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1、提高石油抽采设备系统效率提高石油抽采设备系统效率目目 录录1、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、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、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一、前言一、前言1.1 抽油机井系
2、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。2001年全国共有采油井7万余口，采油生产井用电71.8亿kWh，占油田生产用电的41.37%。其中抽油机井用电71.7亿kWh，占总采油井用电的99.82%。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、提高经济效益具有十
3、分重要的意义。“八五”期间，大庆石油管理局与大庆石油学院联合承担了国家级课题“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，并编写了与之配套的石油天然气行业标准SY/T5266-1996机械采油井系统效率测试方法。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
4、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。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-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）、驴头和悬绳器等组成
5、；地下部分-抽油泵，悬挂在套管中油管的下端；中间部分-联系地面和井下部分的抽油杆柱，由一种或几种直径的抽油杆和接箍组成。1、抽油机采油系统的工作流程抽油机采油系统的组成2、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、抽油泵柱塞做上下往复直线运动，实现机械采油。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
6、液体进入油管内，如此循环工作，井液就源源不断地被采出。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
7、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。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。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
8、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。目前，抽油机上的平衡方式主要有两类：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
9、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.抽油机的平衡 Twn 悬点载荷W反映到曲柄上的工作扭矩曲线；Tr 由平衡重产生的平衡扭矩曲线；Tn Twn、Tr叠加后的曲柄轴净扭矩曲线。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。目前一些节能型抽油
10、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，减速箱和电动机的载荷均匀，系统效率高，节能效果好。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。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功大小、抽油机节能状况有关。抽油机采油系统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。
11、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：2.抽油机采油系统中的能量损失 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，即电动机损耗约占10%。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
12、，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%。2.带传动损失 带传动损失可分为两类 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。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
13、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%。减速箱中一般有三对人字齿轮，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。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
14、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%。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
15、对中，光杆与盘根盒的摩擦力将成倍增加。6.抽油杆损失 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，摩擦力增加了悬点载荷。下冲程时，抽油杆向下运动，摩擦力减小了悬点载荷。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，可以忽略不计。当油井中原油粘度很大，从几百到几千
16、mPa.S时，抽油杆与液体间的摩擦力有时可达1000015000N，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和弯曲程度有关。井筒斜度或弯曲程度越大，则实耗功越大。7、抽油泵损失 抽油泵功率损失包括机械功率损失，面积功率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/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。抽油泵容积功率损失主要是指柱塞与泵筒/衬套之间的漏失量成正比，因此减少柱塞与泵筒/衬套这间的漏失，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
17、由于水力阻力引起的功率损失。8、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。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。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，液柱与油管内壁产生摩擦，引起水力损失功率。目目 录录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
18、.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。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
19、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。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。3、机械采油井系统效率测试及计算方法测试要求1、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对象。2、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。3、待测参量的测试检查仪器仪表连接无误后，按
20、机械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20min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量同步测试。4、测试仪器、仪表及其精度等级测试仪器仪表明细表序号 仪器仪表名称 精度等级要求1 输入功率测试仪表1.52 压力表 1.53动力示功仪1.04 回声仪 0.355产液量计量装置5.06数字万用表0.37秒表1.08求积仪（3-1）系统效率计算方法1.机械采油井的输入功率式中：nP有功电能表所转的圈数，r；K电流互感器变比，常数；K1电压互感器变比，常数；NP有功电能表耗电为1kWh时所转圈数，r/(kWh);tP有功电能表转nP圈所用时间，s
21、。系统效率计算方法2、机械采油井的有效功率（3-2）式中：Q油井产液量，m3/d；H有效扬程，m；油井液体密度，t/m3；g重力加速度，g=9.8m/s2。系统效率计算方法3.有效扬程式中：H有效扬程，m；Hd油井动液面深度，m；PO油管压力，MPa；Pt套管压力，MPa。（3-3）系统效率计算方法4、油井液体密度式中：W含水率,%；O油的密度，t/m3；W水的密度，t/m3。=（1-fw）o+fww（3-4）系统效率计算方法5、光杆功率（3-5）式中：A示功图的面积，mm2；Sd减程比，m/mm；fd力比，N/mm；ns光杆实测平均冲次，min-1。系统效率计算方法6、抽油机井的地面效率（3
22、-6）系统效率计算方法（3-7）7、抽油机井的井下效率 系统效率计算方法（3-8）8、单井的系统效率系统效率计算方法9、一个区块某种机械采油井平均系统效率（3-9）式中：a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，kW；i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。4、提高抽油机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1。根据能量守恒定律，输入功率应当等
23、于有效功率（输出功率）与损失功率之和。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”，确保油田低耗高效开发。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）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0.30.4，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“大马拉小车”的情况，其效率因数都很
24、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60%70%，与普通异步电动机的额定效率90%95%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 电动机 目前油田电动机节能主要分为四个方面：（1）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，实现节能。这种方法主要是采用变频调速的方法。（2）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、泵整个系统的配合，减少系统能耗。（3）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。（4）采用节能型抽油机电动机控制装
25、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，动态调节电动机的电压或进行无功补偿，降低电动机损失。带传动 工程上常用的皮带的传动效率都比较高，最高可达98%，即其传动损失仅为2%。20世纪80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V联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，传动效率最高达98%，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电2.5%。因此,在我国现有技术条件下,带传动部分效率的提高潜力已很小.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
26、，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9%10%，即传动效率为90%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最高值。因此，在管理和维护措施得当的条件下，减速箱的效率不会有大的提高。4.1.4换向及平衡 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形损失。如果润滑保养良好，该部分的传动效率一般可达95%，在换向机构的一定的情况下，该部分的效率不会有大的提高。近年来出现了许多抽油机新
27、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曲柄净扭矩曲线，降低曲柄轴扭矩、减小扭矩曲线的波动。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。实践证明，通过合理的调整平衡，每口井可节约有功功率0.31.5kW，节电效果明显。每口井都有节电的平衡最佳点，一般调在90%最为经济。调过调平衡来节约电耗，少投入，多产出。盘根盒 该部分的损失主要是摩擦损失
28、，该项损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和功率损耗。管理与维护正常的情况下，盘根盒部分能量损失很小，因此提高能效的潜力不大。抽油杆柱 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。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，以减少杆管之间的摩擦损耗。4
29、.1.7 抽油泵 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，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、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水力阻力，从而降低抽油泵部分的能耗。4.1.8管柱管柱损失由管柱的容积损失和水力损失两部分组成。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，则可降低管柱漏失量，从而降低容积损失值。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。对于井液腐蚀性较强或/和易结垢的油井，应对油管采取防腐和/或
30、防结垢措施，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，以降低液体向上流动速度。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。4.2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。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。在整个抽油机采油系统中，变化幅度较大的是消耗于热损失的功，这也是系统节能的着眼点。普通异步电
31、动机具有硬外特性，适宜拖动均匀载荷。抽油机的净扭矩曲线呈周期性变化的规律，就是抽油机异步电动机负荷的变化特点：电动机工作时，总的热损失是电流和功率波动量函数，这波动量与抽油机扭矩的变化成正比，波动量越大，总的热损失也越大。在其它条件不变时，抽油机扭矩变化越平稳，则电流均方根值就越接近电流平均值，消耗于热损失的功也就越小，抽油机的能量损失越小，抽油机采油系统的效率也就越高。评价抽油机的节能性能：由平衡性能所决定的曲柄轴净扭矩 曲柄轴净扭矩集中表现了抽油机的平衡性能和动力性能。通过改变平衡方式和平衡设计，改变平衡扭矩曲线的形状，改变或调整载荷扭矩曲线和平衡扭矩曲线相位差，消除负扭矩，减小净扭矩曲线
32、的波动变化幅度和上下峰值，使扭矩曲线尽量接近水平直线。4.2.3 抽油机本身动力性能及井况所决定的悬点载荷，即动力示功图通过改变或改进抽油机设计、优选抽汲参数，能够改变悬点惯性载荷分布。在粘油井中采取降粘措施，降低杆柱与井液的磨擦力，以改变悬点载荷，使悬点最大、最小载荷差值减小，悬点载荷尽量变均匀，使得悬点载荷在曲柄轴上产生的扭矩均匀。3.抽油机电动机的拖动特性，负荷率等提高电动机的负荷率及工作效率，扩大电动机高效区范围；使电动机的机械特性变软，改善电动机机械特性与抽油机负载特性的相互配合，以提高抽油机采油系统效率，降低能耗。评价抽油机的节能性能：4.功率因数补偿、变频、调压等电控技术应用变频
33、调速技术、动态调节电动机定子绕组电压或进行无功补偿等，均可实现抽油机采油系统的节能。评价抽油机的节能性能：2.2节能抽油机（不包括电动机）及其节能原理221异相曲柄复合平衡抽油机222双驴头抽油机223曲游梁抽油机224摆杆式游梁抽油机22.5偏轮式游梁抽油机226下偏杠铃游梁复合平衡抽油机械227调径变矩游梁平衡抽油机228渐开线异形抽油机23抽油机节能电动机231变频调速电动机232超高转差电动机233电磁滑差电动机234高效永磁同步电动机235双速电动机236双功率电动机2.4抽油机节能控制箱241可控硅调压式节能控制箱242 星角转换节能控制箱243 变频增产节能控制器4.3抽油机采油
34、系统节能技术选择方法大庆油田共有抽油机2万余台，系统效率平均为25%左右，最高也不超过30%，如果能将系统效率提高10%，则每年将节省电耗3亿度，经济效益上亿元，这是相当可观的数字。4.3.1常规抽油机的改造技术对在用或闲置不用的能耗高的旧常规游梁式抽油机进行技术改造，是降低抽油机能耗的一个重要方法。常用的改造方法主要有四种：一是将常规机改造成双驴头抽油机，节电率一般可达20%左右：二是将常规机改造成异相曲柄复合平衡抽油机，达到节能的目的，节电率可达15%以上：三是将常规机改造成偏轮式游梁抽油机，节电率平均达24%左右；四是改造成下偏杠铃游梁复合平衡抽油机。这四种改造方法都能充分利用原机制构件
35、，优化关键部件，安全系数高，节能效果显著，运转平稳，管理操作方便。但这种改造要增加一部分投资，因此在改造前要进行技术经济分析。4.32推广应用节能型抽油机老井转抽或新井投产时，应该选用节能型抽油机，这样既不增加一次性投资，又可节能。费用是抽油机采油系统综合成本的反映，包括设备初始投资和维护、运行费用两部分。初始投资主要为购买费用，为一次性投资。维护、运行费用为间接或连续投入，其多少又与抽油机的节能效果、维修周期、维修工作量、工作可靠性和工作寿命有直接关系。因此，应全面考虑上述各种因素，优先选用经油田较大面积推广应用，证明综合性能良好的的节能型抽油机。慎重选择试运行周期不够长，综合性能指标不明确
36、的节能型抽油机。常规抽油机井转上节能型抽油机时，应根据抽油机的价格和节能效果计算投资的回收期，应该在设备的寿命期内能全部收回投资且有一定的经济效益。4.33选用节能型抽油机用电动机 目前市场上有多种抽油机用节能电动机。应该说抽油机用电动机节能是一个非常复杂的问题。选择方案时要考虑电动机效率、功率因数、系统增效、成本投入、可靠性及现场管理等问题。选用抽油机用节能电动机应注意以下三点：1节能电动机要与抽油机的运动和动力性能相适应，以获得较好的节电效果；2在选用节能电动机时要综合考虑其经济效益和投资回期、可靠性、启动性及其它参数（如软特性）等：3节能型电动机与节能控制箱和/或节能型抽油机配合使用时，
37、要仔细研究综合节能效果后再决定是否选用。4.34选用抽油机节能控制箱1应选用通过行业相关主管部门认可或经油田现场较多井次试验，证明节能效果好的产品：2由于受现场和环境、人员条件的限制，抽油机节能控制箱应有完备的保护和某些显示功能，装配和使用越简单越好；3具有电压和频率调节、星角变换和无功补偿的节能效果比较好；4.344调压型抽油机节能控制箱节电效果的好坏与抽油机井的平衡度有着直接的关系：（1）当机的平衡度小于50%且电动机的瞬时最大电流达到或超过额定电流时，所有调压节电技术都达不到节电的目的；当抽油井的平衡度大于50%，电动机的瞬时最大电流达到其额定电流但电动机的功率利用率小于30%时，调压节
38、电技术有节电效果但节电效果不理想；（3）当抽油机井的平衡度大于50%，且电动机的瞬时最大电流小于其额定电流时，调压节电技术的节能效果比较理想；因此应根据电动机的运行状态选择抽油机节能控制箱，并且注意调节抽油机的平衡率。4.345节能型抽油机控制器的安装必须做到具体问题具体分析，每口油井安装什么样的节能型抽油机控制器或补偿多大容量的电容，必须在测试基础上才能决定，否则节电效果就不会太理想；4.346安装节能型抽油机控制器后，抽油机井的平衡度可能发生变化，平衡度有所降低。因此，安装节能型抽油机控制箱后，抽油机井应该调平衡。窄V带传动目前窄V带在国内石油矿场已大量推广。窄V带具有独特的结构，承载能力
39、大，比普通三角带高3050%；传动效率高，可达9698%，比普通三角带高4.5%（普通三角带传动效率只有9293%）；工作寿命长，可达20003000小时，比普通三角带长37倍。采用节能传动元件同步带同步带传动传动效率高，可达99%，传动比准确，永不打滑，是一种具有技术前途的新型传动带。同步带问世于70年代，日本应用最早，1985年美国率先首次用于抽油机传动，获得令人满意的效果。同步带比普通三角带节电14.4%。4.3.6节能产品的优化配置节能抽油机、节能电动机和抽油机节能控制装置有一共同特点：多在电动机的电参数上进行了改进或优化，或者间接改进抽油机的平衡或结构设计，以提高电动机的负载率，降低
40、电动机的损耗，提高其运行效率。一般情况下，叠加使用功能重复而互补性较少，节能效果与单项使用相差较小。在实际应用中，选用一种节能产品，可提高电动机的负载率，减小电动机的损耗，提高运行效率，达到节能的目的。如选用二种或二种以上进行叠加使用。可能出现两种情况，一是电动机的负载率已达到临界值，只有一种节能装置起作用；二是当电动机的负载率已达到临界值，再进行调压反而使电动机的内部损耗增加，降低了电动机效率，增加了损耗。因此，节能抽油机、节能控制器及节能电动机的组合是否合适，对节能效果影响很大，在组合之前要深入了解各自的特点以及节能原理，避免重复投入。例如，偏轮抽油机是在普通游梁抽油机后臂增设两根杆件，其
41、端部与游梁后端连杆铰接构成六连杆机构，这种结构使上冲程加速度明显降低，延长了上冲程时间，降低了峰值扭矩，达到节能的目的。而高转差电动机的节能原理同样是延长了上冲程时间，减少提拉速度和加速度，降低扭矩峰值，进而减少耗电量。因此偏轮游梁式抽油机不适合与高转差电动机组合。由于现场条件复杂，节能抽油机、抽油机节能控制器和节能电动机的组合，应根据理论分析和现场实际情况来选择。如果没有完备的理论分析和现场应用实测数据作根据，则建议用于抽油机采油系统的节能产品，最好单独使用，不宜叠加。4.37抽油机采油系统的优化设计在油井投产或井况改变需要调参以及采取其它增产措施时，都需要根据系统效率最高即能耗最低和供产协
42、调的原则来预测产量，优选机、杆、泵和优选抽汲参数，所选择的抽油机采油系统不仅要满足油井的生产要求，而且还必须经济合理。抽油机采油系统的优化设计内容与设计原则（1）抽油机采油系统的设计内容抽油采油系统的优化设计包括两大类内容：一是新投产油井抽油机采油系统的优化设计，即根据地质部门的预产及油田长期开发的需要，合理地选择抽油机型号、抽油泵直径和抽油杆尺寸，并设计油井投产时所使用的抽汲参数（冲程、冲次和泵径）；二是已投产井抽汲参数的优选，即在满足抽油机的承载能力以及满足配产要求的条件下，合理地设计抽汲参数（一般为冲程和冲次）。（2）设计原则 要合理地选择采油设备，应遵循以下4条基本原则：符合油层及油井
43、的工件条件；能充分发挥油层的生产能力；设备利用率较高而又能满足安全生产的需要；系统效率高即能耗小，经济效益好。372抽汲参数优化设计的数学模型抽油机采油系统抽汲参数的优化设计就是在满足现有技术装备（抽油机与电动机）工作能力以及满足油井配产要求的前提下，合理选择抽汲参数（冲程长度S、冲次n、泵径D）、下泵深度与抽油杆柱尺寸，以达到能耗小、效率高的目的。在优选参数时，必须首先确定目标函数和设计变量。目前国内外学才在优选抽汲参数时所采用的目标函数不尽相同。近年来对抽油机采油系统的研究结果表明，系统效率是反映抽油机井综合性能的技术经济指标，若系统效率高，则油井产量、泵效也较高，系统能耗小，设备能力利用
44、率指标也较合理，故选择系统效率目标函数，选择抽汲参数与抽油杆柱组合为设计变量。（1）目标函数的建立 对于某一口油井，当其装备（抽油机、电动机、抽油泵）、井口压力、下泵深度、井液物性参数（粘度、含水、气液比、原油密度）已知时，有杆抽油系统的系统效率只是抽汲参数、抽油杆组合的参数，即Max=（S、n、D，抽油杆柱组合）（2）约束条件对抽汲参数进行优化设计时，需考虑如下约束条件：油井配产要求由于抽汲参数是非连续的，很难保证油井实际产量Q恰好等于油井预产QP，取QPQ 1.1QP。抽油机承载能力的要求抽油机工作时，悬点最大载荷Pmax应小于悬点允许最大载荷Pmax，即Pmax Pmax减速箱曲柄轴最大
45、扭矩Mmax应小于曲柄轴允许最大扭矩Mmax，即Mmax Mmax。抽油杆强度条件抽油杆顶部的最大循环应力max应小于抽油杆许用的最大循环应力，即 max max。抽油泵效率的约束条件取抽油泵泵效的下限为0.5，即0.5。（3）优化设计方法根据上述的目标函数及约束条件可得抽汲参数优化设计的一般数学模型由于S、n、D、抽油杆组合都是离散变量，可以用枚举法优选抽汲参数。抽油机可调节的冲程长度冲程次数一般为三到四级，根据油井的实际预产量及下泵深度选择三级泵径一般都能满足油井的实际产量需要。对于每种泵径，API标准推荐抽油杆柱的组合数是一定值。优化设计的步骤是：由于抽油杆柱组合对泵效的影响较小，故对于
46、任意一组抽汲参数，可以任意选择一种抽油杆柱方案，并只考虑抽油杆柱静变形对柱塞冲程损失的影响，然后根据油井产能平衡条件预测在该组抽汲参数时的油井动液面、产量和排量系数；将同时满足油井产量约束排量系数约束条件的抽汲参数组合作为初步方案；根据抽油杆柱的设计原则，优选出不同抽汲参数所对应的抽油杆柱组合；对初选方案的系统效率进行计算，优选出系统效率最高且能满足悬点最大负荷与曲柄轴最大扭矩要求的抽汲参数。对于井况发生变化，需要调参的油井，一般只进行冲程S、冲次n、和泵径D的优选。优化设计的步骤是：将原井抽油机所具有的冲程、冲次和可能取的泵径进行组合，把所有能同时满足油井产量、抽油机承载能力、抽油机强度条件
47、及泵效约束的抽汲参数组合作为初步方案；对各个初选方案的系统效率进行计算，优选出系统效率最高的抽汲参数。4.3.8抽油机采油系统的管理以下这些措施都有不同程度的节能效果：4.3.8.1定期检查传动装置，传动皮带要松紧适中，随时处理减速箱漏油、定期更换减速箱内机油，以减少地面传动部分的能耗。使用窄V联组带；在抽油杆上加装扶正器或滚轮接箍。4.3.8抽油机采油系统的管理有条件的情况下，使用标准光杆和调心石墨盘根盒；光杆盘根盒应松紧适度；调整设备，使悬绳器、光杆与井口对中，减少光杆与盘根和抽油杆与油管的磨擦耗能。4.3.8.4有条件的油田，应将油管锚定，以减小冲程损失，从而提高抽油机采油系统的系统效率
48、。4.3.8抽油机采油系统的管理4.3.8.5根据井况的变化，及时优选抽汲参数并调参，确保抽油机采油系统工作在最优抽汲参数下。4.3.8.6及时调整抽油机的平衡，保持抽油机合适的平衡度。4.3.8.7对于出砂较多的油井，应加装砂锚等防砂装置，防止砂对泵的磨损而增加泵的漏失量。4.4 抽油机井参数敏感性分析及计算方法敏感性分析的概念 敏感性分析（Sensitivity Analysis）也称灵敏度分析，是技术、经济决策中常用的一种不确定性分析方法。敏感性分析就是研究工程的主要因素发生变化时对项目技术、经济指标有何影响，影响程度如何，从中找出敏感因素，预测项目承担的风险，并制定相应的对策加以防范。
49、任何一个不确定因素的变化，都会使技术效果指标发生变动，只是影响程度大小不同。或者说技术效果指标对各个不确定因素变动的敏感程度是不同的。这就有敏感性强与弱之分，或大与小之分。如果某一不确定因素发生较小变化时，技术效果指标发生较大变化，则称技术效果指标对此因素敏感；反之，如果某一不确定因素发生很大变化时，技术效果指标变化很小，则称技术效果指标对此因素不敏感。如果有几个方案相互不确定因素发生同样变化时，技术效果指标变化大的方案称为敏感性强的方案，技术效果指标变化小的方案称为敏感性弱的方案。敏感性分析的目的(1)研究不确定因素的变化将引起技术效果指标变化的范围。(3)对许多方案敏感性大小的比较，区别敏
50、感性强或敏感性弱的方案，选出敏感性小的方案为项目规划方案。(4)通过可能出现的最有利与最不利的技术效果分析，寻找替代方案并对原方案采取某些控制措施，实现方案最佳控制。(2)找出影响建设项目技术效果指标的最关键因素，即最敏感因素，并进一步分析这种因素产生不确定因素的原因。主要目的 根据敏感性分析中每次变动不确定因素数目的多少（如一次只变动一个因素或同时变动两个因素等），可将敏感性分析分为单因素敏感性分析和多因素敏感性分析。研究提高系统效率的着入点：要搞清楚影响抽油机井系统效率因素有多少，具体的有哪些，这些参数如何协调才能工作好，从而从宏观上提高系统效率。抽油机井系统效率影响因素体系地层 井筒 井