1、提高石油抽采设备系统效率第1页，共106页。目 录 1 1、前言、前言1.1 抽油机井系统效率概述1.2 系统效率管理的意义2 2、抽油机采油系统的能量损失、抽油机采油系统的能量损失2.1 抽油机采油系统的工作流程2.2 抽油机采油系统中的能量损失3 3、抽油机井系统效率测试方法与计算公式、抽油机井系统效率测试方法与计算公式3.1 系统效率测试方法3.2 系统效率计算公式4 4、提高抽油机井系统效率途径、提高抽油机井系统效率途径4.1 提高抽油机采油系统中各环节的能效分析4.2 抽油系统节能技术及节能机理4.3 抽油机采油系统节能技术选择方法4.4 抽油机井参数敏感性分析及计算方法5 5、抽油
2、机井提高系统效率案例、抽油机井提高系统效率案例 案例一抽油机井整体参数优化设计 案例二抽油机节能改造第2页，共106页。一、前言一、前言1.1 1.1 抽油机井系统效率概述抽油机井系统效率概述 有杆泵抽油系统其目的是将地面的电能转化为井下液体的能量，使井下液体流到地面。其整个系统工作时，就是一个能量不断传递和转化的过程，每一次能量的传递和转化都存在着能量的损失，抽油机井从地面设备供入系统的能量扣除系统的各种损失以后，就是系统所给液体的有效能量，这一将液体举升到地面的有效做功能量与系统输入能量之比值，称为抽油机井的系统效率。第3页，共106页。20012001年全国共有采油井年全国共有采油井7
3、7万余口，采油生产井用电万余口，采油生产井用电71.871.8亿亿kWhkWh，占油田生产用电的，占油田生产用电的41.37%41.37%。其中抽油机。其中抽油机井用电井用电71.771.7亿亿kWhkWh，占总采油井用电的，占总采油井用电的99.82%99.82%。因此，机采系统的节能降耗是石油开采过程节能的因此，机采系统的节能降耗是石油开采过程节能的重点，对于石油企业降低采油成本、提高经济效益具重点，对于石油企业降低采油成本、提高经济效益具有十分重要的意义。有十分重要的意义。第4页，共106页。“八五八五”期间，大庆石油管理局与大庆石油学院期间，大庆石油管理局与大庆石油学院联合承担了国家级
4、课题联合承担了国家级课题“提高抽油机系统效率研究提高抽油机系统效率研究”。形成了抽油机系统效率与测试方法，探索出了一整套形成了抽油机系统效率与测试方法，探索出了一整套提高抽油机系统效率的措施。继在大庆萨南油田节能提高抽油机系统效率的措施。继在大庆萨南油田节能试验区取得了良好的节能效果之后，在全国各大油国试验区取得了良好的节能效果之后，在全国各大油国推广了提高抽油机井系统效率的配套措施，较大幅度推广了提高抽油机井系统效率的配套措施，较大幅度提高了抽油机井的系统效率，节约了大量电能，并编提高了抽油机井的系统效率，节约了大量电能，并编写了与之配套的石油天然气行业标准写了与之配套的石油天然气行业标准S
5、Y/T5266-1996SY/T5266-1996机械采油井系统效率测试方法。机械采油井系统效率测试方法。第5页，共106页。1.2 系统效率管理的意义 从管理的范畴，以系统效率作为目标管理可以使抽油机从管理的范畴，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最高的境界。对于如何以系统效率管好抽井的科学管理达到最高的境界。对于如何以系统效率管好抽油机井，过去大多通过测试方法，但是要完成各部分的效率油机井，过去大多通过测试方法，但是要完成各部分的效率测试很难，即使通过测试方法了解了一口井的系统效率高低，测试很难，即使通过测试方法了解了一口井的系统效率高低，也不知道哪些是影响系统效率的主要因
6、素。从八十年代开始也不知道哪些是影响系统效率的主要因素。从八十年代开始国内各油田都开展了油井参数的优化设计，对于一口井设计国内各油田都开展了油井参数的优化设计，对于一口井设计是很容易的事情，一些具有丰富现场经验的采油工程师，可是很容易的事情，一些具有丰富现场经验的采油工程师，可以把一口井做出满足以产量、设备强度安全为指标的很好的以把一口井做出满足以产量、设备强度安全为指标的很好的设计方案。但是满足不了企业所追求的目标，即效益最大化。设计方案。但是满足不了企业所追求的目标，即效益最大化。目前的石油企业的形势反映为，用有限的投入、产出最大的目前的石油企业的形势反映为，用有限的投入、产出最大的效益。
7、因此思维定式的改变，必然引起设计思想的改变，这效益。因此思维定式的改变，必然引起设计思想的改变，这就是系统效率的灵魂。就是系统效率的灵魂。第6页，共106页。二、抽油机采油系统的能量损失二、抽油机采油系统的能量损失 地面部分地面部分-游梁式抽油机，由电动机、减速箱和四游梁式抽油机，由电动机、减速箱和四连杆机构（包括曲柄、连杆、横梁、游梁）、驴连杆机构（包括曲柄、连杆、横梁、游梁）、驴头和悬绳器等组成；头和悬绳器等组成；地下部分地下部分-抽油泵，悬挂在套管中油管的下端；抽油泵，悬挂在套管中油管的下端；中间部分中间部分-联系地面和井下部分的抽油杆柱，由一种联系地面和井下部分的抽油杆柱，由一种或几种
8、直径的抽油杆和接箍组成。或几种直径的抽油杆和接箍组成。1 1、抽油机采油系统的工作流程、抽油机采油系统的工作流程 抽油机采油系统的组成抽油机采油系统的组成 第7页，共106页。2 2、抽油机采油系统的工作流程、抽油机采油系统的工作流程 系统工作时，电动机通过皮带和减速器带动曲系统工作时，电动机通过皮带和减速器带动曲柄作圆周运动，曲柄通过连杆机构的游梁，以支架柄作圆周运动，曲柄通过连杆机构的游梁，以支架上的轴承为支点做上下摆动，通过驴头把游梁前端上的轴承为支点做上下摆动，通过驴头把游梁前端的往复摆动转变为悬点的上下往复运动，悬点带动的往复摆动转变为悬点的上下往复运动，悬点带动抽油杆柱、抽油泵柱塞
9、做上下往复直线运动，实现抽油杆柱、抽油泵柱塞做上下往复直线运动，实现机械采油。机械采油。第8页，共106页。当柱塞上行时，柱塞上的游动阀关闭，泵筒上的固定阀打开，井筒中的油液进入泵筒，同时柱塞之上的一部分液体排入地面输油管线，柱塞下行时，游动阀打开，固定阀关闭，柱塞之下抽油泵泵筒内的液体进入油管内，如此循环工作，井液就源源不断地被采出。第9页，共106页。3.抽油机在采油系统中的作用 在抽油机采油系统的三个组成部分中，不同系统的地下部分和中间部分的结构和工作原理基本相同，系统的主要区别在于抽油机的不同。抽油机的不同决定了抽油机采油系统的能耗状况。抽油机的作用是将电动机的旋转运动变成悬点的往复运
10、动。根据基本工作原理，可以认为抽油机主要由以下四个系统组成，即传动减速箱系统、平衡系统和支撑系统。由于各种抽油机的减速系统和支撑系统工作原理基本相同或类似，所以抽油机的结构形式主要由换向系统和平衡系统决定。含有游梁、通过连杆机构换向抽油机统称为游梁式抽油机；抽油机采用不同于四连杆的机构换向、游梁变短甚至消失或采用电动机正反转换向的抽油机统称为无游梁抽油机。第10页，共106页。4.抽油机工作的特点 任何结构抽油机的一个工作循环，都分为上冲程和下冲程两部分。上冲程时，抽油机悬点上作用着抽油杆柱和液柱的重量、抽油杆柱和液柱的惯性载荷、振动载荷以及抽油杆与油管间、柱塞与泵筒间的摩擦力。下冲程时，悬点
11、承受抽油杆柱在液中的重量，相应的惯性载荷以及振动载荷。抽油机悬点载荷随悬点位移的变化规律用动力示功图来表示。第11页，共106页。由动力示功图可见，抽油机的工作特点是上下冲程的载荷很不均匀。上冲程时，驴头需提起抽油杆柱和油柱，电动机要付出很大的能量，而下冲程时，抽油杆柱靠自重就可以下落，不但不需要电动机付出能量，反而对电动机作功，使电动机呈发电运行状态。因此，电动机工作过程中载荷非常不均匀，这种不均匀性严重影响了换向机构、减速箱和电动机的寿命和效率，恶化了整个系统的工作条件。为克服载荷的不均匀性对系统工作性能的影响，在抽油机采油系统中，必须采用平衡系统。第12页，共106页。目前，抽油机上的平
12、衡方式主要有两类：机械平衡和气动平衡。机械平衡是在曲柄和/或游梁尾部加装平衡重。在悬点下冲程时，使得平衡重从低处抬到高处，从而增加了平衡重的位能。为了抬高平衡重，除了领先抽油杆柱下落所放出的位能外，还需要电动机作功，以消除下冲程中电动机发电运行的现象。在悬点上冲程时，平衡重由高处下落，把下冲程时储存的位能释放出来，帮助电动机去提升抽油杆柱和液柱，从而减少了电动机在上冲程和下冲程给出的能量，如果平衡重或/和平衡方式选得合适，不仅可以使电动机上冲程和下冲程给出的能量相等，并且使曲柄轴扭矩变化很小，使电动机、减速箱的载荷均匀，改善系统的工作状态，减少能耗，提高效率。5.5.抽油机的平衡抽油机的平衡
13、第13页，共106页。Twn Twn 悬点载荷悬点载荷W W反映到曲柄上的工作扭矩曲线；反映到曲柄上的工作扭矩曲线；Tr Tr 由平衡重产生的平衡扭矩曲线；由平衡重产生的平衡扭矩曲线；Tn Twn Tn Twn、TrTr叠加后的曲柄轴净扭矩曲线。叠加后的曲柄轴净扭矩曲线。第14页，共106页。由图可见，未平衡抽油机的扭矩峰值很大，且有很大的由图可见，未平衡抽油机的扭矩峰值很大，且有很大的负扭矩，即在一个工作循环内，电动机有近一半时间处于发负扭矩，即在一个工作循环内，电动机有近一半时间处于发电状态。而平衡的抽油机曲柄轴扭矩峰值减小，且只有很少电状态。而平衡的抽油机曲柄轴扭矩峰值减小，且只有很少的
14、一段时间处于发电状态。理想的扭矩曲线是一条水平线，的一段时间处于发电状态。理想的扭矩曲线是一条水平线，即在整个工作过程中，曲柄轴扭矩为一定值。即在整个工作过程中，曲柄轴扭矩为一定值。目前一些节能型抽油机、平衡后的扭矩曲线是一条接近目前一些节能型抽油机、平衡后的扭矩曲线是一条接近水平线的平缓曲线，且峰值较小，这样的抽油机，减速箱和水平线的平缓曲线，且峰值较小，这样的抽油机，减速箱和电动机的载荷均匀，系统效率高，节能效果好。电动机的载荷均匀，系统效率高，节能效果好。第15页，共106页。与机械平衡原理相同，气动平衡是利用气体的与机械平衡原理相同，气动平衡是利用气体的可压缩性，下冲程时气体受压缩储存
15、抽油杆下落所可压缩性，下冲程时气体受压缩储存抽油杆下落所放出的位能和电动机所做的功，上冲程时气体膨胀放出的位能和电动机所做的功，上冲程时气体膨胀放出能量，帮助电动机作功，从而使上下冲程电动放出能量，帮助电动机作功，从而使上下冲程电动机作功相等，改善系统的工作状态。机作功相等，改善系统的工作状态。抽油机平衡系统设计的成功与否，直接与抽油抽油机平衡系统设计的成功与否，直接与抽油机的受力状况、曲柄净扭矩变化情况以及电动机耗机的受力状况、曲柄净扭矩变化情况以及电动机耗功大小、抽油机节能状况有关。功大小、抽油机节能状况有关。第16页，共106页。抽油机采油系统将电能从地面传递给井下液体，从抽油机采油系统
16、将电能从地面传递给井下液体，从而把井下液体举升地面到整个系统工作的过程，就是一而把井下液体举升地面到整个系统工作的过程，就是一个能量不断传递和转化的过程，能量的每一次传递和转个能量不断传递和转化的过程，能量的每一次传递和转化都会有一定的损失。化都会有一定的损失。根据抽油机采油系统的组成情况，可以把系统的能根据抽油机采油系统的组成情况，可以把系统的能量损失分为八部分：量损失分为八部分：2.2.抽油机采油系统中的能量损失抽油机采油系统中的能量损失 第17页，共106页。1.电动机损失 一般的电动机在输出功率为（60%100%）额定功率的条件下工作时，其效率接近于额定效率，约在90%左右，即电动机损
17、耗约占10%。第18页，共106页。抽油机电动机的负荷变化十分剧烈而频繁。在抽油机的每一冲程中，电动机的输出功率都将出现两次瞬时功率极大值和两次瞬时功率极小值（一般这两次极大值、极小值的数值并不相等）。瞬时功率极大值可能超过额定功率，而极小值一般为负功率，即电动机不仅不输出功率，反而由抽油机拖动而发电。因此电动机的输出功率的变化远远超出了（60%100%）额定功率的范围，特别是当抽油机平衡不良时，其电动机甚至可能在（-20120%）额定功率的范围内变化，这时电动机的效率降低，损耗也必然增大。从现场实测看，电动机的损耗有的高达30%40%。第19页，共106页。2.带传动损失 带传动损失可分为两
18、类 一是与载荷无关的损失，它包括绕皮带轮的弯曲损失；进入与退出轮槽的摩擦损失；风阻损失；多条皮带传动时，由于皮带长度误差及轮槽误差造成的功率搜索损失。其次是与载荷有关的损失，它包括弹性滑动损失；打滑损失；皮带与轮槽间径向滑动摩擦损失等。一般情况下，带传动的损失以弯曲损失和弹性滑动损失为主。第20页，共106页。3.减速箱损失 减速箱损失包括轴承损失和齿轮损失。减速箱中有三副轴承，一般为滚动轴承。随着转速和轴径的增大，轴损失也增大。动轴承内油脂增加多少也要影响损耗。一般在润滑良好的情况下，一副轴承的损失约为1%，于是减速箱三副轴承的损失约为3%。第21页，共106页。减速箱中一般有三对人字齿轮，
19、齿轮在转动时，相啮合的齿面间有相对滑动,因此就要发生摩擦与功率损失。在齿轮啮合面间加注润滑剂可以避免金属直接接触，减少摩擦损失。一对齿轮传动功率损失约为2%，则抽油机减速箱三对齿轮的传动损失为6%。所以减速箱总的功率损失约为910%。这是在润滑良好情况下的数据，如果减速箱润滑不良，功率损失将增加，效率将下降。第22页，共106页。4、换向损失 对于游梁式抽油机，其换向部分主要是四连杆机构。在常规机的四连杆机构中有三副轴承和一根钢丝绳，四连杆机构的损失主要是包括轴承摩擦损失及驴头钢丝绳变形损失。三副轴承的功率损失约为3%。在抽油机驴头上悬挂抽油杆柱的钢丝绳反复与驴头接触发生挤压变形。同时反复被拉
20、伸，因此产生变形损失，钢丝绳的变形损失约为2%。综合考虑轴承与钢丝绳，游梁式抽油机四连杆机构的能量损失约为5%。第23页，共106页。5.盘根盒损失 主要是光杆与盘根间的摩擦损失。抽油机工作时，由于光杆与盘根盒中填有相对运动产生摩擦，会产生功率损失。该项功率损失与光杆运动速度和摩擦力成正比。盘根盒密封属于接触密封，接触密封的接触力使密封件与被密封面接触处产生摩擦力，一般摩擦力随工作压力、压缩量、密封材质和填料的硬度以及接触面积的增大而增大，随温度的提高而减小。正常情况下，盘根盒损失不大。如果抽油机安装不对中，光杆与盘根盒的摩擦力将成倍增加。第24页，共106页。6.6.抽油杆损失抽油杆损失 在
21、抽油机采油系统工作过程中，抽油杆上下往复在抽油机采油系统工作过程中，抽油杆上下往复运动，上冲程时，抽油杆与油管间产生摩擦，下冲程运动，上冲程时，抽油杆与油管间产生摩擦，下冲程时，抽油杆与井液间产生摩擦，因此造成功率损失。时，抽油杆与井液间产生摩擦，因此造成功率损失。由于摩擦力的作用与抽油杆的运动方向相反，所以它由于摩擦力的作用与抽油杆的运动方向相反，所以它对上下冲程中悬点载荷的影响是不同的。上冲程时，对上下冲程中悬点载荷的影响是不同的。上冲程时，抽油杆向上运动，摩擦力的作用方向向下，摩擦力增抽油杆向上运动，摩擦力的作用方向向下，摩擦力增加了悬点载荷。下冲程时，抽油杆向下运动，摩擦力加了悬点载荷
22、。下冲程时，抽油杆向下运动，摩擦力减小了悬点载荷。减小了悬点载荷。第25页，共106页。上面的分析表明，摩擦力加剧了载荷的变化幅上面的分析表明，摩擦力加剧了载荷的变化幅度及扩大了示功图面积，这不但给抽油机的工作带度及扩大了示功图面积，这不但给抽油机的工作带来了不利影响，而且使功率消耗大大增加。对于低来了不利影响，而且使功率消耗大大增加。对于低粘油井，抽油杆与液体间的摩擦力较小，可以忽略粘油井，抽油杆与液体间的摩擦力较小，可以忽略不计。当油井中原油粘度很大，从几百到几千不计。当油井中原油粘度很大，从几百到几千mPa.SmPa.S时，抽油杆与液体间的摩擦力有时可达时，抽油杆与液体间的摩擦力有时可达
23、1000015000N1000015000N，对悬点载荷的影响很大。，对悬点载荷的影响很大。抽油杆与液柱间的摩擦耗功与下泵深度、原油抽油杆与液柱间的摩擦耗功与下泵深度、原油粘度成正比，与抽油杆运动速度的平方成反比，抽粘度成正比，与抽油杆运动速度的平方成反比，抽油杆或接箍与油管间的摩擦耗功与井筒本身的斜度油杆或接箍与油管间的摩擦耗功与井筒本身的斜度和弯曲程度有关。井筒斜度或弯曲程度越大，则实和弯曲程度有关。井筒斜度或弯曲程度越大，则实耗功越大。耗功越大。第26页，共106页。7 7、抽油泵损失、抽油泵损失 抽油泵功率损失包括机械功率损失，面积功率抽油泵功率损失包括机械功率损失，面积功率损失和水力
24、功率损失。损失和水力功率损失。抽油泵的机械功率损失主要是指柱塞与泵筒抽油泵的机械功率损失主要是指柱塞与泵筒/衬套之间的机械摩擦所产生的功率损失，一般情况衬套之间的机械摩擦所产生的功率损失，一般情况下其值较小。下其值较小。抽油泵容积功率损失主要是指柱塞与泵筒抽油泵容积功率损失主要是指柱塞与泵筒/衬套衬套之间的漏失量成正比，因此减少柱塞与泵筒之间的漏失量成正比，因此减少柱塞与泵筒/衬套这衬套这间的漏失，可以降低该项损失。间的漏失，可以降低该项损失。抽油泵水力功率损失主要是指原油流经泵阀时抽油泵水力功率损失主要是指原油流经泵阀时由于水力阻力引起的功率损失。由于水力阻力引起的功率损失。第27页，共10
25、6页。8 8、抽油管柱损失、抽油管柱损失 抽油管柱功率损失包括两项，由于油管漏失引抽油管柱功率损失包括两项，由于油管漏失引起的功率损失和由于井液沿油管流动引起的功率损起的功率损失和由于井液沿油管流动引起的功率损失即水力损失。失即水力损失。油管漏失原因主要有两个：油管螺纹密封不好油管漏失原因主要有两个：油管螺纹密封不好而造成油管漏失和螺纹损坏而产生的漏失。而造成油管漏失和螺纹损坏而产生的漏失。抽油机上冲程时，游动阀关闭，液柱在抽油泵抽油机上冲程时，游动阀关闭，液柱在抽油泵柱塞的提升作用下沿油管向上运动，液柱与油管内柱塞的提升作用下沿油管向上运动，液柱与油管内壁产生摩擦，引起水力损失功率。壁产生摩
26、擦，引起水力损失功率。第28页，共106页。目 录1、前言2、抽油机采油系统的能量损失2.1 抽油机采油系统的工作流程2.2抽油机采油系统中的能量损失3、抽油机井系统效率测试方法与计算公式3.1系统效率测试方法3.2系统效率计算公式4、提高抽油机井系统效率的途径4.1提高抽油机采油系统各环节的能效分析4.2抽油机采油系统的节能机理4.3抽油系统节能技术及其节能原理第29页，共106页。3、机械采油井系统效率测试 及计算方法 目前，各油田常用的机械采油方式为游梁式抽油机深井泵和潜油电泵。整个机械采油系统工作时，就是一个能量不断传递和转化的过程，能量的每一次传递和转化都将损失一定的能量，从地面供入
27、系统的能量扣除系统的各种损失以后，就是系统所给液体的有效能量，该有效能量与系统输入能量之比值称为机械采油系统的系统效率。第30页，共106页。3、机械采油井系统效率测试 及计算方法3.1 系统效率测试方法 按照SY/T5266-1996机械采油井系统效率测试方法标准进行测试。定义 机械采油井的输入功率拖动机械采油设备的电动机的输入功率。机械采油井的有效功率将井内液体输送到地面所需要的功率为机械采油井的有效功率。机械采油井的系统效率机械采油井的有效功率与输入功率的比值。第31页，共106页。3、机械采油井系统效率测试 及计算方法定义抽油机的光杆功率光杆提升液体并克服井下各种阻力所消耗的功率。抽油
28、机井的地面效率光杆功率与电动机输入功率的比值。抽油机井的井下效率抽油机井的有效功率与光杆功率的比值。机械采油井的平均系统效率各种机械采油井总的平均效率。第32页，共106页。3、机械采油井系统效率测试及计算方法测试测试要求要求1、测试井的选择、测试井的选择应选取机械采油井所配机、泵等运行正常的生产井为测试应选取机械采油井所配机、泵等运行正常的生产井为测试对象。对象。2、测试用仪器仪表、测试用仪器仪表测试所选用的仪器仪表应在检定合格周期内。测试所选用的仪器仪表应在检定合格周期内。3、待测参量的测试、待测参量的测试检查仪器仪表连接无误后，按机械采油井操作规定及程序进行检查仪器仪表连接无误后，按机械
29、采油井操作规定及程序进行启动。待机械采油设备正常运行启动。待机械采油设备正常运行20min后进行测试，应保证输后进行测试，应保证输入功率、油井产液量、动液面深度、油井油压和套压等主要参入功率、油井产液量、动液面深度、油井油压和套压等主要参量同步测试。量同步测试。4、测试仪器、仪表及其精度等级、测试仪器、仪表及其精度等级 第33页，共106页。测试仪器仪表明细表测试仪器仪表明细表序序 号号仪器仪表名称仪器仪表名称精度等级要求精度等级要求1 输入功率测试输入功率测试仪表仪表1.52 压力表压力表 1.53动力示功仪动力示功仪1.04 回声仪回声仪0.355产液量计量装置产液量计量装置5.06数字万
30、用表数字万用表0.37秒表秒表1.08求积仪求积仪第34页，共106页。系统效率计算方法系统效率计算方法1.机械采油井的输入功率机械采油井的输入功率式中：式中：nP有功电能表所转的圈数，有功电能表所转的圈数，r；K电流互感器变比，常数；电流互感器变比，常数；K1电压互感器变比，常数；电压互感器变比，常数；NP有功电能表耗电为有功电能表耗电为1 kWh时所时所 转圈数，转圈数，r/(kWh);tP有功电能表转有功电能表转n nP P圈所用时间，圈所用时间，s s。tNknpPPpK113600（3-1）第35页，共106页。系统效率计算方法系统效率计算方法2、机械采油井的有效功率机械采油井的有效
31、功率 （3-2）式中：式中：Q油井产液量，油井产液量，m3/d；H有效扬程，有效扬程，m；油井液体密度，油井液体密度，t/m3；g重力加速度，重力加速度，g=9.8m/s2。86400gHQp2第36页，共106页。系统效率计算方法系统效率计算方法3.有效扬程有效扬程 式中：式中：H有效扬程，有效扬程，m；Hd油井动液面深度，油井动液面深度，m；PO油管压力，油管压力，MPa；Pt套管压力，套管压力，MPa。HgdotHp p()1000（3-3）第37页，共106页。系统效率计算方法系统效率计算方法4、油井液体密度、油井液体密度 式中：式中：W含水率含水率,%；O油的密度，油的密度，t/m3
32、；W水的密度水的密度，t/m3。=（1-fw）o+fww（3-4）第38页，共106页。系统效率计算方法系统效率计算方法 5、光杆功率、光杆功率 360000pSfnAdds（3-5）式中：式中：A示功图的面积，示功图的面积，mm2；Sd减程比，减程比，m/mm；fd力比，力比，N/mm；ns光杆实测平均冲次，光杆实测平均冲次，min-1 。第39页，共106页。系统效率计算方法系统效率计算方法 6、抽油机井的地面效率抽油机井的地面效率（3-6）dpp31第40页，共106页。系统效率计算方法系统效率计算方法 （3-7）7 7、抽油机井的井下效率、抽油机井的井下效率 32PPj第41页，共10
33、6页。系统效率计算方法系统效率计算方法 （3-8）8、单井的系统效率、单井的系统效率 =2pp1100%第42页，共106页。系统效率计算方法系统效率计算方法 9、一个区块某种机械采油井平均系一个区块某种机械采油井平均系统效率统效率 （3-9）式中：式中：a一个区块某种机械采油井平均系统效率；一个区块某种机械采油井平均系统效率；P1i 机械采油井单井输入功率，机械采油井单井输入功率，kW；i 机械采油井单井系统效率机械采油井单井系统效率,%;n 一个区块机械采油井测试井数一个区块机械采油井测试井数。aiiiniinpp1111第43页，共106页。4 4、提高抽油机井系统效率的途径、提高抽油机
34、井系统效率的途径 国内外的研究表明，影响机械采油系统效率的因素较多，它不国内外的研究表明，影响机械采油系统效率的因素较多，它不仅受机采设备和运行参数的影响，而且还受油井管理水平和井况的影仅受机采设备和运行参数的影响，而且还受油井管理水平和井况的影响。由于能量（这里指电能与机械能）在转换过程中，会发生不可避响。由于能量（这里指电能与机械能）在转换过程中，会发生不可避免的损失，所以有效功率一定小于输入功率，免的损失，所以有效功率一定小于输入功率，系统效率总是小于系统效率总是小于1。根据能量守恒定律，输入功率应当等于有效功率（输出功率）与损失根据能量守恒定律，输入功率应当等于有效功率（输出功率）与损
35、失功率之和。机械采油井系统效率取决于损失功率与输入功率之比。即功率之和。机械采油井系统效率取决于损失功率与输入功率之比。即在输入功率一定的条件下，损失功率越大，机械采油井系统效率越低；在输入功率一定的条件下，损失功率越大，机械采油井系统效率越低；反之系统效率就越高。由此可见，要提高机械采油井系统效率，就要反之系统效率就越高。由此可见，要提高机械采油井系统效率，就要努力减少系统各部分的功率损失，以努力减少系统各部分的功率损失，以“提高机采井系统效率为手段提高机采井系统效率为手段”，确保油田低耗高效开发确保油田低耗高效开发。第44页，共106页。管柱抽油泵盘根盒钢丝绳四连杆减速箱皮带电机j地下地面
36、j第45页，共106页。如果电动机运行在额定负荷或额定负荷附近，则电动机属如果电动机运行在额定负荷或额定负荷附近，则电动机属于节能经济运行。但多数抽油机（尤其是常规游梁式抽油机）于节能经济运行。但多数抽油机（尤其是常规游梁式抽油机）在工作过程中，为满足启动或最大动率点的要求，其电动机的在工作过程中，为满足启动或最大动率点的要求，其电动机的平均输出功率与输出功率之比通常为平均输出功率与输出功率之比通常为0.30.30.40.4，有的甚至更低。，有的甚至更低。因此在冲程中的大多数时间里电动机处于轻载运行，既所谓因此在冲程中的大多数时间里电动机处于轻载运行，既所谓“大马拉小车大马拉小车”的情况，其效
37、率因数都很低，这就造成较大的的情况，其效率因数都很低，这就造成较大的能量损失从现场实测看，有些电机平均效率只有能量损失从现场实测看，有些电机平均效率只有60%60%70%70%，与，与普通异步电动机的额定效率普通异步电动机的额定效率90%90%95%95%相比，提高效率潜力较大。相比，提高效率潜力较大。4.1 提高抽油机采油系统中各环节的能效分析 4.1.1电动机电动机 第46页，共106页。目前油田电动机节能主要分为四个方面：目前油田电动机节能主要分为四个方面：（1 1）人为地改变电动机的机械特性，以实现与负荷特性柔）人为地改变电动机的机械特性，以实现与负荷特性柔性配合，从而提高系统效率，实
38、现节能。这种方法主要是采用性配合，从而提高系统效率，实现节能。这种方法主要是采用变频调速的方法。变频调速的方法。（2 2）从设计上改变电动机的机械特性（如高转差电动机和）从设计上改变电动机的机械特性（如高转差电动机和超高转差电动机），从而改善电动机与机、杆、泵整个系统的超高转差电动机），从而改善电动机与机、杆、泵整个系统的配合，减少系统能耗。配合，减少系统能耗。（3 3）研制高效节能电动机，扩大高效区范围，提高电动机）研制高效节能电动机，扩大高效区范围，提高电动机效率，降低装机效率，从而减少电动机损失。效率，降低装机效率，从而减少电动机损失。（4 4）采用节能型抽油机电动机控制装置，这种电动机
39、控制装置除）采用节能型抽油机电动机控制装置，这种电动机控制装置除具有一般控制箱的基本功能外，可根据电动机的运行情况，动态调节具有一般控制箱的基本功能外，可根据电动机的运行情况，动态调节电动机的电压或进行无功补偿，降低电动机损失。电动机的电压或进行无功补偿，降低电动机损失。第47页，共106页。4.1.24.1.2带传动带传动 工程上常用的皮带的传动效率都比较高，最高可工程上常用的皮带的传动效率都比较高，最高可达达98%98%，即其传动损失仅为，即其传动损失仅为2%2%。2020世纪世纪8080年代末在大年代末在大庆油田进行的一些试验证明，在抽油机上使用窄庆油田进行的一些试验证明，在抽油机上使用
40、窄V V联联组带比使用其它类型的皮带，损失最小。这种带传动组带比使用其它类型的皮带，损失最小。这种带传动动力大，磨擦损失小，滑差率小，丢转少，传动效率动力大，磨擦损失小，滑差率小，丢转少，传动效率最高达最高达98%98%，并且带轮直径和宽度都明显减小。经现，并且带轮直径和宽度都明显减小。经现场实测，使用这种传动带比使用普通三角带平均可节场实测，使用这种传动带比使用普通三角带平均可节电电2.5%2.5%。因此。因此,在我国现有技术条件下在我国现有技术条件下,带传动部分效带传动部分效率的提高潜力已很小率的提高潜力已很小.第48页，共106页。4.1.34.1.3减速箱减速箱 主要包括轴承和齿轮的磨
41、擦损失。对于减速箱，主要包括轴承和齿轮的磨擦损失。对于减速箱，核心问题是润滑，如果润滑效果差，不仅使能耗增核心问题是润滑，如果润滑效果差，不仅使能耗增加，而且使轴承和齿轮很快磨损，因此要保证减速加，而且使轴承和齿轮很快磨损，因此要保证减速箱内轴承和齿轮的润滑。如果润滑良好，减速箱的箱内轴承和齿轮的润滑。如果润滑良好，减速箱的总损失约为总损失约为9%10%9%10%，即传动效率为，即传动效率为90%90%左右。从工程左右。从工程角度上看，这基本是目前大功率减速器传动效率的角度上看，这基本是目前大功率减速器传动效率的最高值。因此，在管理和维护措施得当的条件下，最高值。因此，在管理和维护措施得当的条
42、件下，减速箱的效率不会有大的提高。减速箱的效率不会有大的提高。第49页，共106页。4.1.44.1.4换向及平衡换向及平衡 对于游梁式抽油机，换向部分主要是四连对于游梁式抽油机，换向部分主要是四连杆机构或其变形。对于无游梁抽油机，换向机杆机构或其变形。对于无游梁抽油机，换向机构主要是天轮，滚筒或链等。该部分的主要损构主要是天轮，滚筒或链等。该部分的主要损失是相对运动件间的磨擦损失以及钢丝绳的变失是相对运动件间的磨擦损失以及钢丝绳的变形损失。如果润滑保养良好，该部分的传动效形损失。如果润滑保养良好，该部分的传动效率一般可达率一般可达95%95%，在换向机构的一定的情况下，在换向机构的一定的情况
43、下，该部分的效率不会有大的提高。该部分的效率不会有大的提高。第50页，共106页。近年来出现了许多抽油机新的平衡方式，如游梁近年来出现了许多抽油机新的平衡方式，如游梁偏置平衡、悬重偏置游梁复合平衡、下偏杠铃型游梁偏置平衡、悬重偏置游梁复合平衡、下偏杠铃型游梁复合平衡、摆杆式游梁抽油机的复合平衡、调径变矩复合平衡、摆杆式游梁抽油机的复合平衡、调径变矩纯下偏平衡等。采用这些平衡方式能不同程度地改善纯下偏平衡等。采用这些平衡方式能不同程度地改善曲柄净扭矩曲线，降低曲柄轴扭矩、减小扭矩曲线的曲柄净扭矩曲线，降低曲柄轴扭矩、减小扭矩曲线的波动。波动。第51页，共106页。国内外的理论研究和测试结果表明，
44、如果以抽油机国内外的理论研究和测试结果表明，如果以抽油机的能耗最小为抽油机平衡最佳的判断准则，则上下冲程的能耗最小为抽油机平衡最佳的判断准则，则上下冲程的峰值扭矩不一定相等，调平衡时，需要按照能耗最小的峰值扭矩不一定相等，调平衡时，需要按照能耗最小的原则，通过计算或测试得出最佳平衡重的调整点。实的原则，通过计算或测试得出最佳平衡重的调整点。实践证明，通过合理的调整平衡，每口井可节约有功功率践证明，通过合理的调整平衡，每口井可节约有功功率0.31.5kW0.31.5kW，节电效果明显。每口井都有节电的平衡最佳，节电效果明显。每口井都有节电的平衡最佳点，一般调在点，一般调在90%90%最为经济。调
45、过调平衡来节约电耗，少最为经济。调过调平衡来节约电耗，少投入，多产出。投入，多产出。第52页，共106页。4.1.54.1.5盘根盒盘根盒 该部分的损失主要是摩擦损失，该项损该部分的损失主要是摩擦损失，该项损失与抽油机的安装情况、光杆的表面加工质失与抽油机的安装情况、光杆的表面加工质量、盘根的松紧和密封材料有密切关系。现量、盘根的松紧和密封材料有密切关系。现场实验表明，使用标准光杆和密封性能好的场实验表明，使用标准光杆和密封性能好的调心石墨盘根盒，能够大幅度地减小磨擦力调心石墨盘根盒，能够大幅度地减小磨擦力和功率损耗。管理与维护正常的情况下，盘和功率损耗。管理与维护正常的情况下，盘根盒部分能量
46、损失很小，因此提高能效的潜根盒部分能量损失很小，因此提高能效的潜力不大力不大。第53页，共106页。4.1.64.1.6抽油杆柱抽油杆柱 主要为摩擦损失，与下泵深度、井液粘度、主要为摩擦损失，与下泵深度、井液粘度、抽油杆运行速度、油井本身斜度和弯曲程度有关。抽油杆运行速度、油井本身斜度和弯曲程度有关。对于井液粘度大的油井，可采用长冲程、低冲次对于井液粘度大的油井，可采用长冲程、低冲次的工况降低抽油杆的运行速度；可采用降低井液的工况降低抽油杆的运行速度；可采用降低井液粘度的措施，如蒸汽、掺稀油、应用电加热抽油粘度的措施，如蒸汽、掺稀油、应用电加热抽油杆等，以降低抽油杆柱与液柱之间的摩擦力。对杆等
47、，以降低抽油杆柱与液柱之间的摩擦力。对于井斜或井筒弯曲程度严重的油井，可在抽油杆于井斜或井筒弯曲程度严重的油井，可在抽油杆柱上加装扶正器或滚轮接箍，以减少杆管之间的柱上加装扶正器或滚轮接箍，以减少杆管之间的摩擦损耗。摩擦损耗。第54页，共106页。4.1.7 4.1.7 抽油泵抽油泵 抽油泵的损失中，容积损失和水力损失抽油泵的损失中，容积损失和水力损失占主要部分。通过优选柱塞泵筒间的间隙，占主要部分。通过优选柱塞泵筒间的间隙，在不增加柱塞泵筒摩擦力的条件下，减小液在不增加柱塞泵筒摩擦力的条件下，减小液体漏失量。采用耐磨耐冲击、开关性能好、体漏失量。采用耐磨耐冲击、开关性能好、水力损失小的阀球及
48、阀座，可减小由于泵阀水力损失小的阀球及阀座，可减小由于泵阀损坏或由于开关不及时而引起的漏失和减小损坏或由于开关不及时而引起的漏失和减小水力阻力，从而降低抽油泵部分的能耗。水力阻力，从而降低抽油泵部分的能耗。第55页，共106页。4.1.8 管柱管柱 管柱损失由管柱的容积损失和水力损失两部分管柱损失由管柱的容积损失和水力损失两部分组成。组成。在油管螺纹处加装密封件以保证油管的密封，在起在油管螺纹处加装密封件以保证油管的密封，在起下油管柱时按规程操作减少或消除螺纹的损坏，则可降下油管柱时按规程操作减少或消除螺纹的损坏，则可降低管柱漏失量，从而降低容积损失值。低管柱漏失量，从而降低容积损失值。管柱的
49、水力损失与管柱内表面的粗糙度成正比，管柱的水力损失与管柱内表面的粗糙度成正比，与井液的向上流动速度的平方成正比。对于井液腐蚀与井液的向上流动速度的平方成正比。对于井液腐蚀性较强或性较强或/和易结垢的油井，应对油管采取防腐和和易结垢的油井，应对油管采取防腐和/或防或防结垢措施，防止油管内壁变粗糙。在选择抽汲参数时，结垢措施，防止油管内壁变粗糙。在选择抽汲参数时，应尽量使用大泵径、长种程、低冲次，以降低液体向应尽量使用大泵径、长种程、低冲次，以降低液体向上流动速度。上流动速度。第56页，共106页。在抽油机采油系统中，电动机和平衡部分提高能效的潜力较大，是系统节能研究的主要方向。第57页，共106
50、页。4.2抽油机采油系统节能技术与节能机理抽油机采油系统节能技术与节能机理 抽油机工作效率不高的主要原因之一是其载荷特性抽油机工作效率不高的主要原因之一是其载荷特性与所用普通三相异步电动机的工作特性不匹配与所用普通三相异步电动机的工作特性不匹配。供给抽油机举升液体的能量主要消耗在三个方面：一是供给抽油机举升液体的能量主要消耗在三个方面：一是举升液体所做的有效功，二是克服磨擦阻力所做的功，三是举升液体所做的有效功，二是克服磨擦阻力所做的功，三是消耗于热损失的功。消耗于热损失的功。通常情况下，如果要举升的井液量、举升高度和井通常情况下，如果要举升的井液量、举升高度和井况一定，举升液体所做有效功不变
