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【摘要】抽油机电机启动电流大是电机装机功率比实际运行功率大3～5倍的主要原因。为此开展电机软启动、双功率节能电机和抽油机自动调平衡的技术试验，实现降低抽油机电机装机功率。以辽河油田为例，从地面和地下两方面分析影响抽油机井系统效率的因素，提出技术应用措施。
【关键词】有杆抽油；生产参数优化设计；系统效率；电机功率利用率；试验
引言
有杆泵抽油系统工艺简单、安全可靠，国内油田使用比例达到80%以上。但与其它举升方式相比，系统效率普遍偏低，对于稠油、大斜度定向斜井、低压低产井则更低。游梁抽油机的电动机在变负荷下工作，功率因素低，电机容量得不到充分利用，使电动机有效功率降低。本文通过抽油机节能原理分析，提出提高抽油机井系统效率的技术措施，取得了较好的现场节能效果，为提高抽油机井系统效率提供了参考依据。
1、计算模型的建立
抽油机井系统在一定输入功率下要提高系统效率，必须降低无用功率；在消耗有功功率一定的情况下，要提高系统效率，必须降低系统的输入功率，即通过降低系统能耗来实现。
抽油机系统效率设计主要是依据油井产能进行抽汲参数优选[1]。把有杆泵采油做为一个系统进行优化，综合考虑了13个动静态参数，依据井下产能设计出9个工作参数（抽油机机型、电机机型、泵深、泵径、冲程、冲次、杆柱组合、杆柱钢级、管径），对抽油井系统优化、以及抽油井井筒的杆、管、泵系统的优化，并将抽油机输入功率进行划分，以达到在一定产量情况下系统损失功率最低的效果。
1.1油井供液能力与抽汲参数的函数关系
Q=f（P静，P流，P饱，s，n，H，D）
式中：Q为产液量，t/d ；P静为静压，MPa；P流为流压，MPa；s为冲程，m；n为冲次，次/min；H为泵挂，m；D为抽油泵直径，mm。
1.2抽油机采油系统输入功率的划分
抽油机采油系统输入功率划分为5个部分，即地面损失功率、粘滞损失功率、滑动损失功率、溶解气膨胀功率和有用功率，确定出五种功率与影响因素的函数关系式。
1.3输入功率、抽油机系统效率同各种功率的关系
η= Py/Pr×100%
式中：η为系统效率；Pr为输入功率，其大小为：Pr=Pn+ Pd+Ph+Py-Pp。
2、抽油机节能原理分析
2.1抽油机节能分析
抽油机井采油的原理是将电能从地面传递给井下液体，从而把井下液体举升到井口。抽油系统工作时，就是一个能量不断传递和转化的过程，能量每一次传递和转化都将有一定的损失。从地面供入系统的能量扣除各种损失后，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的比值称为抽油机井系统效率[2]。以光杆悬绳器为界，系统效率分为地面效率和井下效率两部分，提高地面系统效率也就是要提高电机和抽油机效率；提高井下系统效率主要通过优化生产参数来实现。
2.2抽油机负载扭矩
在抽油机启动时，其加速度则更大。悬点载荷作用在曲柄轴上造成负载扭矩。杆柱载荷和液柱载荷造成的扭矩占主要部分。
2.3抽油机平衡分析
调节抽油机的相位角和曲柄平衡半径可以改变曲柄轴平衡扭矩，从而改变曲柄轴净扭矩，达到节能效果。通过平衡调整，平衡度可由原来的50%提高到95%，电机输出功率由原来的10.68kW，降低到10.13kW，节能5.1%。
2.4惯性力对电动机的影响
惯性力扭矩引起曲柄轴输出扭矩波动，导致电动机输出功率波动，从而使电机效率降低；抽油机启抽过程中，其启动扭矩更大（一般为正常3-5倍）。异步电动机的额定效率ηN约为75%～92%。在额定功率的75%左右时效率最高。
3、现场试验与效果分析
为了分析和评价抽油机系统效率优化设计理论对油井的适用性，采取了如下办法：先实测出正在生产油井中每口井的实际输入功率，然后再将实际工作参数输入优化设计软件系统，计算出每口井的输入功率，观察实际值与计算值之间的偏差，计算出相对误差。
根据优化设计结果，编制了现场施工方案，先导试验现场实施60口井。重点做了以下几方面工作：
（1）根据优化设计结果编制了60口井的现场施工方案。严格杆、管的匹配，强化了优化设计井的现场跟踪，确保作业单位严格按方案设计要求的杆、管、泵的规格和数量进行施工。
（2）进行了电机改造。根据方案设计要求，将现用的37kW和45kW电机进行改造，改造成为17kW和20kW电机，共改造电机60台。并利用变频器实施软启动，变频控制器作用。同时，实施常规游梁抽油机自动调平衡改造，同型号抽油机电机功率为15kW，实现电机功率进一步降低[3]。
（3）更换电机皮带轮。根据不同油井方案设计中要求的冲次数的不同，采取了小冲次的运行方式，加工和安装了不同规格的电机皮带轮60个。
（4）对施工后的油井进行了相关的测试和资料录取。计算出60口井的系统效率，并对优化前后的油井产量、泵挂参数、检泵周期、冲程、冲次等资料进行了录取。
分析评价结果如下：60口井平均单井实测输入功率为9.39kW，系统效率为9.09%；理论计算平均单井的输入功率为9.85kW，系统效率为9.65%。输入功率绝对误差为0.46kW，相对误差为4.9%；系统效率绝对误差为0.56，相对误差为6.1%。
4、结论
1.以提高抽油机井系统效率为目标值的抽油井生产参数优化设计技术，取得了提高系统效率幅度高、节能显著的效果。
2.在油田现场抽油机存在严重的“大马拉小车”问题，抽油机拖动装置功率利用率只有20%左右，电机效率有较大的提升空间。解决此问题的关键是减少抽油机惯性载荷的影响，减少电机启动电流，降低电机装机功率，提高电机的功率利用率。
3.采用电机软启动技术和利用抽油机自动调平衡技术可以降低抽油机惯性载荷，减少电机启动电流，实现优化设计目标值；同时解决应用小电机“启抽”和作业“挂抽”的问题；双功率电机可以实现大功率启抽、小功率正常运行。
参考文献
[1]郑海金等.提高机械采油系统效率的理论与应用.石油学报，2004年.第25卷.第1期.
[2]冯耀忠.高效率地设计和使用有杆泵抽油系统.石油矿场机械，1998 ， （1）
[3]吉效科，李宁会，王雪玲，林泉.游梁平衡和复合平衡弯梁抽油机的性能分析.石油机械，2011年02期.
【关键词】有杆抽油；生产参数优化设计；系统效率；电机功率利用率；试验
引言
有杆泵抽油系统工艺简单、安全可靠，国内油田使用比例达到80%以上。但与其它举升方式相比，系统效率普遍偏低，对于稠油、大斜度定向斜井、低压低产井则更低。游梁抽油机的电动机在变负荷下工作，功率因素低，电机容量得不到充分利用，使电动机有效功率降低。本文通过抽油机节能原理分析，提出提高抽油机井系统效率的技术措施，取得了较好的现场节能效果，为提高抽油机井系统效率提供了参考依据。
1、计算模型的建立
抽油机井系统在一定输入功率下要提高系统效率，必须降低无用功率；在消耗有功功率一定的情况下，要提高系统效率，必须降低系统的输入功率，即通过降低系统能耗来实现。
抽油机系统效率设计主要是依据油井产能进行抽汲参数优选[1]。把有杆泵采油做为一个系统进行优化，综合考虑了13个动静态参数，依据井下产能设计出9个工作参数（抽油机机型、电机机型、泵深、泵径、冲程、冲次、杆柱组合、杆柱钢级、管径），对抽油井系统优化、以及抽油井井筒的杆、管、泵系统的优化，并将抽油机输入功率进行划分，以达到在一定产量情况下系统损失功率最低的效果。
1.1油井供液能力与抽汲参数的函数关系
Q=f（P静，P流，P饱，s，n，H，D）
式中：Q为产液量，t/d ；P静为静压，MPa；P流为流压，MPa；s为冲程，m；n为冲次，次/min；H为泵挂，m；D为抽油泵直径，mm。
1.2抽油机采油系统输入功率的划分
抽油机采油系统输入功率划分为5个部分，即地面损失功率、粘滞损失功率、滑动损失功率、溶解气膨胀功率和有用功率，确定出五种功率与影响因素的函数关系式。
1.3输入功率、抽油机系统效率同各种功率的关系
η= Py/Pr×100%
式中：η为系统效率；Pr为输入功率，其大小为：Pr=Pn+ Pd+Ph+Py-Pp。
2、抽油机节能原理分析
2.1抽油机节能分析
抽油机井采油的原理是将电能从地面传递给井下液体，从而把井下液体举升到井口。抽油系统工作时，就是一个能量不断传递和转化的过程，能量每一次传递和转化都将有一定的损失。从地面供入系统的能量扣除各种损失后，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的比值称为抽油机井系统效率[2]。以光杆悬绳器为界，系统效率分为地面效率和井下效率两部分，提高地面系统效率也就是要提高电机和抽油机效率；提高井下系统效率主要通过优化生产参数来实现。
2.2抽油机负载扭矩
在抽油机启动时，其加速度则更大。悬点载荷作用在曲柄轴上造成负载扭矩。杆柱载荷和液柱载荷造成的扭矩占主要部分。
2.3抽油机平衡分析
调节抽油机的相位角和曲柄平衡半径可以改变曲柄轴平衡扭矩，从而改变曲柄轴净扭矩，达到节能效果。通过平衡调整，平衡度可由原来的50%提高到95%，电机输出功率由原来的10.68kW，降低到10.13kW，节能5.1%。
2.4惯性力对电动机的影响
惯性力扭矩引起曲柄轴输出扭矩波动，导致电动机输出功率波动，从而使电机效率降低；抽油机启抽过程中，其启动扭矩更大（一般为正常3-5倍）。异步电动机的额定效率ηN约为75%～92%。在额定功率的75%左右时效率最高。
3、现场试验与效果分析
为了分析和评价抽油机系统效率优化设计理论对油井的适用性，采取了如下办法：先实测出正在生产油井中每口井的实际输入功率，然后再将实际工作参数输入优化设计软件系统，计算出每口井的输入功率，观察实际值与计算值之间的偏差，计算出相对误差。
根据优化设计结果，编制了现场施工方案，先导试验现场实施60口井。重点做了以下几方面工作：
（1）根据优化设计结果编制了60口井的现场施工方案。严格杆、管的匹配，强化了优化设计井的现场跟踪，确保作业单位严格按方案设计要求的杆、管、泵的规格和数量进行施工。
（2）进行了电机改造。根据方案设计要求，将现用的37kW和45kW电机进行改造，改造成为17kW和20kW电机，共改造电机60台。并利用变频器实施软启动，变频控制器作用。同时，实施常规游梁抽油机自动调平衡改造，同型号抽油机电机功率为15kW，实现电机功率进一步降低[3]。
（3）更换电机皮带轮。根据不同油井方案设计中要求的冲次数的不同，采取了小冲次的运行方式，加工和安装了不同规格的电机皮带轮60个。
（4）对施工后的油井进行了相关的测试和资料录取。计算出60口井的系统效率，并对优化前后的油井产量、泵挂参数、检泵周期、冲程、冲次等资料进行了录取。
分析评价结果如下：60口井平均单井实测输入功率为9.39kW，系统效率为9.09%；理论计算平均单井的输入功率为9.85kW，系统效率为9.65%。输入功率绝对误差为0.46kW，相对误差为4.9%；系统效率绝对误差为0.56，相对误差为6.1%。
4、结论
1.以提高抽油机井系统效率为目标值的抽油井生产参数优化设计技术，取得了提高系统效率幅度高、节能显著的效果。
2.在油田现场抽油机存在严重的“大马拉小车”问题，抽油机拖动装置功率利用率只有20%左右，电机效率有较大的提升空间。解决此问题的关键是减少抽油机惯性载荷的影响，减少电机启动电流，降低电机装机功率，提高电机的功率利用率。
3.采用电机软启动技术和利用抽油机自动调平衡技术可以降低抽油机惯性载荷，减少电机启动电流，实现优化设计目标值；同时解决应用小电机“启抽”和作业“挂抽”的问题；双功率电机可以实现大功率启抽、小功率正常运行。
参考文献
[1]郑海金等.提高机械采油系统效率的理论与应用.石油学报，2004年.第25卷.第1期.
[2]冯耀忠.高效率地设计和使用有杆泵抽油系统.石油矿场机械，1998 ， （1）
[3]吉效科，李宁会，王雪玲，林泉.游梁平衡和复合平衡弯梁抽油机的性能分析.石油机械，2011年02期.