潛油電泵井效率計算與分析

王道軍盧曉云

（1.大慶油田力神泵業(yè)有限公司技術(shù)研發(fā)中心；2.大慶油田裝備制造集團(tuán)抽油機(jī)分公司研究所）

潛油電泵井效率計算與分析

王道軍1盧曉云2

（1.大慶油田力神泵業(yè)有限公司技術(shù)研發(fā)中心；2.大慶油田裝備制造集團(tuán)抽油機(jī)分公司研究所）

潛油電泵在油田開發(fā)的各種機(jī)械采油設(shè)備中占有相當(dāng)大的比例，但是在選井、選泵上依然存在一些問題，經(jīng)常出現(xiàn)泵工作時偏離高效區(qū)、不能在理想工況點下運行的情況，導(dǎo)致整套機(jī)組的系統(tǒng)效率低、能耗大。以潛油電泵井系統(tǒng)效率計算和測試試驗為基礎(chǔ)，分析了影響機(jī)組系統(tǒng)效率的各種因素，分析表明系統(tǒng)效率高低取決于潛油電泵設(shè)備各部件損耗和運行參數(shù)的設(shè)置，以及管理水平和油井狀況；提出了通過提升潛油電泵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能、優(yōu)化油井和參數(shù)設(shè)計、加強(qiáng)日常管理等措施來提高潛油電泵井的系統(tǒng)效率，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

潛油電泵效率計算分析節(jié)能

當(dāng)油田投入開發(fā)以后，隨著不斷開采，地下情況處于運動和變化之中，這些變化又通過生產(chǎn)井的油、氣、水產(chǎn)量和壓力的變化反映出來。當(dāng)油井使用潛油電泵采油時，及時掌握和分析潛油電泵井的變化規(guī)律，研究油、氣、水在油層中的運動規(guī)律和分布情況，了解油層生產(chǎn)能力的變化與注水強(qiáng)度及壓力的變化關(guān)系，對于保持油井穩(wěn)產(chǎn)是很重要的。通過對大量潛油電泵井的各種變化進(jìn)行綜合分析，為油田大批量使用潛油電泵采油提供準(zhǔn)確的資料和依據(jù)[1]。

1 潛油電泵的工作原理及系統(tǒng)效率

潛油電泵以電能為動力源，電網(wǎng)電壓首先經(jīng)過降壓變壓器改變電壓后，輸入到變頻器中，經(jīng)過變頻器變換至所需的電源頻率后，輸入到升壓變壓器，將電壓提升到電動機(jī)所需電壓，通過潛油電纜將電能傳輸給潛油電動機(jī)，潛油電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動潛油泵高速旋轉(zhuǎn)；潛油泵中的每級葉輪、導(dǎo)殼使井液壓力逐步提高，在潛油泵出口處達(dá)到潛油泵要求的舉升揚程，井液通過油管被舉升至地面，再通過地面管線傳輸至地面集輸系統(tǒng)。

應(yīng)用潛油電泵采油的目的是將電能從地面?zhèn)鬟f給井下液體，從而將液體舉升到井口。整個采油系統(tǒng)工作時，就是一個能量不斷傳遞和轉(zhuǎn)化的過程。能量的每一次傳遞和轉(zhuǎn)化，都將有一定的損失。從地面輸入系統(tǒng)的能量扣除系統(tǒng)的各種損失，就是系統(tǒng)所給液體的有效能量，該有效能量與系統(tǒng)輸入能量之比稱為機(jī)械采油系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。對潛油電泵井系統(tǒng)效率進(jìn)行詳細(xì)的計算和分析，以便進(jìn)一步提高其系統(tǒng)效率[2-3]。

2 系統(tǒng)效率計算與測試

2.1測試參數(shù)與計算公式[4-6]

潛油電泵的輸出功率（有效功率）P9等于潛油電泵的輸入功率P1與各部分功率損耗ΔPi之差，即

變壓器功率損耗ΔP1：用標(biāo)準(zhǔn)電度表測取變壓器輸入功率P1，用功率表測取輸出功率P2便可得到變壓器的功率損耗ΔP1。

用電度表測量時，其輸入功率為

式中：n為電度表所轉(zhuǎn)圈數(shù)；Kc為電流互感器變比；Kv為電壓互感器變比；C為電度表常數(shù)；t為轉(zhuǎn)n圈所用時間。

用功率表測量輸出功率為

式中：n1為功率表1的顯示格數(shù)；n2為功率表2的顯示格數(shù)；f為單位格數(shù)的功率，kW。

變壓器的功率損耗為

變壓器的效率為

控制柜功率損耗ΔP2：變壓器的輸出功率為控制柜的輸入功率，用功率表測出其輸出功率P3，則控制柜的功率損耗為

其效率為

電纜功率損耗ΔP3：電纜功率損耗可用間接方法測試，用萬用表測量電阻，由下式求得：

式中：I為電纜工作電流，A；R為電纜電阻，Ω。

控制柜輸出功率P4為電纜輸入功率減去電纜功率損耗，即

則效率為

電動機(jī)和保護(hù)器功率損耗ΔP4+5：電纜輸出功率為電動機(jī)輸入功率，由于結(jié)構(gòu)原因只能將電動機(jī)和保護(hù)器一起測量，其功率損耗可由下式求得：

式中：ΔP6為分離器功率損耗；ΔP7為潛油泵功率損耗；P9為系統(tǒng)有效功率。ΔP6、ΔP7和P9的單位均為kW。

其效率為

分離器和潛油泵功率損耗ΔP6+7：用水泵效率測試儀器測取潛油泵的效率η6+7，則分離器和潛油泵的功率損耗為

其中P9可由下式求得：

式中：Q為油井產(chǎn)液量，m3s；H為油井總動壓頭，m；ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，g＝9.8m s2。

2.2系統(tǒng)效率測試

潛油電泵系統(tǒng)效率測試分室內(nèi)分解測試和生產(chǎn)井系統(tǒng)效率測試兩部分。這樣做基于兩點考慮：現(xiàn)有條件下生產(chǎn)井只能測得輸入功率、動液面深度、日產(chǎn)液量、油壓及套壓，有些部件無法進(jìn)行分解測試；室內(nèi)分解測試又異于生產(chǎn)井實際工況條件，分解測試試驗介質(zhì)為水，不存在氣體和黏度的影響，且下泵深度較淺；因而需要對試驗井和生產(chǎn)井分別測試并綜合考慮。

根據(jù)潛油電泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，測試中將系統(tǒng)分解為5個部分，測試不同工況下各個部分的能量損耗，測試部位的儀器儀表連接如圖1所示[7]。潛油電泵系統(tǒng)效率測試選用的儀器儀表見表1。

潛油電泵井系統(tǒng)總效率：

圖1 潛油電泵系統(tǒng)效率測試儀器儀表連接示意圖

表1 測試儀器儀表明細(xì)

3 系統(tǒng)效率分析

影響潛油電泵采油系統(tǒng)效率的因素較多，它不僅受潛油電泵設(shè)備各部件損耗和運行參數(shù)的影響，而且受管理水平和井況的影響。

3.1各部件損耗對系統(tǒng)效率的影響[8-10]

根據(jù)潛油電泵系統(tǒng)的組成情況，可以把潛油電泵系統(tǒng)的功率損失分為7個部分，即變壓器損失ΔP1、控制柜損失ΔP2、電纜損失ΔP3、電動機(jī)損失ΔP4、保護(hù)器損失ΔP5、分離器損失ΔP6和潛油泵損失ΔP7。

3.1.1變壓器損失ΔP1

變壓器損失分為鐵損和銅損，這兩項損失又都包含基本損失和附加損失。一般情況下，變壓器損失占系統(tǒng)總損失的比例較小。中小型變壓器的效率一般應(yīng)在95%～98%之間。

3.1.2控制柜損失ΔP2

控制柜損失主要是部分電氣元件的發(fā)熱損失、控制變壓器的鐵損和銅損，以及中心控制器的損耗等?？刂乒駬p耗很小，一般不超過1 kW，效率在99%左右。

3.1.3電纜損失ΔP3

當(dāng)電流和電壓一定時，電纜損失與電纜的截面積和長度有關(guān)。

3.1.4電動機(jī)損失ΔP4

電動機(jī)是電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備，在能量轉(zhuǎn)換過程中必然會有損失。其損失包括定子銅損、轉(zhuǎn)子銅損、主磁通在定子鐵芯中產(chǎn)生的鐵損、軸承摩擦損失和通風(fēng)損失等。

一般來講，電動機(jī)的最大效率在額定功率的70%～100%范圍內(nèi)。額定負(fù)載時，潛油電動機(jī)的效率在75%～94%之間，容量越大，效率越高。

要使?jié)撚碗妱訖C(jī)的效率與功率都在額定負(fù)荷附近達(dá)到最大值，關(guān)鍵在于潛油電泵設(shè)備選擇的準(zhǔn)確性及合理性。

3.1.5保護(hù)器損失ΔP5

保護(hù)器的能量損失主要是機(jī)械摩擦損失，一定型號規(guī)格的保護(hù)器，其損耗基本為一定值。

3.1.6分離器損失ΔP6

分離器損失由水力損失、容積損失和機(jī)械摩擦損失等組成。這部分功率損失占總損失的比例較小，效率一般為95%。

3.1.7潛油泵損失ΔP7

離心泵損失由機(jī)械損失、水力損失和容積損失三部分組成。

機(jī)械損失包括兩部分：泵內(nèi)軸套與軸承、葉輪徑向扶正部位與導(dǎo)殼的機(jī)械摩擦損失，這部分損失與泵的機(jī)械設(shè)計有關(guān)；葉輪在泵內(nèi)液體中高速旋轉(zhuǎn)時，葉輪表面與液體的摩擦阻力損失，這部分損失與葉輪的直徑及表面粗糙度有關(guān)。

水力損失也包括兩部分：流道部分的沿程阻力損失和局部損失，主要與流道部分的結(jié)構(gòu)和流體黏度有關(guān)；液體進(jìn)入葉導(dǎo)輪時的沖擊損失，主要是由液體的水力角和結(jié)構(gòu)不一致所造成的。

容積損失主要由高壓液體通過葉輪與導(dǎo)殼間的間隙形成的環(huán)流所造成。這部分損失將降低泵的理論排量。

3.2技術(shù)管理對系統(tǒng)效率的影響

油井供液能力與潛油電泵的排量、揚程匹配不合理，將導(dǎo)致潛油電泵長期在泵最佳排量范圍外工作，這種現(xiàn)象將會使?jié)撚碗姳迷诘托使r下運行。即使在優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，潛油電泵工作一段時間后，由于各種因素的影響，如油井的地層壓力、產(chǎn)液量、含水率等均會有所變化，也會造成潛油電泵井的工作狀況與原設(shè)計不符。同時，潛油電泵井的人為控制因素較少，泵的特性參數(shù)如排量、揚程等都難以人為改變；潛油電泵的工況點隨地層壓力、產(chǎn)液量等因素的變化而變化，也難以人為調(diào)節(jié)，由此造成了潛油電泵低效率工作狀態(tài)，其能量損失較大。

要改變潛油電泵井的這種低效率工作狀況，應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)管理[11-12]：

1）對于檢泵井及新轉(zhuǎn)抽井，應(yīng)根據(jù)實際情況重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，包括泵的額定排量、揚程、泵掛深度及液面深度、油壓等參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

2）對于正在運行的潛油電泵井，應(yīng)優(yōu)化潛油電泵的運行參數(shù)，以保證潛油電泵機(jī)組始終處于高效區(qū)工作。

3.3運行參數(shù)對系統(tǒng)效率的影響[13]

潛油電泵系統(tǒng)效率的測試結(jié)果和理論研究都表明，潛油電泵井的系統(tǒng)效率與油井的油壓、套壓、產(chǎn)液量、動液面和油氣比等諸多因素有關(guān)，所以，潛油電泵井的系統(tǒng)效率是一個多元函數(shù)，即

式中：η為潛油電泵井的系統(tǒng)效率；Hd為油井動液面；Q為潛油泵排量；po為油壓；pc為套壓。

并且各個影響因素之間也相互影響，相互制約。這些因素的變化都將影響潛油電泵井系統(tǒng)的工作狀況及其系統(tǒng)效率。

在潛油電泵井結(jié)構(gòu)和管路系統(tǒng)一定的情況下，潛油電泵井的系統(tǒng)效率隨泵排量的變化規(guī)律與潛油泵效率隨泵排量的變化規(guī)律而有所不同。根據(jù)表2的測試結(jié)果可以看出，潛油電泵的最高系統(tǒng)效率點偏離泵的最高效率點，并處于額定排量右側(cè)。該井潛油電泵的額定排量（最高效率點）為320m3d，額定揚程為1000 m，下泵深度為1 064.1 m。

表2 潛油電泵井系統(tǒng)效率現(xiàn)場測試結(jié)果

理論上講，潛油電泵的最高效率點應(yīng)在320 m3/d附近，而實測結(jié)果表明，該井潛油電泵系統(tǒng)的最高效率點在376.7 m3/d、有效揚程為763.0 m的工況點上，此工況點的系統(tǒng)效率為39.04%，其他各點均低于此值。從測試結(jié)果也可以看出，在泵最高效率點以右的高效工作區(qū)內(nèi)，隨泵排量的增大，系統(tǒng)效率增大，當(dāng)產(chǎn)量增加超過高效區(qū)以后，隨著產(chǎn)量的增加，系統(tǒng)效率降低。

如表2所示，當(dāng)油壓在1.8 MPa時，系統(tǒng)效率達(dá)到最高點；當(dāng)油壓低于或高于此值時，隨著油壓的下降或上升，系統(tǒng)效率都呈下降趨勢。由此可見，在一定范圍內(nèi)，可以通過改變油壓（調(diào)節(jié)油嘴的大小）使系統(tǒng)效率達(dá)到最高。

4 提高系統(tǒng)效率的措施

提高潛油電泵井系統(tǒng)效率的措施主要包括使用高效泵和節(jié)能元器件，加強(qiáng)科學(xué)管理和優(yōu)化設(shè)計運行參數(shù)等[14-15]。

4.1潛油電泵產(chǎn)品系列化

潛油電泵產(chǎn)品系列化主要包括不同外徑、不同排量、不同揚程，以及適用不同地質(zhì)條件和不同井溫的潛油電泵設(shè)備。使?jié)撚碗姳迷谟吞锏膽?yīng)用具有較強(qiáng)的針對性，根據(jù)油井的實際情況，泵級數(shù)可任意組合，泵規(guī)格齊全，使?jié)撚碗姳迷O(shè)備和油井的實際生產(chǎn)情況相匹配。

4.2潛油電泵井優(yōu)化設(shè)計及參數(shù)優(yōu)選

首先，采用科學(xué)的潛油電泵選擇方法，根據(jù)油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行潛油電泵設(shè)備的選擇配套。其次，在潛油電泵井生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)油井的實際生產(chǎn)情況和地下情況的變化，對潛油電泵井的運行參數(shù)，如運行頻率、油嘴尺寸等進(jìn)行調(diào)整，使?jié)撚碗姳玫倪\行和油井的生產(chǎn)在最佳狀況下進(jìn)行。在控制方面，采用變頻器控制，可適當(dāng)增大泵高效區(qū)的幅寬。對于產(chǎn)能變化比較大的油井，采用變頻調(diào)參對節(jié)能降耗是非常有利的。

當(dāng)然，整套機(jī)組系統(tǒng)效率的高低，不僅取決于某一個參數(shù)，而是機(jī)組電壓、電流、排量、揚程、井液黏度、井底壓力、溫度、含砂量、含氣量、泵掛深度、沉沒度、各部件機(jī)械效率等諸多因素共同作用的結(jié)果。在選井選泵時應(yīng)綜合分析，合理配置各項參數(shù)，才能使系統(tǒng)效率達(dá)到最大。

4.3提升潛油電泵的性能

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，新技術(shù)、新工藝和新材料的應(yīng)用，潛油電泵設(shè)備的性能指標(biāo)將不斷提高。例如，葉導(dǎo)輪的單級揚程和效率進(jìn)一步提高，各種損耗逐步下降；高性能潛油電動機(jī)的研制成功，將會大大提高功率因數(shù)和效率。由于提高了潛油電泵設(shè)備的整體性能，必然會較大幅度地降低整個系統(tǒng)的能耗，從而提高潛油電泵井的系統(tǒng)效率。

4.4加強(qiáng)科學(xué)管理

加強(qiáng)潛油電泵井的科學(xué)管理，不斷提高管理水平，是提高潛油電泵井系統(tǒng)效率的主要措施之一。同時，加強(qiáng)和應(yīng)用潛油電泵采油工藝技術(shù)，最大限度地消除各種因素對潛油電泵工作特性的影響，使?jié)撚碗姳迷O(shè)備在高效率點或最佳排量范圍內(nèi)運行，不但能夠提高潛油電泵井的系統(tǒng)效率，還會延長潛油電泵設(shè)備的運行壽命，同時也提高潛油電泵采油的經(jīng)濟(jì)效益。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2014.010.002

2014-03-24）

王道軍，工程師，2007年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（電氣工程專業(yè)），從事潛油電泵及螺桿泵的地面控制設(shè)備的研究，E-mail：wangdj1@cnpc.com.cn，地址：黑龍江省大慶市薩爾圖區(qū)中興北街58號大慶油田力神泵業(yè)有限公司技術(shù)研發(fā)中心，163311。