1 系統(tǒng)效率分析
螺桿泵采油系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、螺桿泵、抽油桿柱、皮帶減速箱以及井口裝置等部件組成。通過(guò)電動(dòng)機(jī)將地面的電能傳遞到井下,從而將井下流體舉升到地面。整個(gè)螺桿泵采油系統(tǒng)的工作過(guò)程就是一個(gè)能量不斷傳遞轉(zhuǎn)化的過(guò)程,而在能量的每次傳遞過(guò)程中都會(huì)造成能量損失。螺桿泵采油系統(tǒng)舉升流體所有效功率與輸入功率的比值為螺桿泵采油井的系統(tǒng)效率[3]。即:η=P有/P入(1)
式中:P入為電動(dòng)機(jī)的輸入功率,kW;P有為有效功率,即在某一揚(yáng)程下,將井下流體舉升到地面所需要的功率,kW。
式(1)中P入和P有分別可以表示為:P入=×10-3 UIλ(2)
P有=Hq/86400(3)
式中:U為電機(jī)的工作電壓,V;I為電機(jī)的工作電流,A;λ為功率因數(shù);H為泵的揚(yáng)程,m。根據(jù)螺桿泵舉升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn),按部件在系統(tǒng)中所處的位置,以盤(pán)根盒為界將系統(tǒng)分為地面效率和井下效率兩部分,則有:η=P水/P入=P水/P光×P光/P入=η井下×η地面(4)
式中:P光為光桿功率,kW。
2 地面效率分析
地面部分包括電動(dòng)機(jī)、減速箱和皮帶組成,因此地面效率可以表示為:η地面=P光/P入=η1×η2(5)
式中:η1為電機(jī)效率,%;η2為減速箱和皮帶的效率,%。
電機(jī)效率η1可以表示為:η=P2/P入=(P入-△P2)/P入(6)
電機(jī)的功率損失隨輸出功率P2的減小而減小,輸出功率可由下式(7)求得[4]:ΔP2=P0+β2[(1/ηH-1)PH-PO](7)
式中:P0為空載時(shí)的有功損耗,kW;ηH為額定效率,%;PH為額定功率,kW;β為負(fù)載系數(shù),β=P2 /PN。
3 井下效率分析
井下部分由抽油桿、螺桿泵和管柱組成,因此井下效率可以表示為:η井下=P水/P光=η3×η4×η5(8)
式中:η3為抽油桿效率,%;η4為螺桿泵效率,%;η5為管柱效率(油管錨錨定時(shí)),%。抽油桿柱效率η3為光桿功率與泵排出口效率的比值,即:η3=P出/P光=(P光-摩)/P光(9)
式中:P出為泵排出口功率,kW;P摩為桿液之間摩擦損失功率,kW;式(9)中桿柱與井下流體見(jiàn)粘滯摩擦損失功率P摩可表示為:
P摩=Mrlω(10)
式中:Mrl為桿管之間的摩擦扭矩,kN·m;ω為螺桿的自轉(zhuǎn)角速度,rad/s。螺桿泵效率由體積效率和機(jī)械效率2部分組成,分別由式(11)、(12)所示[5]:ηV=q/Q(11)
ηm=103QΔp/(2.88πMan)(12)
式中:ηv為體積效率,%;ηm為機(jī)械效率,%;由式(11)、(12)可得螺桿泵效率為:η4=ηvηm=103qΔp/(2.88πMan)(13)
式中:Ma為泵軸力矩,N·m。