有杆抽油系统地面设备效率评价方法.pdf

有杆抽油系统地面设备效率评价方法，应用于油田有杆抽油技术领域。特征是：A.绘制工况图，并划分为4个区域：测试参数待查区、工作正常区、机械部分低效率区和电动机轻载低效区。B.单井在图中位置确定：测量电动机运转参数、抽油机井悬点参数和采用功图法液量计量等技术快速测量产液量；计算电机输入输出功率、电机负载率、抽油机光杆功率；抽油机系统地面效率。将计算获得的电机负载率、抽油机系统地面效率数据填入到地面机电系统工况图。判定抽油机井地面效率。效果是：可以全面快速地评价抽油机井的系统工作状况，指导油井的生产管理和优化调整。使有杆抽油系统地面机电系统平均系统效率提高，节约电能。

1.  一种有杆抽油系统地面设备效率评价方法，其特征是：
A.绘制有杆抽油机井地面机电系统工况图
以抽油机的电动机负载率ξ为横坐标变量，抽油机系统地面效率η_up为纵坐标变量绘制直角坐标平面图，在直角坐标平面图上按下列步骤操作：
(1)绘制电动机效率η_mt-负载率ξ特性曲线即上边界线；
(2)绘制下边界线0.77cη_mt，c为0.7～0.85；
(3)绘制横坐标ξ＝ξ₀的垂直线，ξ₀为0.1-0.25；
(4)过该垂直线与上边界线的交点作一条水平线与纵坐标轴相交；
经过上述步骤，绘制出有杆抽油机井地面机电系统工况图，
有杆抽油机井地面机电系统工况图分为4个区域：上边界线之上为地面机电系统测试参数待查区；上边界线与下边界线之间为地面机电系统电机系统工作正常区；下边界线之下为地面机电系统机械部分低效率区；纵坐标轴与ξ＝ξ₀垂直线所包围的左下角小矩形区域内为地面机电系统电动机轻载低效区，
B.单井处于有杆抽油机井地面机电系统工况图位置的确定
(1)利用电参数测量仪测量单井抽油机电动机的电流I、电压V、有功功率P_a和无功功率P_V；
(2)利用光杆动力仪等设备测量单井抽油机井悬点载荷PRL、冲程s、冲次N；
(3)利用功图法油井液量计量，或双容积单井计量测量抽油机井的产液量Q；或用下式计算油井产液量Q
  Q＝1440αnSA_p  m³/d；
  α——排量系数
n——冲次
S——冲程
A_p——泵柱塞截面积
(4)油井有效功率测试计算
Ph=ρfQH8810]]>
式中ρ_f——井液密度
Q——油井产液量，
H——液体有效举升高度H=H0+p0-pcρfg]]>
H₀——动液面深
p₀——油管压力
p_c——套管压力
g——重力加速度
(5)利用测试的有功功率计算抽油机电动机输入功率，公式为：
P1=1NΣi=1Nmax(Pa(i),0)]]>
式中，函数max(P_a(i)，0)定义为取P_a(i)和0两值中的最大值，结果是只计正有用功，N表示曲柄回转一个周期测试点的个数；
(6)计算抽油机电动机负载率，方法是：运用抽油机的电动机生产厂家提供的电动机工作特性曲线η、ξ、P₁与P₂(电动机输出功率)关系，将P₁代入，得到抽油机电动机负载率ξ；
(7)计算抽油机光杆功率，公式为：
Pr=1NΣi=1NP(i)υ(i)]]>
式中，P(i)、υ(i)分别为第i个测试点曲柄运行瞬时的光杆悬点载荷和悬点线速度；
(8)计算抽油机系统地面效率，公式为：
ηup=PrP1]]>
(9)将计算获得的电动机负载率ξ、抽油机系统地面效率η_up数据输入到有杆抽油机井地面机电系统工况图；
上述绘图和计算工作由计算机及软件自动完成；
现场数据采集元器件主要包括：井场供电电源、载荷传感器、位移传感器、RTU模块、数据传输接收设备、高增益全向天线；
载荷传感器安装位置在井口悬绳器上；
位移传感器由磁钢与霍尔探头两部分组成，安装在抽油机游梁与支架对应位置上，磁钢与霍尔探头之间的距离变化，霍尔探头采集经电路处理转化为电流信号，再经RTU处理后识别出上死点、下死点，同时将游梁角度信号与载荷信号按等时间点数据对应获得功图数据；
RTU模块是系统硬件最主要的部分，专门完成油井数据采集和控制，提供多个与现场测试端的接口，分别采集各类数据，并进行转换存储在临时寄存器当中，是计算机可以识别的格式，并能通过输入程序实现对油井的控制；
数据传输接收是利用数传电台、工业以太网、CDMA、GPRS或GSM数据传输方式；采集的数据向数据处理点的发送通过高增益全向天线实现；
数据处理点主要装置包括：用于接收各数据采集点传来的采集数据的中心天线、中心控制器以及计算机、打印机等数据处理设备。

2.  根据权利要求1所述的有杆抽油系统地面设备效率评价方法，其特征是：根据单井在有杆抽油机井地面机电系统工况图的位置，判定该抽油机井的地面效率处于机电系统工作正常、机械部分低效、电动机轻载低效或是测试参数待查状态。

3.  根据权利要求1所述的有杆抽油系统地面设备效率评价方法，其特征是：若抽油机地面设备效率处于工作正常区，则维持当前工作状况；若抽油机地面设备效率处于机械部分低效区、电动机轻载低效区或测试参数待查区的某一状况，则采取相应措施。

4.  根据权利要求1所述的有杆抽油系统地面设备效率评价方法，其特征是：由地面效率η_up与电动机运行效率η_mt之间的关系η_up＜η_mt来确定测试参数待查区；根据η_up＞0.77cη_mt确定机械部分低效区；根据ζ₀确定电动机轻载低效区。

有杆抽油系统地面设备效率评价方法
技术领域
本发明涉及油田有杆抽油技术领域，特别涉及一种有杆抽油系统地面设备的效率分析、评价方法。
背景技术
有杆抽油系统由地面机电系统和井下系统组成。地面机电系统包括驱动电机、传动机构和抽油机四连杆机构；井下系统包括抽油杆、油管和抽油泵，以及油藏。及时评判和优化调整抽油机井工作状况，对提高有杆抽油系统效率、延长设备使用寿命，提高采油经济效益十分有意义。因此，有杆抽油系统工作状况的评价研究一直受到有关工程技术人员和管理人员的重视。
20世纪80年代后期，大庆油田的各采油厂开始应用抽油机井工况管理图来指导油井生产和管理，后来逐步在其他油田引用，并根据各自不同生产环境加以改进。目前，现有的抽油机井工况管理图给出的是泵效与沉没度间的关系，反映的是有杆抽油系统井下效率与抽油泵吸入口压力间的变化规律。然而，有杆抽油系统效率由地面效率和井下效率两部分组成。现有的有杆抽油系统效率研究没有深入涉及地面机电系统的工况，不能根据油田常规测试数据信息评判有杆抽油系统地面机电系统工作状况，无法准确地评价地面驱动电机、传动机构和抽油机四连杆机构工作状况。不能完成本专利达到的对抽油机地面包括抽油机的电动机、皮带和减速机组成的传动机构以及抽油机四连杆机构在内的整个有杆抽油系统地面机电系统的综合工作状况评价，达不到全面地掌握抽油机井系统工况的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种有杆抽油系统地面设备效率评价方法，以油田常规测试数据信息评判有杆抽油系统地面机电系统工作状况。为油田有杆抽油机井地面机电系统效率评价，提供一种直观、准确、高效的手段，以提高油井有杆抽油设备状况监测、调整和管理水平。克服现有的有杆抽油系统效率研究没有涉及地面机电系统的工况，不能评判有杆抽油系统地面机电系统工作状况，无法准确地确定地面驱动电机、传动机构和抽油机四连杆机构工作状况地不足。
本发明是这样实现的：
A.绘制有杆抽油机井地面机电系统工况图
以抽油机的电动机负载率ξ为横坐标变量，抽油机系统地面效率η_up为纵坐标变量绘制直角坐标平面图。在直角坐标平面图上按下列步骤操作：
(1)绘制电动机效率η_mt—负载率ξ特性曲线即上边界线；
(2)绘制下边界线0.77cη_mt，c为0.7～0.85；
(3)绘制横坐标ξ＝ξ₀的垂直线，ξ₀为0.1-0.25；
(4)过该垂直线与上边界线的交点作一条水平线与纵坐标轴相交。
经过上述作图，将有杆抽油机井地面机电系统工况图分为4个区域：上边界线之上为地面机电系统测试参数待查区；上边界线与下边界线之间为地面机电系统电机系统工作正常区；下边界线之下为地面机电系统机械部分低效率区；纵坐标轴与ξ＝ξ₀垂直线所包围的左下角小矩形区域内为地面机电系统电动机轻载低效区。
抽油机井地面机电系统工况分为4个区域。
(1)测试参数待查区
抽油机井地面效率η_up等于电动机运行效率η_mt和抽油机运行效率η_m的乘积，
η_up＝η_mtη_m
由于机械传动有能量损失，故η_m<1，因此抽油机井地面效率有
η_up<η_mt
即η_mt(ξ)曲线即附图1中的上边界曲线上方的数据实际中不可能发生，从而在有杆抽油机井地面机电系统工况图中η_mt(ξ)曲线的上方为测试参数待查区。
(2)机械运行低效区
抽油机地面系统是由皮带、减速器和抽油机四连杆机构(包含钢丝绳)组成。各部分良好运行时，其效率分别达到：带传动效率η_belt>0.9，齿轮减速器传动效率η_red>0.9，连杆机构效率η_b>0.95，其综合机械效率η_mfine为：
η_mfine>0.9·0.9·0.95≈0.77
考虑到抽油机不可能各个部位都一直运行良好，抽油机正常工作的机械效率η_mn比良好状态下工作效率低，运用一个小于1的系数c界定抽油机正常运行效率值的下限，则η_mn>cη_mfine≈0.77c(c为根据采区设备类型、运行年限确定的小于1的常数，一般取0.7～0.85)，由此得到抽油机运行正常时地面效率关系式
η_up>0.77cη_mt
即在有杆抽油机井地面机电系统工况图中曲线0.77cη_mt的下方为机械运行低效区。
(3)机电系统工作正常区
根据上述讨论可知，在有杆抽油机井地面机电系统工况图中，处于曲线η_mt(ξ)下方和曲线0.77cη_mt上方的区域为机电系统工作正常区
(4)电机轻载低效区
如果电机容量选择过大，负载率相对较低时，形成大马拉小车状态，从而导致地面机电系统工作于低效区。将电机负载率低于一定值ξ₀的区域定义为电机轻载低效区，如图1所示。
B.单井处于有杆抽油机井地面机电系统工况图位置的确定
(1)利用电参数测量仪测量抽油机电动机的电流I、电压V、有功功率P_a和无功功率P_V；
(2)利用光杆动力仪等设备测量抽油机井悬点载荷PRL、冲程s、冲次N；
(3)利用功图法油井液量计量，或双容积单井计量测量抽油机井的产液量Q；或用下式计算油井产液量Q
Q＝1440αnSA_p  m³/d；
α——排量系数
n——冲次
S——冲程
A_p——泵柱塞截面积
上述技术方案中，在井口测取抽油杆载荷和位移数据后，采用远距离信息传输，将采集的信息传输到数据处理点后，进行处理。具体测量装置和数据处理步骤如下：
a、现场数据采集元器件，主要包括：井场供电电源、载荷传感器、位移传感器、RTU模块、数据传输接收设备、高增益全向天线。
载荷传感器安装位置在井口悬绳器上，当抽油机运动时传感器接受抽油杆悬点载荷，造成内部应变片发生变形，最终转化成为抽油机杆的载荷变化。
位移传感器由磁钢与霍尔探头两部分组成。在抽油机工作过程中游梁上下运动，安装在抽油机游梁与支架对应位置上的磁钢与霍尔探头之间的距离变化，此时霍尔探头采集的信号强弱变化，经电路处理转化为电流信号，再经RTU处理后识别出上死点、下死点(计算周期，即冲次)，同时将游梁角度信号与载荷信号按等时间点数据对应获得功图数据。
RTU模块(远程数据控制终端)是系统硬件最主要的部分，专门完成油井数据采集和控制。它提供了多个与现场测试端的接口，可分别采集各类数据，并进行转换存储在临时寄存器当中，成为计算机可以识别的格式，并能通过输入程序实现对油井的控制。
数据传输接收可利用数传电台、工业以太网、CDMA、GPRS、GSM等多种数据传输方式。采集的数据向数据处理点的发送通过高增益全向天线实现。
b、数据处理点：主要进行采集数据的接收与处理，采用站内电源供电，主要装置包括：用于接收各数据采集点传来的采集数据的中心天线、中心控制器以及计算机、打印机等数据处理设备。
简述参数测量的装置安装以及工艺流程，有助于理解本发明技术方案。
首先，通过安装在井口悬绳器上的载荷传感器和游梁下方的位移传感器，对抽油机井抽油杆载荷和位移进行测量。载荷和位移电信号通过电缆线传至井组控制箱内控制终端(RTU)，再通过井组天线，将采集数据以波的形式传至主站中心接收天线进行数据接收。
其次，通过数据处理点(控制中心)无线服务器将接收到的信号转换为数字信号传至站内计算机。利用计算机上的计量软件对油井进行产液量计算。
(4)油井有效功率测试计算
Ph=ρfQH8810]]>
式中  ρ_f——井液密度
      Q——油井产液量，
      H——液体有效举升高度H=H0+P0-Pcρfg]]>
      H₀——动液面深
      P₀——油管压力
      p_c——套管压力
      g——重力加速度
(5)计算利用测试的有功功率计算抽油机电动机输入功率，公式为：
P1=1NΣi=1Nmax(Pa(i),0)]]>
式中，函数max(P_a(i)，0)定义为取P_a(i)和0两值中的最大值，结果是只计正有用功，N表示曲柄回转一个周期测试点的个数。
(6)计算抽油机电动机负载率，方法是：运用抽油机的电动机生产厂家提供的电动机工作特性曲线η、ξ、P₁与P₂关系，将P₁代入，得到抽油机电动机负载率ξ。
(7)计算抽油机光杆功率，公式为：
Pr=1NΣi=1NP(i)ν(i)]]>
式中，P(i)、ν(i)分别为第i个测试点曲柄运行瞬时的光杆悬点载荷和悬点线速度。
(8)计算抽油机系统地面效率，公式为：
ηup=PrP1]]>
(9)将计算获得的电动机负载率ξ、抽油机系统地面效率η_up数据输入到有杆抽油机井地面机电系统工况图，根据该数据对落入有杆抽油机井地面机电系统工况图的区域，即可确定该抽油机井的地面效率处于机电系统工作正常、机械部分低效、电动机轻载低效或是测试参数待查的某一状况。
若抽油机地面设备效率处于工作正常区，则维持当前工作状况；若抽油机地面设备效率处于机械部分低效区、电动机轻载低效区或测试参数待查区的某一状况，则采取相应措施。
上述绘图和计算工作由计算机及软件自动完成。
本发明的有益效果是：有杆抽油系统地面设备效率评价方法，提出的“有杆抽油机井地面机电系统工况图”和单井在图中位置确定，由于考虑的参数较多，能全面快速地评价抽油机井的系统工作状况。指导油井的生产管理和优化调整。通过“有杆抽油系统地面设备效率评价方法”对某油区现场128口井进行分析、评价进行现场实验，准确地掌握了全部油井工况，发现问题并及时进行维修、处理。使本油区有杆抽油系统地面机电系统平均系统效率由19.31％提高到21.92％，提高了2.61％；平均单井日耗电由114.74kwh，降为95.26kwh，单井日节电19.48kwh。
附图说明
图1为有杆抽油机井地面机电系统工况图；
图2为大路沟采区60口油井在有杆抽油机井地面机电系统工况图上位置分布情况。
具体实施方式
实施例：
A.绘制有杆抽油机井地面机电系统工况图，参阅图1。
以电动机负载率ξ为横坐标变量，抽油机系统地面效率η_up为纵坐标变量绘制直角坐标平面图。在直角坐标平面图上按下列步骤操作：
(1)绘制电动机效率η_mt—负载率ξ特性曲线即上边界线；
(2)绘制下边界线0.77cη_mt，c＝0.7；
(3)绘制横坐标ξ＝ξ₀的垂直线，ξ₀＝0.11；
(4)过该垂直线与上边界线的交点作一条水平线与纵坐标轴相交。
经过上述作图，将有杆抽油机井地面机电系统工况图分为4个区域：上边界线之上为地面机电系统测试参数待查区；上边界线与下边界线之间为地面机电系统电机系统工作正常区；下边界线之下为地面机电系统机械部分低效率区；纵坐标轴与ξ＝ξ₀垂直线所包围的左下角小矩形区域内为地面机电系统电动机轻载低效区。如图1所示。
绘出长庆油田大路沟作业区部分油井地面机电系统工况评价控制图。
B.单井处于地面机电系统工况评价图位置的确定，参阅图2，以长庆油田大路沟作业区罗40-37井为例，具体步骤如下
(1)利用电参数测量仪测量抽油机电动机的电流I、电压V、有功功率P_a和无功功率P_v；
(2)利用光杆动力仪等设备测量抽油机井悬点载荷PRL、冲程s、冲次N；
(3)利用功图法油井液量计量测量抽油机井的产液量Q，并计算油井有效功率；
(4)测量计算抽油机电动机输入功率，公式为：
P1=1NΣi=1Nmax(Pa(i),0)=3.46kW]]>
曲柄回转一个周期测试点的个数N＝144。
(5)计算抽油机电动机负载率，将P₁代入拟合的抽油机的电动机工作特性曲线η、ξ、P₁与P₂关系，得到抽油机电动机负载率ξ为21％。
(6)计算抽油机光杆功率，公式为：
Pr=1NΣi=1NP(i)ν(i)=272.73144=1.894kW]]>
(7)计算抽油机系统地面效率，公式为：
ηup=PrP1=54.67%]]>
(8)将计算获得的电动机负载率ξ、抽油机系统地面效率η_up数据填入到地面机电系统工况评价图，参见图2。其余井的地面负载率一效率计算同上。根据该数据对落入地面机电系统工况评价图的区域，即可判定该抽油机井的地面效率处于机电系统工作正常、机械部分低效、电动机轻载低效或是测试参数待查的某一状况。
(9)若抽油机地面设备效率处于工作正常区，则维持当前工作状况；若抽油机地面设备效率处于机械部分低效区、电动机轻载低效区或测试参数待查区的某一状况，则采取相应措施。
该图中共有60口油井，从图中可以清晰看出有42口井地面工作状态正常，8口井电机容量过大，有4口油井测试数据需要进一步核实，6口油井地面工作不正常或示功图测试数据计算的光杆功率偏小，与实际情况是吻合的。