不同工况下抽油机能耗规律研究

阮晶琦，梁宏宝，郑应伟

（1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318；2.华北石油管理局节能监测站，河北任丘062550）①

不同工况下抽油机能耗规律研究

阮晶琦1，梁宏宝1，郑应伟2

（1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318；2.华北石油管理局节能监测站，河北任丘062550）①

针对抽油机效率低的问题，分析了地面效率、井下效率、能耗及其产生原因，对影响系统效率的因素进行研究。结果表明：影响抽油系统效率的因素主要是电机负载率、抽油机平衡率、皮带松紧度、盘根的松紧度等；其中生产参数（冲次、冲程、泵径、泵深）影响最大，其次为杆柱组合情况、电机影响，最后为四连杆机构和皮带。通过相关试验得到了影响系统效率的规律，可为采用节能设备来提高油井的系统效率提供理论依据。

抽油机；载荷；系统效率；能耗

目前，我国抽油机井的井数占生产总井数的90%，而抽油机的能耗大和效率低［1-2］是存在的主要问题。中石油抽油机井的平均系统效率为23%，大庆油田的系统效率最高为25%。系统效率的高低直接反应出系统耗能的多少。随着油田开采的不断进行，其能耗问题变得越来越严重，也成为研究的重要内容。很多研究人员对此进行了大量研究，但系统效率仍然很低。本文通过对抽油机系统效率影响因素和影响程度的分析，得到系统的耗能规律，对抽油系统的节能研究具有重要意义。

1 系统效率的组成

抽油机采油是将地面上的电能传给井下液体，再把井下液体举升到井口，这个过程中能量不断地传递和转化，能量每一次的传递和转化都伴随有一定的损失，除去损失后的有效能量与系统输入能量的比值，称为抽油机井的系统效率。

抽油机井系统效率包括地面效率和井下效率2部分［3］。光杆悬绳器以上的为地面效率，光杆悬绳器以下为井下效率。抽油机井的系统效率为

地面部分的能量损失在电动机、皮带（三角带）、减速箱及四连杆机构中。地面效率为

井下部分能量损失在盘根盒、抽油杆、抽油泵及管柱的摩擦中。井下效率为

所以，抽油机系统的总效率为

式中：η为系统效率；ηdm为地面效率；ηjx为井下效率；ηd为电动机效率；ηpd为皮带效率；ηj为减速箱效率；ηl为四连杆机构效率；ηp为盘根盒效率；ηg为抽油杆效率；ηb为抽油泵效率；ηgz为管柱效率。

2 抽油机井系统效率分析

2.1 地面影响因素

2.1.1 电机的影响

抽油机常用的动力装置为Y系列三相异步电动机。Y系列电机效率约为92%，效率损失约为8%［4］。影响电动机效率的主要因素是电动机的功率匹配和抽油机的平衡度。

2.1.1.1 电机负载率的影响

抽油机在运转过程中，工作载荷是带有冲击的周期性变化的交变载荷，为了保证抽油机的启动力矩大，抽油机必须配备有大功率电机，而正常工作时电动机均以轻载运行。因此，当启动力矩合适则负载功率必然出现匹配不合理，抽油机的实际输入功率远小于电机额定功率，即“大马拉小车”［4-6］。结果使电机的负载率降低，损耗增大。电机的负载率过低时，电机效率下降，严重影响抽油机的系统效率。

根据抽油机的电机负载率与效率的关系曲线，当电机的负载率低于20%时，随负载率提高，电机效率上升幅度较大；当负载率高于20%时，随负载率提高，电机效率上升缓慢；当负载率高于40%时，随负载率提高，电机效率基本稳定在90%。根据电机运行时的工况特点，确定20%为抽油机电机运行负载率。在生产中，根据光杆功率［7-9］来合理选择抽油机电机的额定功率，对负载率低的电机进行“大调小”，以提高抽油机的电机负载率，降低电机的无功功率，实现节能，提高系统效率。

2.1.1.2 抽油机平衡率的影响

抽油机的悬点载荷［10-13］状况对抽油机的能耗产生影响。抽油机工作时，悬点载荷和平衡块在曲柄轴所产生的转矩与电机输入给曲柄轴所产生的转矩应平衡。当抽油机不平衡，上冲程时电机承受着极大的载荷，下冲程抽油机反而带着电机运行，从而造成功率的浪费［14］，使电动机的效率和寿命降低。因此，平衡率的高低将影响抽油机悬点动载荷和耗电量。实测抽油机平衡度与能耗关系曲线如图1。

由图1可得出：平衡度在80%～100%时，抽油机能耗最低，也就是平衡度在80%～100%时最节能。超出此范围，能耗将会增加，效率将会下降。

图1 抽油机平衡度与能耗的关系曲线

2.1.2 传动皮带的影响

传动皮带常采用三角皮带，传动效率为97%～98%，效率损失约为2%～3%［15-16］。传动时，几根皮带组合使用时松紧程度很难保持一致，会造成皮带间因为受力不均而出现相互错动、打滑和振动现象，造成部分能量损失。皮带传动效率与皮带的松紧度、两轮的对正度及轮轴的同心度有关，其中皮带的松紧度是影响皮带传动效率的最重要因素［17］。

陆东庆［18］选择了3种不同型号的皮带来研究皮带的松紧度对能耗的影响，试验数据如表1。从试验数据可以看出：皮带最紧和最松相比，上下电流都平均上升3 A，平均有功功率上升了0.94 k W，从最松到最紧电机顶丝每上紧1圈，有功功率会增加0.13 k W，可看出日耗电增加。对不同型号的皮带，随着长度的增加，皮带从最紧到最松有功差值为增加，并得出抽油井皮带的最佳运行状态：比电机顶丝最松状态时的电机顶丝拧紧近3圈左右，既可防止皮带过紧对皮带磨损和电机轴承的磨损，又可达到节能目的。

表1 皮带松紧度对能耗的影响

2.1.3 减速箱的影响

减速箱里一般有3对人字齿轮和3副轴承，齿轮转动时，相啮合的齿面间由于相对滑动而产生摩擦损失，同时，轴承也产生摩擦损失。1对齿轮传动效率损失约为2%，3对齿轮共损失约为6%；1副轴承传动损失约为1%，3副轴承共损失约为3%；减速箱总的传动损失约为9%～10%，在润滑保养良好的情况下，总传动效率约为90%。影响减速箱效率的主要因素是齿轮和轴承的润滑度，一般出问题少，对系统效率影响较小。

2.1.4 四连杆机构的影响

在四连杆机构中［19］，共有3副轴承和1根钢丝绳，四连杆机构的效率与轴承摩擦损失及驴头钢丝绳在往复运动过程中的变形损失有关。在润滑保养良好的情况下，其损失约为5%，传动效率约为95%。影响四连杆机构效率的主要因素是轴承润滑情况和钢丝绳的变形程度。

抽油机地面部分效率约为77%，在地面部分，由于减速箱出问题少，所以影响较小。除减速器外，对系统效率影响最大的是电机，其次是四连杆机构，最后为皮带。

2.2 井下影响因素

2.2.1 盘根盒的影响

光杆与盘根盒的摩擦产生阻力，阻力大小直接影响功率损失。材质及压紧程度不同使产生的阻力也有较大变化。理想情况下，传动效率可达98%～99%。石墨盘根盒价格较高，所以很少使用，目前大部分使用橡胶填料的盘根盒。盘根盒松紧度和驴头井口的对中程度是影响盘根盒效率的主要因素。盘根盒过紧和井口偏磨会使悬点载荷增加，光杆与盘根盒的摩擦阻力增大，耗电增加，效率降低。

为得到不同压紧状态下盘根的数据，采用专用力矩扳手进行试验，数据如表2。从测试数据可以看出：随着力矩增加，悬点最大载荷增加；力矩每增加10 N·m，悬点最大载荷平均增加1 k N，有功功率平均增加0.23 k W；盘根在旋紧过程中，有功功率逐渐增加，耗电量也逐渐增加，系统效率逐渐降低1%～3%。因此，盘根的松紧度对系统效率的提高具有重要意义。

表2 使用力矩扳手对盘根松紧测试数据

2.2.2 抽油杆和油管柱的功率损失影响

在理想情况下，管杆柱部分的效率［20］可达91.6%。抽油杆重力增加使抽油杆运行负荷增大，能量损失增加。杆柱的运动能耗与杆柱的设计有关。

为得到抽油杆尺寸对能耗的影响，在泵径为ø38 mm、举升高度为1 829 m、产量79.5 m3／d条件下，采用4种杆柱组合，得到能耗随着冲程增加的数据，如表3。

由表3数据可得：较重的抽油杆柱能耗较低，ø25 mm×ø22 mm×ø19 mm×ø16 mm和ø25 mm× ø22 mm×ø19 mm杆柱的能耗高，相应的耗电费用也高。但随着冲程的增加，4种杆柱的能耗均下降。对于某一特定的杆柱组合存在一个最小冲程使能耗较低。除ø22 mm×ø19 mm×ø16 mm外，其余3种杆柱组合在冲程增加到4 m时，电费降低明显，之后平缓。因此，冲程需要保持合理的值才可以明显降耗。

表3 冲程与年耗电费的关系

2.2.3 深井泵

深井泵效率主要受3方面因素的影响：管杆柱的弹性伸影响、气体或充满度的影响和漏失的影响。其中，泵的充满度与生产参数（冲次、冲程、泵径、泵深）有关。深井泵效率［20］可达85.2%～88.4%。井下部分的效率约为76%～80%。在井下部分，对系统效率影响最大的是生产参数，其次为杆柱组合情况，最后为盘根盒的影响。

2.2.3.1 冲次的影响

冲次对抽油泵效起决定作用，冲次、动载荷、摩擦载荷增加，系统效率下降。

选抽油机型号、泵径、冲程和泵挂相同，产液量接近，不同冲次的油井进行测试，数据如表4，从数据可看出：冲次越低，系统效率越高。

表4 冲次与系统效率的关系

2.2.3.2 冲程的影响

冲程对泵效的影响也很大。当冲程增加后，可减少气体的不良影响；对于已磨损的泵，还可减少液体的漏失量，从而提高抽油效率。选抽油机型号和产液量相同，泵径均为ø32 mm、冲次均为5.5 min－1，泵挂接近，冲程不同的油井进行统计分析，如表5。

表5 冲程与系统效率和耗电量的关系

由表5可看出：冲程越大，系统效率越高，当冲程从1.8 m上升到3.0 m时，系统效率提高1.2%，日耗电下降14.4 k W·h。

无论哪一种杆柱，随着冲程增加，冲次下降，其耗能下降，系统效率越高。

2.2.3.3 泵径的影响

当冲程和冲次相同时，泵径越大，排量越大。但大直径泵的使用，受到套管尺寸和抽油杆强度限制。

吴雪琴对沙南油田沙丘3油藏进行了现场测试［21］，根据测试数据作泵径与系统效率的关系曲线，如图2。

图2 泵径与系统效率的关系曲线

由图2可得出：在泵径为ø55 mm左右时系统效率最大。泵径为ø70 mm和ø83 mm的系统效率相对于ø38 mm和ø44 mm的高，因为大直径的泵可在较低的抽汲速度下产出所要求的产液量，使水力损失和摩擦损失减小，提高系统效率。因此，存在某一较大泵径使系统效率达到最大值。较大泵径配以合理的最小冲程，可使能耗最小，提高系统效率。

2.2.3.4 泵深的影响

沉没度过低时会导致抽油泵供液不足、结蜡严重、采出液黏度上升、抽油杆下行阻力增大、抽油杆因弯曲而产生偏磨［22-23］。沉没度过大会使悬点载荷增加，能耗增大，系统效率降低。因此，对沉没度不合理的油井采取上提泵挂的措施，既节省了大量的管杆材料，还可以治理偏磨。调整泵深测试数据对比如表6。

表6 泵深调整测试数据对比

由表6可看出：泵挂上提100 m后，产液量增加1 t，悬点最大载荷下降3.5 k N，有效功率增加0.18 k W，系统效率增加3%，日耗电量下降9 k W·h。因此，在保证油井供液的前提下使沉没度最小，系统效率较高。

通过大量的现场数据总结发现：一般含水率在90%以上的井，合理的沉没度应在200～250 m；含水率低于80%的井，合理的沉没度应在350～400 m；稠油井合理的沉没度为400～500 m。

3 结论

1） 影响抽油机系统效率的因素主要有电机负载率、抽油机平衡率、皮带松紧度、盘根的松紧度、抽油杆柱组合情况、冲次、冲程、泵径、泵深9个。其中：生产参数（冲次、冲程、泵径、泵深）影响最大；其次为杆柱组合情况、电机影响；最后为四连杆机构、带和盘根盒的影响。

2） 要提高系统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电机、抽油机及传动部分的效率；提高井下效率主要是通过优化生产参数和杆柱组合情况来实现。同时还应做好清蜡，润滑、保养、维护等日常管理工作。

3） 通过对电机功率的匹配进行分析，确定了电机运行负载率，为生产中对负载率低的电机进行“大调小”提供了依据。

4） 抽油机平衡度在80%～100%时最节能，当超出此范围，能耗将增加。

5） 对于同型号的皮带，皮带越紧越耗电；对于不同型号的皮带，皮带越长越耗电。盘根越紧越耗电，系统效率越低。

6） 无论哪一种杆柱，随着冲程的增加，冲次下降，其耗能下降。对于某一特定的杆柱组合有一最小冲程能使其能耗较低。较大的泵径配以合理的最小冲程，可使能耗最小。

［1］ Dominique Chauvin，Total.Saving Energy in the Oil and Gas Industry［G］.SPE，111937-MS，2008.

［2］ 韩二涛，黄伟，甘庆明，等.低渗透油田抽油机井系统效率及评价指标［J］.石油矿场机械，2012，41（8）.69-72.

［3］ 崔振华，余国安，安锦高，等.有杆抽油系统［M］.北京：石油工业出版社，1994.

［4］ 范春宇，李新华，胡辰，等.胜利油田有杆泵采油系统地面部分现状分析［J］.石油机械，2001，29（3）：49-51.

［5］ 王恒涛.抽油机井系统效率分析与对策［J］.石油技术，2013，14：49-51.

［6］ 卜红杰，王文秀，秦晓冬.提高抽油机井系统效率的理论分析与对策措施［J］.石油石化节能，2010（2）：1-5.

［7］ 付协更.油井机采系统效率影响因素分析与对策探析［J］.中国科技博览，2013（8）：32.

［8］ 李杰传.提高机采井系统效率的理论研究与管理方法［J］.内蒙古石油化工，2005（12）：108-109.

［9］ 刘波，尹俊禄，陈沥，等.影响抽油机采井系统效率因素分析及对策［J］.技术应用，2013（1）：19-23.

［10］ 张琪.采油工程原理与设计［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［11］ 邬亦炯，刘卓钧，赵贵祥，等.有杆抽油设备与技术——抽油杆［M］.北京：石油工业出版社，1994.

［12］ 陈宪侃，叶利平，谷玉洪.抽油机采油技术［M］.北京：高等教育出版社，1957.

［13］ 姜士湖，闫相祯.考虑液体惯性的游梁式抽油机悬点载荷计算［J］.断块油气田，2003，31（11）：21-23.

［14］ 赵玉珍，年喜.提高机采井系统效率的途径和方法［J］.重庆科技学院学报：自然科学报，2010，12（3）：70-72.

［15］ 赵霜霜.抽油机井提高系统效率简析［J］.中国石油和化工标准与质量，2013（6）：51.

［16］ 陈宪侃，陈万薇，孙建华.游梁式抽油机与直线电机抽油机［J］.石油钻采工艺，2003，25（1）：67-70.

［17］ 郜云飞，吴晓东，金潮苏.游梁式抽油机皮带传动效率分析［J］.石油钻探技术，2012，30（6）：45-47.

［18］ 陆东庆，陈蓉芳，杨锦华，等.抽油机盘根和皮带的松紧度对能耗的影响［J］.科技视界，2013（7）：143.

［19］ 姜民政，董康兴，孙振旭，等.抽油机系统地面装置效率试验研究［J］.石油矿场机械，2011，40（4）：54-56.

［20］ 陈兴元.提高有杆泵采油系统效率方法的探讨［J］.节能，2005（3）：12-14.

［21］ 吴雪琴.有杆抽油系统能耗与节能技术研究［D］.荆州：长江大学，2012.

［22］ 师伟华.抽油杆断裂原因及预防措施［J］.国外油田工程，2002，18（10）：29-30.

［23］ 魏纳，李悦钦，王连敏，等.套管采油井杆管偏磨机理研究［J］.石油矿场机械，2007，36（9）：17-20.

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

黑龙江省教育厅攻关项目（No.12531071）

阮晶琦（1972-），女，黑龙江大庆人，讲师，硕士，主要从事石油矿场机械设计和石油生产节能技术研究，E-mail：ruanjingq＠163.com。