有杆抽油系统能耗问题的思考与优化设计

有杆抽油系统能耗问题的思考与优化设计

一、有杆抽油系统应用现状

目前,有杆抽油系统能耗严重,效率普遍偏低,而且有杆抽油在机械采油中又占有很大比例。全面系统地分析影响有杆抽油系统效率的因素及能量在传递过程中消耗的原因,开展提高抽油系统效率研究,已成为降低石油开采成本,实现高效经济采油的重点研究课题之一。

有杆泵抽油系统由抽油机、抽油泵和抽油杆三大部分组成。

有杆泵抽抽是我国主要的机械采油方式，抽油机井数量多、耗电量大，因此提高抽油机并的系统效率，降低其能耗，对抽油机井节能具有重要意义。作为低压油藏中有效的人工举升方式，有杆泵抽油已经得到了广泛应用，其中最常用的是游梁式有杆抽油系统，这种系统结构简单、耐用且经济。游梁式抽油机－深井泵抽油装置：用油管把深井泵下入到井内液面以下，在泵筒下部装有只能向上打开的吸入阀，用抽油杆把柱塞下入泵筒内，柱塞上装有只能向上打开的排出阀，通过抽油杆柱把抽油机驴头悬点产生的上下往复运动传递给抽油泵向上抽油。然而研究表明，有杆抽油系统的效率只有50%左右（即如果原动力是电动机，则只有50%的电能被转化为水力功率），通过精心设计和革新, 其效率还能大大提高。有杆抽油系统存在“反传”现象，即下冲程中抽油机反而带着电动机运转，从而造成功率的浪费。抽油机井的系统运行效率一直处于比较低的水平，这使得生产能耗大，采油可变成本高。

有杆泵往复抽汲方式具有设备装置简单、操作方便、综合成本低

的特点。我国约有90%的油井、全世界约有80%的油井采用这种方式进行生产。但是,在采用有杆泵抽油方式的油井中，其机械采油系统的效率一般较低,而机械采油能耗费用在采油变动成本中所占比例最大，现已达到12%以上。在国内抽油机井整个系统工作过程中，70%以上的能耗作了无用功,造成了大量的能源浪费，同时加剧了机械损耗。抽油机载荷变化、泵效偏低、油井供液不足、抽油机机械性能变差以及抽油机不平衡等都是影响系统效率的主要因素。

抽油机系统工作时，是一个能量不断传递和转化的过程，而能量的每次传递都有一定的损失。由地面供入系统的能量减去系统的各种损失，就是系统供给液体的有效能量 ,将液体举升至地面的有效作功能量与系统输入能量的比值即为抽油机系统效率。在实际开采作业过程中，抽油机受油井的井深、油质、杂质、含沙量、含水量等诸多客观因素的影响，须调整作业冲次、冲程，甚至更换电机、改变电机的功率；同时，由于油田所处地理位置、纬度的不同，以及所处地区的气候等自然因素，也会对开采作业产生影响，要求抽油机根据实际工况进行相应的速度调整。

有杆泵抽油系统能耗问题日趋严重，直接影响原油的开采成本。深入开展提高有杆泵抽油系统效率的技术研究，对提高油田的采油工程技术水平和经济效益具有重要意义。因此,有必要开展油田有杆泵采油系统优化设计分析方法的研究,以满足油田生产的需要。

二、有杆系统优化设计方法。

1、有杆泵抽油系统设计是依据：基础数据(井深、地层压力、油

藏温度、饱和压力、套管内径、油管内径、油管外径、地面原油相对密度、地面产出水相对密度、标况下天然气相对密度)、生产动态数据(体积含水、井底流压、产油量)和设计数据(体积含水、产油量、生产气油比、油压、套压)，计算各种载荷，确定系统中机械设备的型号和规格，确定泵效最大的机杆泵及其工作参数，通过进一步完善确定机杆泵及其工作参数，使抽油系统的效率达到最大值。 2设计步骤

2.1根据给定的地层压力、饱和压力以及生产动态数据用综合IPR 曲线计算采液指数 因为：

22

3(1){()[10.2()0.8()]}()

1.812 6.26 6.26(120%){(1712)[10.2()0.8()]}20%(17 6.26)1.81212

9.764(/)

wf wf l b t w l r b w l r wf b b

l l l l p p J p Q f J p p f J p p p p J J J J m d =--+--+-=--+--+?-=

(1) 又因为：

0.856(1)0.856(10.2)0.6856(/)

o w t t t W f Q Q Q t d =-=-==

(2)

联立（1）（2）得采液指数：

36

0.897/()9.7649.7640.6859.7640.685

t o l Q W J m d Mpa =

===?? 2.2由设计基础数据计算井底流压并绘制含水25%时IPR 曲线 因为：

3()0.897(1712)4.485(/)

b l r b Q J p p m d =-=?-=

（3） 又因为：

0max 31.8

() 1.8

0.897120.897(1712) 1.8

10.465(/)

l b b l b l r b J p Q Q J q J p p m d =+

=-+

?=?-+=

（5）

由此绘制含水率25%时的IPR 曲线：

（1） 当0t b Q Q <<

170.897

t

wf r l t Q p p J Q =-

=-

（2） 当max b t Q Q Q <<

()()

(1)()0.125(1)[10.25(17)0.125(10.25)12[10.897wf wf wf oil wf wf water t w r w b l t p f p f p Q f p f p J Q =-+=-

+--=?-

+?-??-+

（3） 当max max o t t Q Q Q <<

max max ()(89)()(10.94)(80.259)

10.940.25(17)0.8970.897

o t o w wf w r l l t Q Q Q f p f p J J Q --=-

+-?-=-

+

利用编写程序求出 t wf Q p 关系填入下表-1：

表-1

得含水25%时IPR 的曲线如图-1：

图-1 2.3由井底流压估算动液面

而因为：

304

6.231/0.856(1)0.856t w W Q m d f =

==-?(1-0.25)

（4）

显然由（3）(4)（5）得：

0max b t Q Q Q <<

所以求井底流压wf p 应按流压加权平均进行推导，并求的体积含水 25%，产油量 4t/d 时的井底流压为：

()()

(1)()0.125(1)[16.2310.25(17)0.125(10.25)12[10.8979.930wf wf wf oil wf wf water t w r w b l p f p f p Q f p f p J Mpa

=-+=-

+--+=?-+?-??-+=

井筒中混合物密度：

2

(1)0.251(10.25)0.8560.892/ml w w w o

f f

g cm ρρρ=?+-=?+-?= 动液面深度为：

6

6()

10(9.930.2)

2146108929.81

1034wf c f ml p p L D g

m

ρ-=-

?-=-??=

2.4做充满程度与沉没度关系曲线，假设下泵深度 （摘自《采油工程手册上》P448） 充满系数η与沉没度的关系式：

9.81(1)(1)

0.25()1

i go i i K p F R p p δηα++=-++

（1） 其中：

η——充满系数，小数；

K ——弹性变形影响，小数；

δ——余隙体积分数，用小数表示；

α——天然气溶解系数，33/()m m Mpa ；

i p ——沉没压力（即吸入口压力）

，Mpa ； go R ——生产汽油比，33/m m ；

0.25F

——天然气进泵系数；

在这里：

p p c

c t

A A F A A A =

+

-；

p A ——泵径面积，2mm ； c A ——套管内径面积，2mm ； t A ——油管外圆面积，2mm ；

由已知数据可得：

2

215393.8()4

c c

d A mm π=

=；

2

24185.4()4

t t d A mm π=

=；

假定初选泵径43mm Φ=,则：

2

21452.2()4

p

p d A mm π=

=；

所以：

1452.21452.2

15393.815393.84185.40.224

p p c

c t

A A F A A A =

+

-=

+-= （2）

由井底流压与沉没度的关系得：含水井正常抽油时，泵吸入

口以上的油套环形空间流体不会发生流动。因此，油水由于密度差而发生重力分异，使泵吸入口以上的环形空间的液柱中不含水，而在吸入口以下为油水混合物。故正常抽吸时油水界面稳定在泵的吸入口处，此时，流动压力可近似的表示为：

()6

10f ml s o c p H L g h g p ρρ??=-+?+?

? 式中：f p ——流压，Mpa

H

——油层中部深度，m ；

L ——泵挂深度，m ；

s h ——沉没度，m ；

g ——重力加速度，2/m s ；

ml ρ——井内液气混合物平均密度，3/kg m ；

o ρ —— 吸入口以上环形空间油柱平均密度，3/kg m ；

c p ——套压，MPa ；

如图所示，将f p 等效到泵口吸入压力时：

6

10f s o c p h g p ρ-=?+

（3）

取δ（余隙体积百分数）为0.1； 考虑弹性变形影响0.1K =； 生产汽油比为：

870.85674.47go R =?=;

溶解汽油比为：

()7.6988 1.41012.0485.615

g

A

s R p ρ??=+????

（4）

式中： 0.01250.00091A θ=Ω-

p ——油藏压力，Mpa ；

g ρ——天然气的相对密度；

0ρ——原油的相对密度；

0.01250.00091A θ=Ω-；

θ——华式温度（F ），1.8(273.15)21.87032158T θ=

-+=?+=

；

Ω——原油的API 度，141.5

141.5

131131.533.80.856

o

ρΩ=

-=

-=； α——天然气溶解系数，33/()m m Mpa ，s

R p

α=

； （5）

联立（1）（2）（3）（4）（5）代入数据计算得：

0.7g ρ=

0.000911580.012533.80.28A =?-?=-

()()0.287.6988 1.41012.0485.615

0.77.9688 1.41012.0485.615

6.28 1.10

g

A

s R p p p ρ-??=+??????=

+????=+ 6.28s

R p

α=

= 9.81(1)(1)0.25()1

9.810.1(0.009810.8560.21)(10.1)

0.250.224(74.47 6.28(0.8560.009810.2))0.009810.8560.219.0612955.435200

i go i i s s s s s K p F R p p h h h h h δηα++=

-++????++?+=??-???++??+++=

+

利用编写程序求出 s h η 关系填入下表-2： 表-2

得充满度与沉没度关系曲线如图-2

图-2

选择下泵深度为800s h m =，其泵的充满系数为0.88η=。

由()6

lg 10f s o c P H L g h g P ρρ-??=-??+???+??

得下泵深度为： ()61101805f c o s g P P g h L H m g

ρρ??

-?-????=-=?

所以动液面深度为：

180********f s

L L h m

=-=-= 2.5根据产量和下泵深度确定抽油机型号和泵径 采油工程手册（上册）（P449）图5-67 设计排量为123(/)m d

根据确定的产量和下泵深度L ，用图-3初选泵径和抽油机型号。

图-3 基本型油梁式抽油机选择图

在图-3中，从横坐标1805处向上引垂线，再从纵坐标12处向右引水平线，从两线的交点a所在的区域找出抽油机的型号为：

CYJ7-2.1-26，对应的泵径为：28mm。

图-4 油梁式抽油机----抽油装置所用抽油杆和油管尺寸查用表根据选择的抽油机型号和泵径，结合图-4可知：抽油杆组合为??，油管尺寸为73mm。

221916

2.6确定抽汲参数

在我国油田上，一般抽油设备都采用正常抽汲方式。所谓正常抽汲方式，就是当获得所需排量时，采用最大的冲程长度（对该型抽油机而言）和最小泵径，而冲程次数可采用额定值或稍小的数值。在这里

7 2.126

--抽油机参数从表-3查的。

CYJ F

表-3 （选自《采油机械的设计与计算》P47）

从交点a 向上延长做横坐标轴的垂线，和最大排量曲线交于b 点，从b 点向左作水平线与纵坐标轴交于一点，该点数值为312.0/m d ，即为抽油机CYJ7-2.1-26在最大冲程（max 2.1s m =）和最大冲数（1max 12min n -=）时泵抽汲的排量。 根据比值关系：

max max 6.2312.0

s n s n ?=

? 当max s s =时，上式化简为：

max

6.23

12.0

n n =

或 6.231212.0n = 解得：16.23min n -=，取16.2min n -= 所求得的正常抽汲方式的工作参数为：

28p D mm =； 2.1s m =；16.2min n -=

且有：2

0.0450.2251790

F s n a ?==≤ 因此，冲数的选择满足要求。

2.7抽油杆柱设计（采用等强度综合设计方法） 2.7.1抽油杆柱强度级别的选择

表-4 强度级别和对应的抗拉强度对照表（选自《采油工程课程设计

指导》P20）

在轻载荷或中载荷有轻微盐水腐蚀的油井中，选择C 级抽油杆； 在中载荷有腐蚀介质CO2、H2S 的油井中，选择K 级抽油杆； 在重载荷有轻微盐水腐蚀的油井中，选择D 级抽油杆。 2.2.7.2抽油杆柱下部加重杆设计计算 (1)初定油管柱和抽油杆柱组合型式及SF 值

表-5 抽油杆最大下泵深度推荐值（C 级）2

80N

mm =时）

（选自《采油技术手册》P268）

根据CYJ7-2.1-26和泵径28mm ，由表-4知抽油杆尺寸为

17/83/4(0.200.230.57)????，三级抽油杆和油管尺寸为1

22

，并选择抽

油杆：喷丸处理碳钢抽油杆（C 级）2

80N

mm =）。

SF 为使用系数，考虑到流体腐蚀等因素而附加的系数（小于或等于1.0）。

(2)计算加重杆长度 A ．泵筒与柱塞间的摩擦力：

0.94(/)1400.94(0.028/0.053)140356.6M P P D N δ=?-=?-=

表-6 标准抽油泵的柱塞-衬套副配合间隙等级表（选自《采油机械

设计计算》P91）

计算时取三个配合间隙等级的平均间隙值，即取间隙的平均值0.053。 B ．计算液体通过排出阀的水力阻力所产生的对柱塞底部的向上推力 计算雷诺数：

2

24

52.63/()

1

52.63 6.2 2.18920.028/(0.0285)3

10269310e L p o c R ns D d ρμ=?=??????=

因为当4310e R ≤?时，0.28μ=；

当4310e R >?时，0.37ln 1.38e R μ=-- 所以，取0.28μ=。

计算液体通过排出阀的水力阻力所产生的对柱塞底部的向上推力：

2

242(/4)0.028 6.154104

P p A D m π

π-==

?=?

22521

(/4)(0.028) 6.841043

o o A d m π

π-==

??=? 取k n =2，则

3

222

43542252(1/)1.5(/)729(6.15410)(1 6.8410/6.1510)1.52(2.1/6.2)8927290.28(6.8410)0.298p o p k L L

o

A A A n p s n A N

ρμ----+=?+???=????= C ．作用于抽油杆柱底部液体的上浮力

20.0190518058929.84501.854

f rl p L p A L

g N π

ρ==????=

D ．下冲程时抽油杆柱底部所受的总下行阻力

356.64501.850.2984858.75W M f L p p p p N =++=++=

E ．需配加重杆长度

24858.75

1250.025*******.8

4

W W W L p L m A g

π

ρ=

=

=???

2.7.3加重杆上部抽油杆柱组合设计计算 (1)计算各级抽油杆柱长度

根据选定的抽油杆柱型式和各级抽油杆柱所占的比例，计算各级抽油杆柱长度i L :

第一段：118050.571028.85L m =?= 第二段：18050.23415.15L m =?=

第三段：318050.2125236L m =?-= 加重段：4125L m =

(2) 抽油杆柱按长度的加权平均截面积

12

2

2

2

42

/()1028.85

415.15

236

125

1805/(

)0.02540.022250.019050.02544

4

4

4

4.3310M

i W

r p i rl W L L A L A A m ππ

π

π

=-=+=+

+

+

????=?∑

(3) 油管柱金属部分按长度的加权平均截面积

2221/1805/[(0.0730.062)]0.0010294

Z

j l p j rj L A L m A π

===?-=∑

(4) 抽油杆柱在液体中的重力

表-7

1

()

7850892

(1028.85 3.59.8415.15 2.689.8236 1.949.84859.2)785049228.15M

r L r i i W i r W L q P N ρρρ=-=+-=

??+??+??+=∑ (5) 作用在抽油泵柱塞上的液体载荷

'44()(6.15410 4.3310)18058929.812880.95L p r p L W A A L g

N

ρ--=-=?-????= (6) 抽油机从上冲程开始到液柱载荷加载完毕时(初变形期)悬点位

移

油管锚定时：'1114

2880.951805

0.05722.110 4.3310

L p r

W L EA λ-?==

=??? 油管未锚定时：

'21144112880.95180511()()0.08132.110 4.3310 4.33100.001029

L p r r L W L EA A A λ--?=+=?+=????

因为

2120.08130.0572

10029.60.0813

o o o o λλλ--=?= 所以此油管不需要锚定， 120.0813λλλ===。

(7) 抽油机从上冲程开始到液柱载荷加载完毕时（初变形期）曲柄转角

11cos (12/)cos (120.0813/2.1)0.396S rad λαλ--=-=-?= (8)变形分布系数 油管未锚定时： 40.001029

0.7044.33100.001029

l r l A A A ψ-=

==+?+ (9)计算悬点最大，最小载荷

''max 114[sin()(1)sin ]60302.110 4.3310 3.14 2.1 6.2

49228.152880.95496860

3.14 6.21805

[sin(0.396)(10.704)sin 0.396]

304968

52.22p r r L nL EA Sn

P W W kN

λππαψααα

-=++

+--?????=++???+--?= 'min

114[sin()(1)sin ]

60302.110 4.3310 3.14 2.1 6.2

49228.150.85496860

3.14 6.21805

[sin(0.396)(10.704)sin 0.396]

304968

49.116p r r

nL EA Sn

P W C kN

λππαψααα

-=-+--?????=-????+--?=