提高抽油机井系统效率技术研究

何宏伟

摘要：如何提高系统效率保证节能以及经济效益，已经成为了一个重要的问题。主要从电机，抽油机类型，抽油机平衡度等地面设备方面，抽汲系数 （冲程、冲次、泵径）等井下方面及日产液量、原油性质等，通过对比、综合分析以提高抽油机井的系统效率为目标总结出影响抽油机井系统效率的各种 因素。

1 抽油机井系统效率定义和相关计算

1.1 抽油机的系统效能的计算

根据《SY/T5264-2006 油田生产系统能耗测试和计算方法》标准，抽 油机井的系统效率是指抽油机的有效功率与输入功率的比值，用 系统 表 示。

有入抽油机的系统效率又可分解为地面效率及井下效率两大部分：

抽油机井的井下效率为有效功率比上光杆功率。井下部分的能量损失 主要发生在盘根盒和抽油杆，抽油管，抽油泵中：

则抽油机井的系统效率为：

抽油机井大体由电机，皮带及减速箱，四连杆，光杆，盘根，抽油杆，抽油泵，井下管柱等部分组成。地面效率影响主要有电机影响;井下系统 效率损失包括：盘根盒功率损失、抽油杆功率损失、抽油泵功率损失和抽 油管柱功率损失。盘根盒工作损耗属于人工管理范畴，可以通过加强管理 提高，且能量损耗比重较小，因此井下工作效率的分析重点为抽油泵和抽 油杆两部分。

1.2 抽油机井系统效能测试

（1）地面测试参量：电机输入功率、电机型号、上下冲程最大电流、 示功图、油压、套压、产液量、含水率;

（2） 井下测试参量：油井动液面和静液面、下泵深度、沉没度、抽油 泵泵径、冲程、冲次。

测试方法：

（1）电机输入功率测试：

（2）油井日产液量测试

直接引用报表。弊端：表报产量中有些油井是分配产量，与油井的实 际产液量有一定的误差。

（3）油井含水率测量

井口取样，用蒸馏法或离心法测量。

（4）油井井口油压和套压测量

根据油井井口油管和套管上装有的压力表读取

（5）动液面深度测试

用井口回声仪测量，多测几次取平均值。

（6）油井示功图测试

在抽油机悬绳器处装示功仪，测量抽油机的示功图，多测几次取平均 值。

1.3 小结

（1）系统效率即为有效功率与输入功率的比值，进一步分解为地面效 率与井下效率的乘积，可进一步分解为电机，抽油机，抽油杆，抽油泵等 方面，受沉没度，日产液量，抽汲系数等多方面影响;

（2）根据公式和数据计算的泾河油田的机采井的系统效率，其系统效 率的平均值为 24.210%，井下效率的平均值为 41.542%，地面效率的平均值 为 59.939%，由此可见，系统效率还可以进一步提升。

第 2 章 抽油机系统效率影响因素

地面效率影响主要分析电机、抽油机的影响;在井下工作功耗中包括：盘根盒功率损失、抽油杆功率损失、抽油泵功率损失和抽油管柱功率损失。其中盘根盒工作损耗仍然属于管理范畴，可以通过加强管理提高，并且其 能量损耗比重较小，因此井下工作效率的分析重点为抽油泵、抽油杆等。

2.1 电机

电机应在满足抽油机启动功率要求的前提下进行匹配。研究电机功率 利用率，可以看出电机的使用是否合理，从而可以避免能耗的浪费而影响 抽油机的系统效率。作出泾河油田电机功率利用率与系统效率、地面效率 的分布关系。

从电机功率利用率与地面效率的关系可得出地面效率随着电机功率利 用率的升高而升高。对泾河油田 35 口機采井的电机进行统计。

2.2 抽油机

（1）抽油机型号

对泾河油田所采用的抽油机型号进行统计（表 2-2），由表 2-2 可以看 出各个型号的抽油机平均平均载荷利用率、地面效率都到达了 50%以上，泾河油田抽油机整体应用情况较好，其提高系统效率的重点在于提高井下效率。

（2）抽油机平衡度

抽油机平衡度一般由 B 表示：

影响抽油机平衡度的因素是多方面的，如油管磨损和受腐烛后产生轻 微漏失，抽油泉磨损或密封性变差，抽油参数的调整不当或抽油位置改变 等都会导致抽油机不平衡，从而影响抽油系统效率。

目前现场判断抽油机平衡的方法主要有两种：电流法和功率法，现场 一般认为平衡度在 80%～110%之间就是平衡的。图 2 是系统效率和功率平 衡指数的关系图，由图可知按平衡度 80%～110%的要求，泾河油田平衡度 达标的井数不多，需要对抽油机不平衡的井进行调平衡以提系统效率。

对此，可以采用不同的平衡方式，目前采用的主要是有气动平衡和机 械平衡。

2.3 日产液量

当油井的日产液量过低时，油井会出现供液不足、动液面下降、沉没 度减少等现象，可以采用优化抽汲参数或实行间开的措施加以改善。日产 液量的大小直接影响系统的有效功率，从而影响到抽油机井的系统效率。日产液量的增大，会增大有效功率，进而系统效率会增大，但同时产液量 增大后，将液体从井筒举升至地面的能耗将会有所增大。

如图 3 可看出随着日产液量的增大，地面效率显著提升，井下效率先 升后降。而系统效率在两者的共同影响下逐渐增大。

2.4 沉没度

根据泾河油田数据，沉没度和系统效率的关系大体遵从着正交分布的 特点。

2.5 抽汲参数

抽汲系数的选择有以下几个原则：

（1）要与所用抽油机参数和功率相匹配;

（2）要考虑整个系统的系统效率是否合理，本段希望提升系统效率;

（3）要考虑油井类型和地质状况;

抽汲参数会同时影响地面效率和井下效率，合适的抽汲参数的选择非常重要。理论上对于像稠油井，一般选用大泵径、大冲程和低冲次的工作 方式。

2.6 原油性质

泾河油田产出原油密度 0.872 ～ 0.924g/cm3 ，平均为 0.90g/cm3 ;凝固 点 6.9 ～28.2 ℃，平均 22 ℃;含蜡量 11.79% ～46.85%，平均 30.34%;30℃时原油基本全为稠油，部分井粘度达到了特稠油的范畴。

2.7 小结

根据分析得知，需要选择正确的电机，抽油机，抽油泵，选取合理的 沉没度，选择合适的抽汲系数，才能从地上和地下两方面提高系统效率。

第 3 章 提高抽油机井系统效率优化方案（以泾河油田为例）

3.1 抽油机调平衡

抽油机平衡度标准在 80%～110%，图 4 是泾河采油厂抽油机测平衡的 具体情况。对这些平衡度不达标的井应重新调节其平衡，并加强抽油机的 日常维护保养，有助于提高抽油机井的地面效率。

当平衡时，下冲程所需要对重物做的功 Au和上冲程中需要重物释放的 能量 Ad关系应该为：

由公式 3-1 可知道抽油机平衡条件是在一个抽汲循环中，重物在下冲 程中储存的能量或者上冲程中帮助电动机所作的功，应等于上冲程和下冲 程悬点作功之和的一半。

上冲程中悬点所做的功：

下冲程中悬点所做的功：

由于惯性载荷在上下冲程中所作的总功为零，所以没有考虑惯性力。

将 Au和 A d代入 3-1 中：

这就是平衡重所需要做的功。

3.2 优化抽汲参数

抽汲参数的确定，有助于提升系统效率，在生产实践中一般遵循长冲 程、低冲次的生产原则，并选用合理泵径。

3.2.1 井底流压和下泵深度的确定

若想优化抽汲系数，首先要确定油井产量或已知产量下的井底流压，这点应该根据试井资料，结合 IPR 曲线来确定;其次结合地层压力和多相 管流计算方法求出动液面深度，即可得到下泵深度LP 值。

而综合 IPR 曲线分两种情况，一种是在一定总产量下确定井底流压，另一种是已知井底流压计算总产量。

1、确定沉没压力和沉没度

沉没压力是指泵受到的环空液柱所产生的压力。沉没度是指动液面与 泵处之间的深度。为了使泵效提高，必须保证沉没度。但是随着沉没度的增大，促使下泵深度增加。而下泵深度的提高，也会导致冲程损失的增加。

（1）泵充满系数与沉没压力关系

泵压在饱和压力以下时，泵内有自由气体存在。在忽略余隙的情况下，泵的充满程度可以用下式表示：

式中 β—泵充满系数;

Vo Vw Vg 泵内油，水，自由气体积;

又由于：

f w ——含水率

结合 3-5 和 3-6 得出沉没压力和泵充满系数的关系

由上式可知，增大沉没压力可提高泵充满系数。

2、确定下泵深度

在忽略流动摩阻情况下，根据油管套管环空流体的分布状态，可按下 式确定下泵深度。

Lp—泵挂深度，m

Hm—油层中部深度，m

Pc—套压，MPa

ρl—混合液密度，kg/m3

如果求得的 Lp 超过了井底或其他限制因素，则说明充满程度过高，不 适合本井，应降低充满程度。

3.2.2 冲程、冲次和泵径的确定

在已知油田区块泵效p 的条件下，实际产量与泵径DP 、冲程 S、冲 次 N 有如下关系：

其中：K—泵常数;S—冲程（米）;N—冲次（次/分）;p —泵效。

由 3-9 可知道，在产量和泵效确定的条件下，冲程、冲次的乘积与泵 常数的乘积是固定的。这样的话，在设计时可以考虑多种泵。先确定泵的 型号，这样泵的冲程、冲次的乘积为定值。据此，根据油藏情况再进行进 一步的筛选。

3.3 提高泵的充满系数

由前面分析可得，泵效与系统效率的关系明显，系统效率随着泵效的增 大而增大。故可以通过提高泵的充满程度来提高泵效，从而提高系统效率。

通常采用充滿系数β来表示气体的影响程度：

式中 Vp --上冲程活塞让出的容积;

Vl，--每冲程吸入泵内的液体体积。

用 R 表示气液比，即 R=Vg/Vl

用 K=VS/Vp表示余隙比，则：

据此，可以减小 K 和 R 的值以增大充满系数，提高泵效。

与此同时，根据泾河油田情况，井内结蜡较为严重，这也会导致泵的 充满程度低的情况。对于稠油，可采取降粘措施。

在前面也提到了了日产液量对系统效率的影响，日产液量越高系统效 率越高，但对于油层供应能力差，供液不足的井，可采取增加泵深，调小 工作参数以匹配油层供液能力。而当所用抽油机已调到最小冲程、最小冲 次，仍然供应不求的井可采取间歇抽油，保证产量不受影响。

3.4 小结

（1） 根据前面的章节对系统效率的分析及评价，针对不同的情况，提 出了相应改善抽油机井系统效率的优化技术。

（2）泾河油田地面效率整体水平较高，因此提高系统效率的重点在于 提高井下效率。大体通过提高泵的充满系数、和抽汲参数两方面。

第 4 章 结论与建议

（1） 泾河油田的地面效率的平均值为 59.939%，井下效率的平均值为 41.542%，系统效率也可以表示为地面效率与井下效率的乘积。泾河油田整 体地面效率较高，导致泾河油田系统效率低的主要原因是井下效率低下，因此提高泾河油田系统效率的主要途径是提高井下效率。

（2） 系统效率测试结果分析表明，沉没度合理、泵效高、日产液量高 的井系统效率则高;抽油机型号选择合适、电机功率利用率高及抽油机平 衡良好的井系统效率高。

（3）地面效率低的主要原因主要有抽油机不平衡，电机或抽油机型号 选择过大;井下效率低主要原因有两个方面：井下摩阻大;泵的充满程度 低。

（4）提高地面效率主要通过调节抽油机平衡，加强日常维护。

（5）井下效率的提高是泾河油田提高系统效率的重点，井下效率主要 通过抽汲参数的优化、提高泵的充满系数等来改善。

参考文献：

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