潜油电泵井效率计算与分析

王道军卢晓云

（1.大庆油田力神泵业有限公司技术研发中心；2.大庆油田装备制造集团抽油机分公司研究所）

潜油电泵井效率计算与分析

王道军1卢晓云2

（1.大庆油田力神泵业有限公司技术研发中心；2.大庆油田装备制造集团抽油机分公司研究所）

潜油电泵在油田开发的各种机械采油设备中占有相当大的比例，但是在选井、选泵上依然存在一些问题，经常出现泵工作时偏离高效区、不能在理想工况点下运行的情况，导致整套机组的系统效率低、能耗大。以潜油电泵井系统效率计算和测试试验为基础，分析了影响机组系统效率的各种因素，分析表明系统效率高低取决于潜油电泵设备各部件损耗和运行参数的设置，以及管理水平和油井状况；提出了通过提升潜油电泵产品结构性能、优化油井和参数设计、加强日常管理等措施来提高潜油电泵井的系统效率，进而达到节能降耗的目的。

潜油电泵效率计算分析节能

当油田投入开发以后，随着不断开采，地下情况处于运动和变化之中，这些变化又通过生产井的油、气、水产量和压力的变化反映出来。当油井使用潜油电泵采油时，及时掌握和分析潜油电泵井的变化规律，研究油、气、水在油层中的运动规律和分布情况，了解油层生产能力的变化与注水强度及压力的变化关系，对于保持油井稳产是很重要的。通过对大量潜油电泵井的各种变化进行综合分析，为油田大批量使用潜油电泵采油提供准确的资料和依据[1]。

1 潜油电泵的工作原理及系统效率

潜油电泵以电能为动力源，电网电压首先经过降压变压器改变电压后，输入到变频器中，经过变频器变换至所需的电源频率后，输入到升压变压器，将电压提升到电动机所需电压，通过潜油电缆将电能传输给潜油电动机，潜油电动机将电能转换为机械能，带动潜油泵高速旋转；潜油泵中的每级叶轮、导壳使井液压力逐步提高，在潜油泵出口处达到潜油泵要求的举升扬程，井液通过油管被举升至地面，再通过地面管线传输至地面集输系统。

应用潜油电泵采油的目的是将电能从地面传递给井下液体，从而将液体举升到井口。整个采油系统工作时，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，都将有一定的损失。从地面输入系统的能量扣除系统的各种损失，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称为机械采油系统的系统效率。对潜油电泵井系统效率进行详细的计算和分析，以便进一步提高其系统效率[2-3]。

2 系统效率计算与测试

2.1测试参数与计算公式[4-6]

潜油电泵的输出功率（有效功率）P9等于潜油电泵的输入功率P1与各部分功率损耗ΔPi之差，即

变压器功率损耗ΔP1：用标准电度表测取变压器输入功率P1，用功率表测取输出功率P2便可得到变压器的功率损耗ΔP1。

用电度表测量时，其输入功率为

式中：n为电度表所转圈数；Kc为电流互感器变比；Kv为电压互感器变比；C为电度表常数；t为转n圈所用时间。

用功率表测量输出功率为

式中：n1为功率表1的显示格数；n2为功率表2的显示格数；f为单位格数的功率，kW。

变压器的功率损耗为

变压器的效率为

控制柜功率损耗ΔP2：变压器的输出功率为控制柜的输入功率，用功率表测出其输出功率P3，则控制柜的功率损耗为

其效率为

电缆功率损耗ΔP3：电缆功率损耗可用间接方法测试，用万用表测量电阻，由下式求得：

式中：I为电缆工作电流，A；R为电缆电阻，Ω。

控制柜输出功率P4为电缆输入功率减去电缆功率损耗，即

则效率为

电动机和保护器功率损耗ΔP4+5：电缆输出功率为电动机输入功率，由于结构原因只能将电动机和保护器一起测量，其功率损耗可由下式求得：

式中：ΔP6为分离器功率损耗；ΔP7为潜油泵功率损耗；P9为系统有效功率。ΔP6、ΔP7和P9的单位均为kW。

其效率为

分离器和潜油泵功率损耗ΔP6+7：用水泵效率测试仪器测取潜油泵的效率η6+7，则分离器和潜油泵的功率损耗为

其中P9可由下式求得：

式中：Q为油井产液量，m3s；H为油井总动压头，m；ρ为液体密度，kg/m3；g为重力加速度，g＝9.8m s2。

2.2系统效率测试

潜油电泵系统效率测试分室内分解测试和生产井系统效率测试两部分。这样做基于两点考虑：现有条件下生产井只能测得输入功率、动液面深度、日产液量、油压及套压，有些部件无法进行分解测试；室内分解测试又异于生产井实际工况条件，分解测试试验介质为水，不存在气体和黏度的影响，且下泵深度较浅；因而需要对试验井和生产井分别测试并综合考虑。

根据潜油电泵系统的结构特点，测试中将系统分解为5个部分，测试不同工况下各个部分的能量损耗，测试部位的仪器仪表连接如图1所示[7]。潜油电泵系统效率测试选用的仪器仪表见表1。

潜油电泵井系统总效率：

图1 潜油电泵系统效率测试仪器仪表连接示意图

表1 测试仪器仪表明细

3 系统效率分析

影响潜油电泵采油系统效率的因素较多，它不仅受潜油电泵设备各部件损耗和运行参数的影响，而且受管理水平和井况的影响。

3.1各部件损耗对系统效率的影响[8-10]

根据潜油电泵系统的组成情况，可以把潜油电泵系统的功率损失分为7个部分，即变压器损失ΔP1、控制柜损失ΔP2、电缆损失ΔP3、电动机损失ΔP4、保护器损失ΔP5、分离器损失ΔP6和潜油泵损失ΔP7。

3.1.1变压器损失ΔP1

变压器损失分为铁损和铜损，这两项损失又都包含基本损失和附加损失。一般情况下，变压器损失占系统总损失的比例较小。中小型变压器的效率一般应在95%～98%之间。

3.1.2控制柜损失ΔP2

控制柜损失主要是部分电气元件的发热损失、控制变压器的铁损和铜损，以及中心控制器的损耗等。控制柜损耗很小，一般不超过1 kW，效率在99%左右。

3.1.3电缆损失ΔP3

当电流和电压一定时，电缆损失与电缆的截面积和长度有关。

3.1.4电动机损失ΔP4

电动机是电能与机械能转换的主要设备，在能量转换过程中必然会有损失。其损失包括定子铜损、转子铜损、主磁通在定子铁芯中产生的铁损、轴承摩擦损失和通风损失等。

一般来讲，电动机的最大效率在额定功率的70%～100%范围内。额定负载时，潜油电动机的效率在75%～94%之间，容量越大，效率越高。

要使潜油电动机的效率与功率都在额定负荷附近达到最大值，关键在于潜油电泵设备选择的准确性及合理性。

3.1.5保护器损失ΔP5

保护器的能量损失主要是机械摩擦损失，一定型号规格的保护器，其损耗基本为一定值。

3.1.6分离器损失ΔP6

分离器损失由水力损失、容积损失和机械摩擦损失等组成。这部分功率损失占总损失的比例较小，效率一般为95%。

3.1.7潜油泵损失ΔP7

离心泵损失由机械损失、水力损失和容积损失三部分组成。

机械损失包括两部分：泵内轴套与轴承、叶轮径向扶正部位与导壳的机械摩擦损失，这部分损失与泵的机械设计有关；叶轮在泵内液体中高速旋转时，叶轮表面与液体的摩擦阻力损失，这部分损失与叶轮的直径及表面粗糙度有关。

水力损失也包括两部分：流道部分的沿程阻力损失和局部损失，主要与流道部分的结构和流体黏度有关；液体进入叶导轮时的冲击损失，主要是由液体的水力角和结构不一致所造成的。

容积损失主要由高压液体通过叶轮与导壳间的间隙形成的环流所造成。这部分损失将降低泵的理论排量。

3.2技术管理对系统效率的影响

油井供液能力与潜油电泵的排量、扬程匹配不合理，将导致潜油电泵长期在泵最佳排量范围外工作，这种现象将会使潜油电泵在低效率工况下运行。即使在优化设计的基础上，潜油电泵工作一段时间后，由于各种因素的影响，如油井的地层压力、产液量、含水率等均会有所变化，也会造成潜油电泵井的工作状况与原设计不符。同时，潜油电泵井的人为控制因素较少，泵的特性参数如排量、扬程等都难以人为改变；潜油电泵的工况点随地层压力、产液量等因素的变化而变化，也难以人为调节，由此造成了潜油电泵低效率工作状态，其能量损失较大。

要改变潜油电泵井的这种低效率工作状况，应加强技术管理[11-12]：

1）对于检泵井及新转抽井，应根据实际情况重新进行优化设计，包括泵的额定排量、扬程、泵挂深度及液面深度、油压等参数的优化设计。

2）对于正在运行的潜油电泵井，应优化潜油电泵的运行参数，以保证潜油电泵机组始终处于高效区工作。

3.3运行参数对系统效率的影响[13]

潜油电泵系统效率的测试结果和理论研究都表明，潜油电泵井的系统效率与油井的油压、套压、产液量、动液面和油气比等诸多因素有关，所以，潜油电泵井的系统效率是一个多元函数，即

式中：η为潜油电泵井的系统效率；Hd为油井动液面；Q为潜油泵排量；po为油压；pc为套压。

并且各个影响因素之间也相互影响，相互制约。这些因素的变化都将影响潜油电泵井系统的工作状况及其系统效率。

在潜油电泵井结构和管路系统一定的情况下，潜油电泵井的系统效率随泵排量的变化规律与潜油泵效率随泵排量的变化规律而有所不同。根据表2的测试结果可以看出，潜油电泵的最高系统效率点偏离泵的最高效率点，并处于额定排量右侧。该井潜油电泵的额定排量（最高效率点）为320m3d，额定扬程为1000 m，下泵深度为1 064.1 m。

表2 潜油电泵井系统效率现场测试结果

理论上讲，潜油电泵的最高效率点应在320 m3/d附近，而实测结果表明，该井潜油电泵系统的最高效率点在376.7 m3/d、有效扬程为763.0 m的工况点上，此工况点的系统效率为39.04%，其他各点均低于此值。从测试结果也可以看出，在泵最高效率点以右的高效工作区内，随泵排量的增大，系统效率增大，当产量增加超过高效区以后，随着产量的增加，系统效率降低。

如表2所示，当油压在1.8 MPa时，系统效率达到最高点；当油压低于或高于此值时，随着油压的下降或上升，系统效率都呈下降趋势。由此可见，在一定范围内，可以通过改变油压（调节油嘴的大小）使系统效率达到最高。

4 提高系统效率的措施

提高潜油电泵井系统效率的措施主要包括使用高效泵和节能元器件，加强科学管理和优化设计运行参数等[14-15]。

4.1潜油电泵产品系列化

潜油电泵产品系列化主要包括不同外径、不同排量、不同扬程，以及适用不同地质条件和不同井温的潜油电泵设备。使潜油电泵在油田的应用具有较强的针对性，根据油井的实际情况，泵级数可任意组合，泵规格齐全，使潜油电泵设备和油井的实际生产情况相匹配。

4.2潜油电泵井优化设计及参数优选

首先，采用科学的潜油电泵选择方法，根据油井生产数据，进行潜油电泵设备的选择配套。其次，在潜油电泵井生产过程中，应根据油井的实际生产情况和地下情况的变化，对潜油电泵井的运行参数，如运行频率、油嘴尺寸等进行调整，使潜油电泵的运行和油井的生产在最佳状况下进行。在控制方面，采用变频器控制，可适当增大泵高效区的幅宽。对于产能变化比较大的油井，采用变频调参对节能降耗是非常有利的。

当然，整套机组系统效率的高低，不仅取决于某一个参数，而是机组电压、电流、排量、扬程、井液黏度、井底压力、温度、含砂量、含气量、泵挂深度、沉没度、各部件机械效率等诸多因素共同作用的结果。在选井选泵时应综合分析，合理配置各项参数，才能使系统效率达到最大。

4.3提升潜油电泵的性能

随着科学技术的不断进步，新技术、新工艺和新材料的应用，潜油电泵设备的性能指标将不断提高。例如，叶导轮的单级扬程和效率进一步提高，各种损耗逐步下降；高性能潜油电动机的研制成功，将会大大提高功率因数和效率。由于提高了潜油电泵设备的整体性能，必然会较大幅度地降低整个系统的能耗，从而提高潜油电泵井的系统效率。

4.4加强科学管理

加强潜油电泵井的科学管理，不断提高管理水平，是提高潜油电泵井系统效率的主要措施之一。同时，加强和应用潜油电泵采油工艺技术，最大限度地消除各种因素对潜油电泵工作特性的影响，使潜油电泵设备在高效率点或最佳排量范围内运行，不但能够提高潜油电泵井的系统效率，还会延长潜油电泵设备的运行寿命，同时也提高潜油电泵采油的经济效益。

[1]梅思杰,邵永实,刘军,等.潜油电泵技术（上）[M].北京:石油工业出版社,2004:56-59.

[2]赵春民,王则宾.潜油电泵系统的能耗分析[J].油气田地面工程,2005,24(6):33.

[3]刘树林,徐敏强,董振刚,等.潜油电泵机组振动状态评估系统[J].大庆石油学院学报,2008,32(5):58-61.

[4]沈建新,孙玉国,张新礼,等.潜油电泵提高系统效率措施及效果分析[J].科学技术与工程,2011,11(24): 5769-5772.

[5]董振刚,张铭均,张雄,等.潜油电泵合理选配工艺研究[J].石油学报,2008,29(1):128-131.

[6]梅思杰,邵永实,刘军,等.潜油电泵技术（下）[M].北京:石油工业出版社,2004:225-235.

[7]徐秀芬,乔晶鹏,姜民政.喇嘛甸油田机械采油系统能耗测试与计算[J].大庆石油学院学报,2002,4(11):49-53.

[8]郑海金,邓吉彬,唐东岳,等.提高机械采油系统效率的理论研究及应用[J].石油学报,2004,25(1):93-96.

[9]董振刚,庞向东,刘军,等.电动潜油泵变频配套设计方法[J].石油机械,2001,29(12):45-47.

[10]石在红,李波,崔斌,等.电潜泵井生产动态分析[J].石油学报,2003,24(1):100-104.

[11]刘孝慈,吴晓东,于继飞.潜油电泵井能耗预测方法[J].特种油气藏,2008,15(6):85-89.

[12]张强,刘巨宝,罗敏.基于优化设计的潜油电泵转子极限轴向力计算[J].大庆石油学院学报,2007,31(1): 68-71.

[13]徐永明,孟大伟,李国辉.潜油电机机械损耗的分析与计算[J].电机与控制学报,2004,8(4):370-372.

[14]李振智,唐周怀,龚兴云,等.变频器在潜油电泵井上的应用[J].钻采工艺,2001,24(3):54-58.

[15]管虹翔,李成见,李萍,等.变频条件下电潜泵井的产量调节能力研究[J].钻采工艺,2008,36(2):95-98.

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.010.002

2014-03-24）

王道军，工程师，2007年毕业于大庆石油学院（电气工程专业），从事潜油电泵及螺杆泵的地面控制设备的研究，E-mail：wangdj1@cnpc.com.cn，地址：黑龙江省大庆市萨尔图区中兴北街58号大庆油田力神泵业有限公司技术研发中心，163311。