阮晶琦，梁宏寶，鄭應(yīng)偉

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.華北石油管理局節(jié)能監(jiān)測(cè)站，河北任丘062550）①

不同工況下抽油機(jī)能耗規(guī)律研究

阮晶琦1，梁宏寶1，鄭應(yīng)偉2

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.華北石油管理局節(jié)能監(jiān)測(cè)站，河北任丘062550）①

針對(duì)抽油機(jī)效率低的問(wèn)題，分析了地面效率、井下效率、能耗及其產(chǎn)生原因，對(duì)影響系統(tǒng)效率的因素進(jìn)行研究。結(jié)果表明：影響抽油系統(tǒng)效率的因素主要是電機(jī)負(fù)載率、抽油機(jī)平衡率、皮帶松緊度、盤(pán)根的松緊度等；其中生產(chǎn)參數(shù)（沖次、沖程、泵徑、泵深）影響最大，其次為桿柱組合情況、電機(jī)影響，最后為四連桿機(jī)構(gòu)和皮帶。通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)得到了影響系統(tǒng)效率的規(guī)律，可為采用節(jié)能設(shè)備來(lái)提高油井的系統(tǒng)效率提供理論依據(jù)。

抽油機(jī)；載荷；系統(tǒng)效率；能耗

目前，我國(guó)抽油機(jī)井的井?dāng)?shù)占生產(chǎn)總井?dāng)?shù)的90%，而抽油機(jī)的能耗大和效率低［1-2］是存在的主要問(wèn)題。中石油抽油機(jī)井的平均系統(tǒng)效率為23%，大慶油田的系統(tǒng)效率最高為25%。系統(tǒng)效率的高低直接反應(yīng)出系統(tǒng)耗能的多少。隨著油田開(kāi)采的不斷進(jìn)行，其能耗問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重，也成為研究的重要內(nèi)容。很多研究人員對(duì)此進(jìn)行了大量研究，但系統(tǒng)效率仍然很低。本文通過(guò)對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)效率影響因素和影響程度的分析，得到系統(tǒng)的耗能規(guī)律，對(duì)抽油系統(tǒng)的節(jié)能研究具有重要意義。

1 系統(tǒng)效率的組成

抽油機(jī)采油是將地面上的電能傳給井下液體，再把井下液體舉升到井口，這個(gè)過(guò)程中能量不斷地傳遞和轉(zhuǎn)化，能量每一次的傳遞和轉(zhuǎn)化都伴隨有一定的損失，除去損失后的有效能量與系統(tǒng)輸入能量的比值，稱(chēng)為抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率。

抽油機(jī)井系統(tǒng)效率包括地面效率和井下效率2部分［3］。光桿懸繩器以上的為地面效率，光桿懸繩器以下為井下效率。抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率為

地面部分的能量損失在電動(dòng)機(jī)、皮帶（三角帶）、減速箱及四連桿機(jī)構(gòu)中。地面效率為

井下部分能量損失在盤(pán)根盒、抽油桿、抽油泵及管柱的摩擦中。井下效率為

所以，抽油機(jī)系統(tǒng)的總效率為

式中：η為系統(tǒng)效率；ηdm為地面效率；ηjx為井下效率；ηd為電動(dòng)機(jī)效率；ηpd為皮帶效率；ηj為減速箱效率；ηl為四連桿機(jī)構(gòu)效率；ηp為盤(pán)根盒效率；ηg為抽油桿效率；ηb為抽油泵效率；ηgz為管柱效率。

2 抽油機(jī)井系統(tǒng)效率分析

2.1 地面影響因素

2.1.1 電機(jī)的影響

抽油機(jī)常用的動(dòng)力裝置為Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)。Y系列電機(jī)效率約為92%，效率損失約為8%［4］。影響電動(dòng)機(jī)效率的主要因素是電動(dòng)機(jī)的功率匹配和抽油機(jī)的平衡度。

2.1.1.1 電機(jī)負(fù)載率的影響

抽油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，工作載荷是帶有沖擊的周期性變化的交變載荷，為了保證抽油機(jī)的啟動(dòng)力矩大，抽油機(jī)必須配備有大功率電機(jī)，而正常工作時(shí)電動(dòng)機(jī)均以輕載運(yùn)行。因此，當(dāng)啟動(dòng)力矩合適則負(fù)載功率必然出現(xiàn)匹配不合理，抽油機(jī)的實(shí)際輸入功率遠(yuǎn)小于電機(jī)額定功率，即“大馬拉小車(chē)”［4-6］。結(jié)果使電機(jī)的負(fù)載率降低，損耗增大。電機(jī)的負(fù)載率過(guò)低時(shí)，電機(jī)效率下降，嚴(yán)重影響抽油機(jī)的系統(tǒng)效率。

根據(jù)抽油機(jī)的電機(jī)負(fù)載率與效率的關(guān)系曲線，當(dāng)電機(jī)的負(fù)載率低于20%時(shí)，隨負(fù)載率提高，電機(jī)效率上升幅度較大；當(dāng)負(fù)載率高于20%時(shí)，隨負(fù)載率提高，電機(jī)效率上升緩慢；當(dāng)負(fù)載率高于40%時(shí)，隨負(fù)載率提高，電機(jī)效率基本穩(wěn)定在90%。根據(jù)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的工況特點(diǎn)，確定20%為抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行負(fù)載率。在生產(chǎn)中，根據(jù)光桿功率［7-9］來(lái)合理選擇抽油機(jī)電機(jī)的額定功率，對(duì)負(fù)載率低的電機(jī)進(jìn)行“大調(diào)小”，以提高抽油機(jī)的電機(jī)負(fù)載率，降低電機(jī)的無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，提高系統(tǒng)效率。

2.1.1.2 抽油機(jī)平衡率的影響

抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷［10-13］狀況對(duì)抽油機(jī)的能耗產(chǎn)生影響。抽油機(jī)工作時(shí)，懸點(diǎn)載荷和平衡塊在曲柄軸所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與電機(jī)輸入給曲柄軸所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩應(yīng)平衡。當(dāng)抽油機(jī)不平衡，上沖程時(shí)電機(jī)承受著極大的載荷，下沖程抽油機(jī)反而帶著電機(jī)運(yùn)行，從而造成功率的浪費(fèi)［14］，使電動(dòng)機(jī)的效率和壽命降低。因此，平衡率的高低將影響抽油機(jī)懸點(diǎn)動(dòng)載荷和耗電量。實(shí)測(cè)抽油機(jī)平衡度與能耗關(guān)系曲線如圖1。

由圖1可得出：平衡度在80%～100%時(shí)，抽油機(jī)能耗最低，也就是平衡度在80%～100%時(shí)最節(jié)能。超出此范圍，能耗將會(huì)增加，效率將會(huì)下降。

圖1 抽油機(jī)平衡度與能耗的關(guān)系曲線

2.1.2 傳動(dòng)皮帶的影響

傳動(dòng)皮帶常采用三角皮帶，傳動(dòng)效率為97%～98%，效率損失約為2%～3%［15-16］。傳動(dòng)時(shí)，幾根皮帶組合使用時(shí)松緊程度很難保持一致，會(huì)造成皮帶間因?yàn)槭芰Σ痪霈F(xiàn)相互錯(cuò)動(dòng)、打滑和振動(dòng)現(xiàn)象，造成部分能量損失。皮帶傳動(dòng)效率與皮帶的松緊度、兩輪的對(duì)正度及輪軸的同心度有關(guān)，其中皮帶的松緊度是影響皮帶傳動(dòng)效率的最重要因素［17］。

陸東慶［18］選擇了3種不同型號(hào)的皮帶來(lái)研究皮帶的松緊度對(duì)能耗的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：皮帶最緊和最松相比，上下電流都平均上升3 A，平均有功功率上升了0.94 k W，從最松到最緊電機(jī)頂絲每上緊1圈，有功功率會(huì)增加0.13 k W，可看出日耗電增加。對(duì)不同型號(hào)的皮帶，隨著長(zhǎng)度的增加，皮帶從最緊到最松有功差值為增加，并得出抽油井皮帶的最佳運(yùn)行狀態(tài)：比電機(jī)頂絲最松狀態(tài)時(shí)的電機(jī)頂絲擰緊近3圈左右，既可防止皮帶過(guò)緊對(duì)皮帶磨損和電機(jī)軸承的磨損，又可達(dá)到節(jié)能目的。

表1 皮帶松緊度對(duì)能耗的影響

2.1.3 減速箱的影響

減速箱里一般有3對(duì)人字齒輪和3副軸承，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相嚙合的齒面間由于相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦損失，同時(shí)，軸承也產(chǎn)生摩擦損失。1對(duì)齒輪傳動(dòng)效率損失約為2%，3對(duì)齒輪共損失約為6%；1副軸承傳動(dòng)損失約為1%，3副軸承共損失約為3%；減速箱總的傳動(dòng)損失約為9%～10%，在潤(rùn)滑保養(yǎng)良好的情況下，總傳動(dòng)效率約為90%。影響減速箱效率的主要因素是齒輪和軸承的潤(rùn)滑度，一般出問(wèn)題少，對(duì)系統(tǒng)效率影響較小。

2.1.4 四連桿機(jī)構(gòu)的影響

在四連桿機(jī)構(gòu)中［19］，共有3副軸承和1根鋼絲繩，四連桿機(jī)構(gòu)的效率與軸承摩擦損失及驢頭鋼絲繩在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變形損失有關(guān)。在潤(rùn)滑保養(yǎng)良好的情況下，其損失約為5%，傳動(dòng)效率約為95%。影響四連桿機(jī)構(gòu)效率的主要因素是軸承潤(rùn)滑情況和鋼絲繩的變形程度。

抽油機(jī)地面部分效率約為77%，在地面部分，由于減速箱出問(wèn)題少，所以影響較小。除減速器外，對(duì)系統(tǒng)效率影響最大的是電機(jī)，其次是四連桿機(jī)構(gòu)，最后為皮帶。

2.2 井下影響因素

2.2.1 盤(pán)根盒的影響

光桿與盤(pán)根盒的摩擦產(chǎn)生阻力，阻力大小直接影響功率損失。材質(zhì)及壓緊程度不同使產(chǎn)生的阻力也有較大變化。理想情況下，傳動(dòng)效率可達(dá)98%～99%。石墨盤(pán)根盒價(jià)格較高，所以很少使用，目前大部分使用橡膠填料的盤(pán)根盒。盤(pán)根盒松緊度和驢頭井口的對(duì)中程度是影響盤(pán)根盒效率的主要因素。盤(pán)根盒過(guò)緊和井口偏磨會(huì)使懸點(diǎn)載荷增加，光桿與盤(pán)根盒的摩擦阻力增大，耗電增加，效率降低。

為得到不同壓緊狀態(tài)下盤(pán)根的數(shù)據(jù)，采用專(zhuān)用力矩扳手進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表2。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出：隨著力矩增加，懸點(diǎn)最大載荷增加；力矩每增加10 N·m，懸點(diǎn)最大載荷平均增加1 k N，有功功率平均增加0.23 k W；盤(pán)根在旋緊過(guò)程中，有功功率逐漸增加，耗電量也逐漸增加，系統(tǒng)效率逐漸降低1%～3%。因此，盤(pán)根的松緊度對(duì)系統(tǒng)效率的提高具有重要意義。

表2 使用力矩扳手對(duì)盤(pán)根松緊測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2.2 抽油桿和油管柱的功率損失影響

在理想情況下，管桿柱部分的效率［20］可達(dá)91.6%。抽油桿重力增加使抽油桿運(yùn)行負(fù)荷增大，能量損失增加。桿柱的運(yùn)動(dòng)能耗與桿柱的設(shè)計(jì)有關(guān)。

為得到抽油桿尺寸對(duì)能耗的影響，在泵徑為?38 mm、舉升高度為1 829 m、產(chǎn)量79.5 m3／d條件下，采用4種桿柱組合，得到能耗隨著沖程增加的數(shù)據(jù)，如表3。

由表3數(shù)據(jù)可得：較重的抽油桿柱能耗較低，?25 mm×?22 mm×?19 mm×?16 mm和?25 mm× ?22 mm×?19 mm桿柱的能耗高，相應(yīng)的耗電費(fèi)用也高。但隨著沖程的增加，4種桿柱的能耗均下降。對(duì)于某一特定的桿柱組合存在一個(gè)最小沖程使能耗較低。除?22 mm×?19 mm×?16 mm外，其余3種桿柱組合在沖程增加到4 m時(shí)，電費(fèi)降低明顯，之后平緩。因此，沖程需要保持合理的值才可以明顯降耗。

表3 沖程與年耗電費(fèi)的關(guān)系

2.2.3 深井泵

深井泵效率主要受3方面因素的影響：管桿柱的彈性伸影響、氣體或充滿度的影響和漏失的影響。其中，泵的充滿度與生產(chǎn)參數(shù)（沖次、沖程、泵徑、泵深）有關(guān)。深井泵效率［20］可達(dá)85.2%～88.4%。井下部分的效率約為76%～80%。在井下部分，對(duì)系統(tǒng)效率影響最大的是生產(chǎn)參數(shù)，其次為桿柱組合情況，最后為盤(pán)根盒的影響。

2.2.3.1 沖次的影響

沖次對(duì)抽油泵效起決定作用，沖次、動(dòng)載荷、摩擦載荷增加，系統(tǒng)效率下降。

選抽油機(jī)型號(hào)、泵徑、沖程和泵掛相同，產(chǎn)液量接近，不同沖次的油井進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)如表4，從數(shù)據(jù)可看出：沖次越低，系統(tǒng)效率越高。

表4 沖次與系統(tǒng)效率的關(guān)系

2.2.3.2 沖程的影響

沖程對(duì)泵效的影響也很大。當(dāng)沖程增加后，可減少氣體的不良影響；對(duì)于已磨損的泵，還可減少液體的漏失量，從而提高抽油效率。選抽油機(jī)型號(hào)和產(chǎn)液量相同，泵徑均為?32 mm、沖次均為5.5 min－1，泵掛接近，沖程不同的油井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表5。

表5 沖程與系統(tǒng)效率和耗電量的關(guān)系

由表5可看出：沖程越大，系統(tǒng)效率越高，當(dāng)沖程從1.8 m上升到3.0 m時(shí)，系統(tǒng)效率提高1.2%，日耗電下降14.4 k W·h。

無(wú)論哪一種桿柱，隨著沖程增加，沖次下降，其耗能下降，系統(tǒng)效率越高。

2.2.3.3 泵徑的影響

當(dāng)沖程和沖次相同時(shí)，泵徑越大，排量越大。但大直徑泵的使用，受到套管尺寸和抽油桿強(qiáng)度限制。

吳雪琴對(duì)沙南油田沙丘3油藏進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試［21］，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)作泵徑與系統(tǒng)效率的關(guān)系曲線，如圖2。

圖2 泵徑與系統(tǒng)效率的關(guān)系曲線

由圖2可得出：在泵徑為?55 mm左右時(shí)系統(tǒng)效率最大。泵徑為?70 mm和?83 mm的系統(tǒng)效率相對(duì)于?38 mm和?44 mm的高，因?yàn)榇笾睆降谋每稍谳^低的抽汲速度下產(chǎn)出所要求的產(chǎn)液量，使水力損失和摩擦損失減小，提高系統(tǒng)效率。因此，存在某一較大泵徑使系統(tǒng)效率達(dá)到最大值。較大泵徑配以合理的最小沖程，可使能耗最小，提高系統(tǒng)效率。

2.2.3.4 泵深的影響

沉沒(méi)度過(guò)低時(shí)會(huì)導(dǎo)致抽油泵供液不足、結(jié)蠟嚴(yán)重、采出液黏度上升、抽油桿下行阻力增大、抽油桿因彎曲而產(chǎn)生偏磨［22-23］。沉沒(méi)度過(guò)大會(huì)使懸點(diǎn)載荷增加，能耗增大，系統(tǒng)效率降低。因此，對(duì)沉沒(méi)度不合理的油井采取上提泵掛的措施，既節(jié)省了大量的管桿材料，還可以治理偏磨。調(diào)整泵深測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如表6。

表6 泵深調(diào)整測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

由表6可看出：泵掛上提100 m后，產(chǎn)液量增加1 t，懸點(diǎn)最大載荷下降3.5 k N，有效功率增加0.18 k W，系統(tǒng)效率增加3%，日耗電量下降9 k W·h。因此，在保證油井供液的前提下使沉沒(méi)度最小，系統(tǒng)效率較高。

通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)總結(jié)發(fā)現(xiàn)：一般含水率在90%以上的井，合理的沉沒(méi)度應(yīng)在200～250 m；含水率低于80%的井，合理的沉沒(méi)度應(yīng)在350～400 m；稠油井合理的沉沒(méi)度為400～500 m。

3 結(jié)論

1） 影響抽油機(jī)系統(tǒng)效率的因素主要有電機(jī)負(fù)載率、抽油機(jī)平衡率、皮帶松緊度、盤(pán)根的松緊度、抽油桿柱組合情況、沖次、沖程、泵徑、泵深9個(gè)。其中：生產(chǎn)參數(shù)（沖次、沖程、泵徑、泵深）影響最大；其次為桿柱組合情況、電機(jī)影響；最后為四連桿機(jī)構(gòu)、帶和盤(pán)根盒的影響。

2） 要提高系統(tǒng)效率就是要提高地面效率和井下效率。提高地面效率就是要提高電機(jī)、抽油機(jī)及傳動(dòng)部分的效率；提高井下效率主要是通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)和桿柱組合情況來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)還應(yīng)做好清蠟，潤(rùn)滑、保養(yǎng)、維護(hù)等日常管理工作。

3） 通過(guò)對(duì)電機(jī)功率的匹配進(jìn)行分析，確定了電機(jī)運(yùn)行負(fù)載率，為生產(chǎn)中對(duì)負(fù)載率低的電機(jī)進(jìn)行“大調(diào)小”提供了依據(jù)。

4） 抽油機(jī)平衡度在80%～100%時(shí)最節(jié)能，當(dāng)超出此范圍，能耗將增加。

5） 對(duì)于同型號(hào)的皮帶，皮帶越緊越耗電；對(duì)于不同型號(hào)的皮帶，皮帶越長(zhǎng)越耗電。盤(pán)根越緊越耗電，系統(tǒng)效率越低。

6） 無(wú)論哪一種桿柱，隨著沖程的增加，沖次下降，其耗能下降。對(duì)于某一特定的桿柱組合有一最小沖程能使其能耗較低。較大的泵徑配以合理的最小沖程，可使能耗最小。

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Study on Energy Consumption Laws of the Pumping Unit under Different Working Conditions

RUAN Jing-qi1，LIANG Hong-bao1，ZHENG Ying-wei2（1.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China；2.Energy-saving Monitoring Stations，North China Petroleum Administration Bureau，Renqiu 062550，China）

In this paper，the problem of low efficiency for pumping，the energy efficiency of surface and downhole efficiency composition system efficiency and the causes of energy produced are analyzed.The factors affecting the efficiency of the system were studied.Factors that influence efficiency of pumping system is derived，there are nine major factor composed with the motor load rate，pumping unit balance rate，tightness of the belt，packing firmness，etc.Where production parameters（stroke times，stroke，pump diameter，pump depth）the greatest impact，followed by a combination of column lever，the motor influence，and finally the four-bar linkage with.Through the relevant test to obtain the effect of the law of the system efficiency，a theoretical basis for the use of energy-efficient equipment is provided to improve system efficiency wells.

pumping unit；load；system efficiency；energy consumption

TE933.1

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.003

1001-3482（2014）07-0008-05

2014-01-17

黑龍江省教育廳攻關(guān)項(xiàng)目（No.12531071）

阮晶琦（1972-），女，黑龍江大慶人，講師，碩士，主要從事石油礦場(chǎng)機(jī)械設(shè)計(jì)和石油生產(chǎn)節(jié)能技術(shù)研究，E-mail：ruanjingq＠163.com。