机械采油效率影响因素研究

张 波，周世德，张亚利，周善兴

（中国石油长庆采油一厂测试实验大队，陕西 延安 716000）

抽油机系统由地面和井下两大部分组成，地面部分主要包括电动机、皮带与减速箱以及四连杆机构；井下部分主要包括抽油杆柱、深井泵以及油套管柱。抽油机系统总效率受各部件效率的影响，对通过测试所得到的数据进行有针对性的分析，旨在提高抽油机井系统效率。

一、抽油机井系统效率分析

1.抽油机井系统效率分解

（1）电机运行效率

①电机输入功率(系统输入功率)

电机平均输入功率测试采用电度表—秒表法进行测取。抽油机运转时，测取电度表所转圈数和所用时间，则电机平均输入功率为：

式中：P1——电机输入功率，kW；

np——电度表所转圈数，无因次；

K1——电流互感器变比，无因次；

Np——电度表常数，r/kW；

tp——转np圈所用时间，s。

②电机输出功率

在电机输出轴处贴电阻应变片，将电机轴应变曲线记录下来，并由转速仪测试电机实际运行转速，则电机平均输出扭矩和功率为：

式中：M电——电机平均输出扭矩，N·m；

E——电机轴弹性模量，N/m2；

μ——电机轴泊松比，无因次；

D——电机轴直径，m；

ε实——实际平均应变值；

P2——电机功率，kW；

n电——实测电机轴转速，r/min。

知道电机输入输出功率，即可得到电机的运行效率η1=P2/P1。

（2）皮带及减速箱效率

电机输出功率P2即是皮带及减速箱的输入功率P3，其输出功率P3与P2测试技术相同，皮带及减速箱效率η2=P3/P2。

（3）四连杆机构效率

在悬绳器处安装动力示功仪，测取动力示功图，则光杆功率为：

式中：A——示功图面积，mm2；

Sd——减程比，m/mm；

fd——力比，N/mm；

n——光杆冲次，1/min。

由光杆功率就可计算四连杆机构效率η3=P4/P3。

（4）井下效率

井下部分的能量损失主要发生在盘根盒、抽油杆、抽油泵和管柱上，因此井下效率为：

式中：η1——盘根盒效率；

η2——抽油杆效率；

η3——抽油泵效率；

η4——管柱效率。

2.抽油机井地面效率影响因素分析

抽油机井地面效率受多种因素的影响，如抽油设备、抽汲参数、油井生产状况以及管理水平等。因此，提高抽油机井地面效率可以通过改善上述条件来实现。

抽油机输入能量在转换和传递过程中会发生损失。根据地面驱动设备组成情况，可将其功率损失分为以下四个部分。

（1）电机部分损失

包括热损失和机械损失，用△P1表示。

（2）皮带部分损失

主要是传动过程中的摩擦损失，用△P2表示。

（3）齿轮减速器部分损失

主要是传动过程中的摩擦损失，用△P3表示。

（4）四连杆机构部分损失

主要是轴承的摩擦损失和钢丝绳变形损失，用△P4表示。

因此，抽油机井地面驱动设备的全部能量损失为：

抽油机井地面效率为：

式中：P1m——电机输入功率。

可见，地面设备能量损失越大，地面效率越低；反之，地面效率越高。因此，提高地面效率可以通过提高抽油机各部件的效率来实现。

3.测试及资料收集

根据机采系统的工作特点，可将抽油机系统效率分为两部分：即地面效率和井下效率（以光杆悬绳器为界），则系统效率η：

P光即为抽油机的光杆功率，是指光杆提升液体和克服井下各种阻力所消耗的功率。P水即抽油系统的有效功率，是指在一定的扬程下，将一定排量的井下液体提升到地面所需要的功率。P入即抽油系统的输入功率，是指拖动抽油机的电动机的输入功率。

二、抽油机井系统效率测试情况

采油一厂现管辖陕、晋两省16个县市境内的27 465km2矿权面积，2010年底共探明地质储量34 419.41万t，动用地质储量34 243.57万t，动用含油面积584.58km2。管理12个采油单位，18个油藏。现有油井4 737口，开井4 177口。平均单井日产液4.36m3，单井日产油2.00t，含水45.7%，平均泵挂1 225m，平均动液面1 033m，平均抽汲参数φ33mm×1.77m×4.8次/min，平均泵效42%，检泵周期542天。抽油机以四型、五型、六型为主，占全厂抽油机97%。

三、油井系统效率主要影响因素分析

根据系统效率基本原理，结合安塞油田系统效率测试、分析及调整情况，影响系统效率的因素主要有油井产液量、生产参数、抽油机平衡度等。

1.产液量是影响系统效率的主要因素

单井系统效率的高低是有杆抽油井运行是否协调的重要标志，单井系统效率越高，则产液的吨油耗电量越少。对于系统效率低的井，产液量低是主要原因，主要是产液量低会导致供液能力不足和抽油泵泵效低，供液能力不足会导致动液面下降、沉没度减少，严重时会因为长时间不出油而烧坏盘根。供液不足一是因为抽汲参数设计不合理，可通过采用小泵径、低冲次、长冲程、加深泵挂等措施保持长时间稳产；二是自然开采衰竭井，目前措施是采用合理组合参数或间开的方法。

根据所测试油井的系统效率，选取泵径、冲程、泵挂、抽油机型号相同，冲次基本接近，产液量不同的95口油井进行统计分析，可以看出在相同的抽油设备及相同的工作参数情况下，产液量越高，系统效率越高，但产液量的高低对油井耗电量基本不产生影响（见表1）。

表1 不同产液量系统效率对比表

2.冲次是影响系统效率的关键因素

油井冲次是决定抽油泵效的重要因素，同时冲次增大后，其动载荷、摩擦载荷相对增加，抽油机单位时间内做的功以及输入功率随之增加，导致系统效率下降。

选泵径、冲程、泵挂、抽油机型号相同，产液量基本接近，不同冲次的油井进行统计分析，可以看出在相同的抽油设备及相同的工作参数情况下，冲次越低，系统效率越高，耗电量越小（见表2）。

表2 冲次与系统效率、耗电量的关系

3.冲程是影响系统效率的重要因素

油井冲程对抽油泵效的影响也很大，在相同的产液情况下，冲程越大，泵效越小，系统效率越小，同时冲程增大后，抽油杆在运动中的摩擦耗功增大，导致系统效率下降。

选泵径、冲次、产液量、抽油机型号相同、泵挂基本接近，不同冲程的油井进行统计分析，可以看出在相同的抽油设备及相同的工作参数情况下，冲程从1.79m上升为2.44m时，系统效率提高了1.24%，日耗电下降14.35kW·h。

表3 冲程与系统效率、耗电量的关系

4.抽油机平衡状况是影响系统效率的重要因素

安塞油田大多使用的是常规型游梁式抽油机，驴头悬点运动加速度较大，平衡效果较差，造成抽油机载荷波动较大，在一个冲次周期内电机有明显的正功与负功交替，抽油机在运转过程中，用于克服惯性载荷的负功明显增大，系统效率降低。

因此要使抽油机最节能，就是要使电机的变动损耗最小，也就是均方根电流最小。平衡度较差，则均方根电流势必上升，变动损耗增加，耗电量上升。

四、结语

通过对作业区的测试资料分析，并对比不同时期油井的系统效率状况，初步得到以下结论。

第一，部分井系统效率比较低的主要因素为单井产量低，抽油系统工作参数大于地层供液能力。

第二，采用长冲程低冲次有利于提高系统效率。

第三，抽油机匹配合适功率的电动机，可有效提高系统效率，降低能耗。

第四，抽油机平衡也是影响系统效率的重要因素，调整抽油机平衡同样可以提高抽油机系统效率，节约能耗。

[1]邬亦炯，刘卓均.有杆抽油设备与技术丛书之《抽油机》分册[M].石油工业出版社.