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1、,抽油机井系统效率分析及提高措施,2011年4月,薛建泉 15318316667 中国石油大学（华东）石油工程学院,三、提高地面效率的方法,二、抽油机井生产系统设计与分析,一、系统效率分析,抽油机井系统效率分析及提高措施,三、提高地面效率的方法,二、抽油机井生产系统设计与分析,一、系统效率分析,抽油机井系统效率分析及提高措施,一、系统效率分析,从地面供入系统提供的能量扣除系统中的各种损失，就是系统给井筒流体的有效能量，其与系统输入的能量之比即为抽油机井的系统效率。,目前，全世界所有的机械采油井中常规游梁式抽油机井占85% 抽油机井的耗电量高达约占油田总耗电量的 3035左右 资料表明，我国有
2、杆抽油系统效率不足20%。我国在用抽油机近5104台，若每口抽油机井实用功率按10kW计，5104台抽油机一年耗电近4.26109kW.h。若将有杆抽油系统效率提高到30%，每年可节电近14.8108kW.h。可以节省大量能源还可以缓解油田用电紧张状况。 目前，全世界有近百万口抽油机井，其耗电量非常可观，因此对有杆抽油系统效率的研究有重要意义。,一、系统效率分析,技术装备水平。高水平和好性能的技术装备是提高抽油机井生产系统效率的重要基础。要想从根本上解决抽油机井系统效率低的问题，就应采用较先进的、节能型的技术装备。 抽油机井生产系统优化设计水平。它是提高抽油机井系统效率的技术依托。在一定的油井
3、条件和设备条件下，优化设计生产系统的工作制度，将在一定程度上提高抽油设备的运行效率和油井的生产效率。 管理水平。高的管理水平是提高抽油机井生产系统效率的必要条件。及时准确地分析油井及其设备的工作状况、调整工作制度等，都会影响抽油机井的系统效率。,影响系统效率的主要因素,一、系统效率分析,有杆抽油系统： 包括原动机、抽油机、抽油杆、抽油泵、井下管柱和井口装置以及油层供液系统。 抽油机的输入功率（P入）： 拖动抽油机的电动机的输入功率为抽油机的输入功率。 抽油机的光杆功率（P光）： 提升液体和克服各种阻力所消耗的功率为抽油机的光杆功率。 抽油机系统的有效功率（P水）：将井下液体提升到地面所需要的功
4、率叫有效功率，也叫水力功率,定义与系统效率分解,一、系统效率分析,有杆抽油系统效率 抽油机有效功率与输入功率的比值为抽油机井系统效率，即：抽油机工作过程中负荷是不断变化的，因而其瞬时输入功率、光杆功率、输出功率等也是不断变化的，相应的各种瞬时效率也是不断变化的。为了便于研究，这里有杆抽油系统及各部分的效率主要是指抽油机每工作一个周期的平均效率，所采用的各种功率值，也是每一周期内的平均功率。,一、系统效率分析,效率分解抽油机系统的效率分为两部分，即地面效率和井下效率。以光杆悬绳器为界，悬绳器以上的机械传动效率和电机运行效率的乘积为地面效率；悬绳器以下到抽油泵为井下效率，即：式中 地地面效率；井井
5、下效率。,一、系统效率分析,地面效率：,电动机效率,皮带和减速箱效率,四连杆机构效率,盘根盒效率,抽油杆效率,抽油泵效率,管柱效率,井下效率：,抽油效率：,一、系统效率分析,三、提高地面效率的方法,二、抽油机井生产系统设计与分析,一、系统效率分析,抽油机井系统效率分析及提高措施,油井流入动态曲线（IPR曲线）：表示产量与井底流压关系的曲线，简称IPR曲线。,油井流入动态： 油井产量与井底流动压力的关系。它反映了油藏向井的供油能力，反映油藏压力、油层物性、流体物性、完井质量等对油层渗流规律的影响，是采油工程与油藏工程的衔接点。通过油井流入动态研究为油藏工程提供检验资料；为采油工程的下一步工作提供
6、依据；检查钻井、固井、完井和各项工艺措施等技术水平的优劣。,2.1 油井流入动态,二、抽油机井生产系统设计与分析,油井流入动态研究主要有三种途径：基于Vogel、Fetkovich、Petrobras方法的完善。建立不同类型油藏和井底条件的渗流模型。利用单井流入动态的油藏数值模拟技术。,2.1 油井流入动态,二、抽油机井生产系统设计与分析,井筒多相流理论： 研究各种举升方式油井生产规律基本理论,研究特点：流动复杂性、无严格数学解,研究途径：基本流动方程实验资料相关因次分析近似关系,2.2 井筒多相流理论与计算,二、抽油机井生产系统设计与分析,石油工业中的多相流技术研究始于1950年左右,70年
7、代，石油工业开始采用已在其它工业领域中使用的 一些物理机理来预测多相流的流型,80年代初，计算机的引入极大地促进了多相流的发展,80年代中期应用了核密度计、超声波、电容传感器、激光多普勒仪和高速摄影机等设备对多相流机理进行研究,目前，双流体瞬态模拟方法和精确描述物理现象的稳态机理模型是多相管流研究的主要方法,2.2.1多相流理论的研究简史,二、抽油机井生产系统设计与分析,多相流问题未得到解析解,复杂管道中的流动研究较少,水平井段变质量流动研究较少,缺乏专用研究仪器,缺乏向下流动的综合机理模型,多相流理论的研究现存的问题,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.2.2 井筒气液两相流动的特性,(1)
8、气液两相流动与单相液流的比较,二、抽油机井生产系统设计与分析,流动型态（流动结构、流型）：流动过程中油、气的分布状态。,(2)气液混合物在垂直管中的流动结构变化,影响流型的因素,各相介质的体积比例,介质的流速,各相的物理及化学性质(密度、粘度界面张力等),流道的几何形状,壁面特性,管道的安装方式,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.2.3 井筒气液两相流能量平衡方程,两个流动断面间的能量平衡关系：,倾斜管流能量平衡关系示意图,二、抽油机井生产系统设计与分析,适合于各种管流的通用压力梯度方程：,则：,令：,二、抽油机井生产系统设计与分析,说明： a. 计算压力分布过程中，温度和压力是相关的； b
9、. 流体物性参数计算至关重要，但目前方法精度差； c. 不同的多相流计算方法差别较大，因此在实际应用中有必要根据油井的实际情况筛选精度相对高的方法。,二、抽油机井生产系统设计与分析,在实际研究过程中，不仅要根据所研究的问题选择合适的多相流计算模型，而且常常需将前面介绍的多种模型有机地结合起来使用，以各取其长，获得尽可能精确的计算结果。,2.2.4 井筒气液两相流动的计算方法,二、抽油机井生产系统设计与分析,Poettmann-Carpenter方法、Fanch-Brown相关式、Baxendell-Thomas 相关式、Hagedron-Brown 关系式、 Duns-Ros相关式、Orkis
10、zewski相关式、Beggs-Brill 相关式、Dukler相关式、Mukherjee-Brill相关式、 Aziz相关式、Eaton相关式、Ansari相关式等。不同方法有其适用条件和精度，可根据具体油田实际选用。,二、抽油机井生产系统设计与分析,在进行气液两相流动的有关计算中，常需要确定工作条件下原油、天然气、水及其混合物的物性参数。客观地讲，确定这些物性参数最根本、最精确的方法是实验测定。然而，实际生产设计和计算中所遇到的原油、天然气及水的组成、工作温度和工作压力等的范围都非常广泛，完全依赖实验方法测定各种工况条件下的油、气、水及其混合物的物性参数是很困难的。另外，过去曾一度建立和使
11、用的许多物性参数图版，也都难以适应目前广泛应用电子计算机进行工程计算的要求。因此，为了便于利用电子计算机进行气液两相流动的计算，建立原油、天然气、水及其混合物物性参数计算的相关公式是非常必要的。,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.2.5 流体物性参数计算方法,(1)原油密度,(2)原油的API度,(3)油水混合液体的密度,(4)原油体积系数,(5)溶解气油比,(6)液体粘度,(7)油、天然气的表面张力,(8)水、天然气的表面张力,(9)油、水混合物和天然气的表面张力,(10)天然气的粘度,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.3.1节点系统分析方法,节点系统分析法：应用系统工程原理，把整个油井
12、生产系统分成若干子系统，研究各子系统间的相互关系及其对整个系统工作的影响，为系统优化运行及参数调控提供依据。,2.3 油井生产节点系统分析,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.3.2抽油机井生产系统的组成,(1)油气层子系统,(2)井筒子系统,(3)地面集输子系统,(4)采油设备子系统,稳定工作条件：协调,二、抽油机井生产系统设计与分析,节点系统分析对象：整个油井生产系统,节点系统分析实质：协调理论在采油应用方面的发展,协调条件,能量(压力)守恒,热量守恒,二、抽油机井生产系统设计与分析,求解点的选择：主要取决于所要研究解决的问题。,求解点：为使问题获得解决的节点。,节点流入曲线,节点流出曲线
13、,协调点,二、抽油机井生产系统设计与分析,功能节点：存在压差的节点。压力不连续的节点。,一般地，功能节点位置上装有起特殊作用的设备，如油嘴、抽油泵等。油井生产系统中，当存在功能节点时，一般以功能节点为求解点。,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.3.3 抽油机井生产系统节点的设置,1,2,3,4,5,6,求解点的选择：下泵处。,求解点：为使问题获得解决的节点。,二、抽油机井生产系统设计与分析,有杆泵采油典型特点：地面能量通过抽油杆、抽油泵传递给井下流体。,(1) 常规有杆泵采油：抽油机悬点的往复运动通过抽油杆传递给井下柱塞泵。,(2) 地面驱动螺杆泵采油：井口驱动头的旋转运动通过抽油杆传递给井
14、下螺杆泵。,有杆泵采油分类：,2.4 抽油机井生产系统设计与分析,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.4.1 抽油装置,抽油机、抽油杆、抽油泵、其它附件。,新型抽油机：为了节能和加大冲程。,异相型游梁式抽油机,异形游梁式抽油机,双驴头游梁式抽油机,链条式抽油机,宽带传动抽油机,液压抽油机,二、抽油机井生产系统设计与分析,超高强度抽油杆,玻璃钢抽油杆,空心抽油杆,电热抽油杆,连续抽油杆,柔性抽油杆：如钢丝绳抽油杆,抽稠泵,防砂卡泵,适合高气液比的抽油泵,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.4.2 抽油机悬点运动规律及载荷分析,简谐运动时悬点位移、速度、加速度曲线,悬点加速度在上、下冲程中大小和方
15、向是变化的。,二、抽油机井生产系统设计与分析,（1）静载荷,抽油杆柱载荷； 液柱载荷； 沉没压力对悬点载荷的影响； 井口回压对悬点载荷的影响,（2）动载荷,惯性载荷； 振动载荷； 摩擦载荷,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.4.3 抽油机平衡、扭矩、功率、效率的计算,平衡计算：平衡半径和平衡块重量。,扭矩计算：曲柄轴扭矩曲线,功率计算：电动机功率、光杆功率、水力功率。,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.4.4 泵效计算与分析,影响泵效的因素,(3) 漏失影响,(1) 抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩,(2) 气体和充不满的影响,(4) 体积系数的影响,二、抽油机井生产系统设计与分析,泵效：,冲程
16、损失影响：,气体的影响：,原油体积变化的影响：,漏失的影响：,所以：,二、抽油机井生产系统设计与分析,等强度设计方法,不等强度设计方法,2.4.5 常规有杆抽油系统设计,(1) 抽油杆柱设计方法,二、抽油机井生产系统设计与分析,（2）有杆抽油井生产系统设计,有杆抽油系统组成：,(1) 油层,(2) 井筒,(4) 地面出油管线,(3) 采油设备(机、杆、泵等),IPR,井筒多相流规律,运动学和动力学规律,地面多相流规律,二、抽油机井生产系统设计与分析,有杆抽油系统设计内容：,(4) 工况指标预测。,(1) 油井流入动态计算；,(2) 采油设备(机、杆、泵等)选择；,(3) 抽汲参数(冲程、冲次、泵径和下泵深度等)确定；,有杆抽油系统设计目标：,经济、有效地举升原油。,二、抽油机井生产系统设计与分析,(1) 油井和油层数据；,(2) 流体物性参数；,(3) 油井生产数据。,有杆抽油系统设计依据：,有杆抽油系统设计理论基础：,有杆抽油系统设计基础数据：,油藏供液能力,节点系统分析方法,
