有杆泵采油机械效率提升方法探讨

有杆泵采油机械效率提升方法探讨

刘 洁 王小玲 王 静

长庆油田第一采油厂，陕西 延安 717408

摘要：在不断变化的经济形势下，随着电力成本的上升，为了使这些井的利润最大化，安装设计必须确保最佳条件。文中给出了保证有杆抽油作业有利可图的基本思路。论述了装置设计中的关键问题（抽油方式选择、最佳平衡、抽油杆柱设计）及其对改善有杆抽油作业和降低举升成本的作用。采用抽油机的最佳平衡，提高了地面设备的作业效率。为了获得理想的有杆抽油系统，必须对锥形抽油杆柱进行合理的机械设计。文中给出了安装设计改进的方面和细节，并给出了实例。

关键词：表面活性剂；油田注水；数值分析；提高采收率

为了提高有杆抽油装置的盈利能力，降低作业成本至关重要。由于大多数装置由电动机驱动，而且近年来电能成本稳步上升，因此必须将井下和地面的能量损失降到最低。通过对有杆泵抽油系统能量损失的可能来源的讨论，推导出了有杆泵抽油系统的总效率公式。通过对这个公式的评估，可以得出关于最有效的泵送系统的重要结论。

1 井下能量损失

有杆泵抽油系统通过将一定量的液体从井底提升到表面。表面有杆抽油系统井下能量损失的来源是泵、杆柱和液柱。在泵内，会发生摩擦和水力损失以及液体泄漏。杆柱在油管内往复运动时，会与油管壁摩擦，造成机械摩擦，尤其是在斜井中。采出的液体会给抽油杆柱施加阻尼力，并导致其他水力损失。所有这些损失，除了流体提升所需的液压动力外，还必须通过抽油机在光杆处执行的机械工作来克服。因此，在地面操作光杆所需的能量是泵所执行的有用液压功和井下能量损失的总和。这个功率要求是一个基本的泵送参数，称为光杆功率或PRHP。它表示光杆处泵送系统的机械功率输入，可以从井上测得的示功图区域进行实验。有杆抽油系统井下部件的能量效率可以用井内能量损失的相对大小来表征。

2 地面能量损失

从表面上看，电机所承受的电功率总是大于电机轴上产生的机械功率。电动机的功率损耗分为机械损耗和电气损耗。机械损失发生在电机的轴承由于摩擦，其他损失包括风阻损失所消耗的空气周围的旋转部分。在电损耗中，铜的损耗是决定性的，它导致电机因电流的消耗而发热。通常，总效率用于表示电动机的所有损耗，对于一般电动机，其范围在85%~93%之间。通过对这一总效率公式的研究，可以得出一些基本结论，以便在有杆泵抽油中获得最大的能量效率。首先，必须分析各个术语的相对重要性和常用参数范围。在方程中计算的参数中，表面机械效率ηmech和电机效率ηmot的可能值在相当窄的范围内变化。同时，它们的值也不容易改进，这就是它们对系统总效率的影响不是很显著的原因。另一方面，提升效率可被视为控制因素，因为它在很大范围内变化取决于所选的泵送模式。因此，泵送系统的整体能源效率的显著提高只能通过实现最大提升来实现效率。因此总的来说，达到最佳整体泵送效率的基本要求是提高提升效率。由于举升效率主要取决于所选择的泵送方式（即柱塞尺寸、冲程长度、泵送速度和杆柱设计的组合），有杆泵送泵送方式的正确选择怎么强调都不为过。在设计新的泵送系统或改进现有装置的性能时，这必须是有杆泵抽油专家努力的首要目标。

3 泵送方式的选择

有杆泵抽油系统的抽油模式定义为泵的尺寸、光杆行程长度、抽油速度和杆柱设计的组合。API泵的标准尺寸和冲程长度的数量很高，泵送速度可以在很大范围内变化。由于许多杆柱锥度组合也可用，在任何情况下都可能有相当多的泵送模式。然而，对于生产一定量的液体，大多数理论泵送模式被证明是不切实际或不经济的，但这些模式的消除仍然留下了许多选择考虑。作为如上所述，根据其提升效率和选择具有最大升力。提升效率最大化与将光杆功率PRHP设置为最小值的情况一致。也就是说，从给定深度提升给定的液体体积（即对于给定的液压功率），提升效率和PRHP成反比。因此，应用这一优化概念，就可以从给定的泵设置深度获得所需的液速，从而提供最节能、最经济的泵送模式。利用这一原理设计的泵送系统的运行成本最小，系统最大效率。如果选择最佳工况，光杆处的能量输入仅略大于泵的水力，提升效率可达94%以上。

世界上三分之二以上的抽油杆采油方式，大致都是由于其抽油杆式抽油机在世界上都很流行。其中绘制了不同杆组合的提升效率最大值与泵尺寸的关系图。对曲线的观察清楚地表明，通过增加泵的尺寸，所有锥度的最大提升效率值都会增加。因此，使用更大的柱塞和相应较慢的泵送速度总是有利的，并导致较低的能源需求。根据实际经验，使用较重的杆柱（如API85或86，而不是API75或76）可显著提高较小泵尺寸的功率要求。然而，随着泵尺寸的增加，功率需求的差异趋于不明显。这一现象可以用杆柱重量在总抽油载荷中的相对重要性来解释，因为较大的泵需要更大的流体载荷，因此杆柱重量在总抽油杆载荷中所占的比例较小。抽油机适当的平衡可以平衡抽油周期中减速器上的扭转载荷。在不平衡的情况下，由于光杆上的高负载，在加大冲程期间齿轮箱上的扭矩负载将很高。另一方面，在下冲程过程中，落在采出液中的抽油杆柱将驱动抽油机，从而在齿轮减速器上产生负扭矩载荷。由于没有一台电动机能在如此剧烈波动的负载下工作，因此必须设计出一些平衡抽油机的方法。这些可以采取横梁或旋转配重或气缸的形式。

4 实例问题

为了说明不当的抽油杆柱设计程序可能产生的后果，该图涉及利比亚Hamada油田的三口井，包含当前和最佳抽油杆柱设计的相关参数。根据每个锥度顶部出现的最小和最大应力对设计进行比较。在修正的Goodman图上绘出了两种情况下的计算应力，即当前状态和优化设计，从而得出了对改进油田有杆抽油作业的重要结论。当前的锥度百分比（以正常的重量线显示）清楚地表明原始设计非常差。通常情况下，管柱的荷载很轻，因此尺寸过大。因此，抽油杆柱的总重量超过了必要的要求，使得提升比所需更重的管柱需要额外的动力。采用Gault和Takacs程序计算设计合理的管柱（以粗线表示）。这些设计，与现场实践相反，构成了适当且均匀加载的杆柱。适当的设计程序确保了超过现场实践的最大改进是水平的变化不同杆锥的疲劳载荷。现场设计清楚地显示了一个非常偏压杆加载，顶部杆锥总是远远高于底部的加载。这种情况下，上部尤其是顶部锥度肯定会首先失效。这一总体趋势与给定油田油井的断杆模式非常一致。

5 结语

有杆泵作为现阶段国际国内应用最为广泛的一种机械采油方式,具有结构简单、使用及维修方便、寿命长以及适应能力强等特点。在实际应用过程中,由于有杆泵采油系统的采油数量主要取决于泵径以及泵的冲程和参数,因此,在进行深井开采时,其整体的效率并不是特别高,随着现阶段社会发展对于石油资源需求量的提升,如何提升有杆泵采油系统工作效率也备受行业的关注。有杆泵抽油是世界各国普遍采用的一种人工举升油井的方法。为了确保最佳条件和最小化操作成本，有杆泵抽油专家应不断寻找改进所有操作的方法。本文详细介绍了确保最佳条件的一些可能的措施。

参考文献：

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