级抽油杆柱长度:第一段：第二段：第三段：加重段：(2) 抽油杆柱按长度的加权平均截面积(3) 油管柱金属部分按长度的加权平均截面积(4)

15、抽油杆柱在液体中的重力表-7直径 截面积 空气中每米抽油杆质量 19.052.81.9422.2253.82.6825.045.043.5(5) 作用在抽油泵柱塞上的液体载荷(6) 抽油机从上冲程开始到液柱载荷加载完毕时(初变形期)悬点位移油管锚定时：油管未锚定时：因为所以此油管不需要锚定， 。(7) 抽油机从上冲程开始到液柱载荷加载完毕时（初变形期）曲柄转角 (8)变形分布系数 油管未锚定时： (9)计算悬点最大，最小载荷 注：为下冲程动载荷修正系数，与抽油机的几何参数和泵的充满程度有关，在抽汲不含气液体时，一般取。为应力波在抽油杆柱中的传播速度，(10)校核疲劳强度（注：古得曼使用系数，它

16、是个经验值，与油井腐蚀条件，抽油杆的维护操作因数有关，一般取，使用新油杆和无腐蚀的油井中工作时，可取1.0）则：所以抽油杆不会发生疲劳破坏，符合强度设计要求。(11)计算曲柄轴最大扭矩(12)抽油机校核钻机最大载荷为大于最大悬点载荷，因此满足要求。2.8泵效计算泵效：指生产过程中实际产量与理论产量的比值。其计算公式为： 式中：考虑抽油杆柱和油管柱弹性伸缩后的柱塞冲程与光杆冲程之比，表示杆、管弹性伸缩对泵效的影响；进入泵内的液体体积与柱塞让出的泵内体积之比，表示泵的充满程度， ； 泵漏失对泵效影响的漏失系数，这里取；吸入条件下被抽汲液体的体积系数。计算：为冲程损失，其计算公式为： 计算： 故泵效

17、为：2.9产量校核设计排量为，且因此，符合设计要求。2.10作泵效沉没度曲线充满系数为： 其中：充满系数，小数；弹性变形影响，小数；余隙体积分数，用小数表示；天然气溶解系数，；沉没压力（即吸入口压力），Mpa；生产汽油比，；天然气进泵系数；在这里：；泵径面积，；套管内径面积，；油管外圆面积，；由已知数据可得：； ；已选泵径,则：；所以： 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

18、为：式中：流压，Mpa油层中部深度，m；泵挂深度，m；沉没度，m；重力加速度，；井内液气混合物平均密度，； 吸入口以上环形空间油柱平均密度，；套压，MPa；将等效到泵口吸入压力时： 取（余隙体积百分数）为0.1；考虑弹性变形影响；生产汽油比为：;溶解汽油比为： 式中：油藏压力，Mpa； 天然气的相对密度；原油的相对密度；华式温度（F）， ； 原油的API度，；天然气溶解系数， ；联立上式代入数据计算得： 利用编写程序求出 关系填入下表-7： 表-8 泵效与沉没度关系沉没度/m050100150200250300350400450泵效0.3320.3990.4530.4970.5340.5650.5920.6150.6340.652沉没度/m500550600650700750800850900950泵效0.6680.6810.6940.7050.7150.7240.7320.7390.7460.753得泵效与沉没度关系曲线如图-5： 图-52.11选择电机型号及功率水功率与光杆功率计算： （a）水功率（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。（b）光杆功率计算：（c）井下效率： （e）电动机额定功率的计算： 由公式： 式中：电动机的额定功率，； 泵径，m泵的举