基于名义功率利用率与功率传输比的地面效率推算方法与流程

本发明涉及油田抽油机井生产技术领域，特别是涉及到一种基于名义功率利用率与功率传输比的地面效率推算方法。

背景技术：

在抽油机生产过程中，存在“大马拉小车”现象，其载荷利用率低，耗电量增大，地面效率低，电机匹配不合理造成成本增加；抽油机悬点运动具有周期性变化的突变载荷，导致有时电机的额定负载与实际负载相差很大，而额定负载大于或小于实际负载都会使电机产生额外的损耗，严重影响了抽油机系统效率。在抽油机井优化设计中，合理推算地面效率，协调电机额定功率与实际负载的关系，使功率利用率处于最佳状态，降低“大马拉小车”现象的发生率。目前，董世民地面效率经验模型中认为光杆功率是经过光杆往复传递的总功率，忽略了平衡块的储集与释放，未考虑到不同运动副的能量传递不同。在郑海金根据各运动副理想状况下的能量损失与传递，建立了地面损失功率模型，其系数k1、k2不能完全反映油井的实际生产状况，且涉及电机空载功率等参数不易获得。为此我们发明了一种新的基于名义功率利用率与功率传输比的地面效率推算方法，解决了以上技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种研究地面效率的影响因素，建立地面效率的推算方法，缩短优化方案与实际工况的差距，为抽油机井系统效率优化奠定基础，科学的指导现场生产实践的基于名义功率利用率与功率传输比的地面效率推算方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：基于名义功率利用率与功率传输比的地面效率推算方法，该基于名义功率利用率与功率传输比的地面效率推算方法包括：步骤1，获取区块或单元内一定规模的抽油机井实测数据；步骤2，引入名义功率利用率、功率传输比，建立新型地面效率计算模型；步骤3，基于最小二乘法算法求解模型系数a、b、c。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

在步骤1中，获取的数据包括：油井实际检测的示功图数据包括载荷和位移、冲程、冲次、输入功率、电机型号、电机额定功率、实测地面效率。

在步骤2中，在深井泵生产过程中，地面损失功率指地面抽油机与电机所损耗的功率，能量损耗体现在运动副间的摩擦；在上冲程，能量流动方向为：电机做功和平衡块释放势能，传向悬绳器；下冲程中，能量流动方向为：悬绳器光杆做功和电机做功传向平衡块，储存势能，油井光杆所传递的功率除光杆功率外，还包括由抽油杆自重和液柱重量引起的功率；以减速箱为界，悬绳器到减速箱为第一部分，减速箱到电机为第二部分；受平衡块的平衡作用影响，由抽油杆自重和液柱重量引起的功率仅影响变速箱之前的各运动副，所传输的能量大部分储集在平衡块的势能，不再传向电机，形成储集-释放的闭式循环；因此，地面效率受油井传输功率与光杆功率之比的影响。

在步骤2中，地面损失功率的计算公式为：

其中，

k2＝(1-η皮)(2-η电)+1-η电；

式中，pt为光杆在上下冲程中传递的平均功率，kw；prod为光杆理论功率，kw；为上冲程悬点载荷，kn；为下冲程悬点载荷，kn；s为冲程，m；n为冲次，min^-1；pu为地面损失功率，kw；pk为电机空载功率，kw；η毛为毛辫子同驴头连接的机械效率，小数；η中为中轴承的机械效率；η尾为尾轴承的机械效率，小数；η变为横梁与连杆连接的机械效率，小数；η皮为皮带效率，小数；η电为电机效率，小数。

在步骤2中，地面效率定义式为：

其中，pin＝prod+pu；

式中，ηd为地面效率，％；pin为油井地面输入功率，kw；

引入名义功率利用率、功率传输比，如式(v)所示：

其中，β为电机的实际名义功率利用率，％；γ为油井光杆所传输功率与光杆功率之比，无因次；pn为电机额定功率，kw；

由式(i)～式(v)可得：

是指电机空载功率与额定功率之比，常数；考虑实际工况影响，修正理论工况下的模型，即地面效率应满足式(vii)；

其中，a＝2k1；c＝1+k2；

式中，a、b、c，分别为地面效率推算模型的经验系数。

在步骤3中，地面效率受各井的传输功率与光杆功率比例、名义功率利用率影响，采用最小二乘法解决此类二元一次函数系数求解：

f(x,y)＝ax+by+c，由最小二乘法确定系数a、b、c，假设各数点的权，令由可得式(ix)：

化简整理可知系数a、b、c满足式(ix)所述关系：

根据公式(ix)，编写最小二乘法函数程序算法，以收集的大量油井历史数据资料，进行模型回归系数a、b、c，建立地面效率推算模型。

本发明中的基于名义功率利用率与功率传输比的地面效率推算方法，充分考虑抽油机井上下冲程运行过程中的能量传输及平衡块的平衡作用，基于传输功率与光杆功率比例不同、名义功率利用率等影响，建立基于名义功率利用率与功率传输比的地面效率推算新方法，能够根据油井历史大量测试数据与实际工况，实现油井地面效率的实时、准确计算，提高电机选型优化方案的符合率，从而提高抽油机井系统效率，实现节能降耗的目的。相对于传统的油井优化参数设计时的地面效率计算模型，本发明的优点在于：

(1)本发明充分考虑了抽油机悬点运动过程中的各运动副能量传递情况与平衡块的平衡作用，各井地面效率的差别在于油井的传输功率与光杆功率的比例和名义功率利用率的不同。

(2)基于实际区块历史大量资料，形成不同区块的地面效率推算模型的经验系数a、b、c，针对性强，方法简单，具有很好的精度。

(3)优化结果更符合实际工况，使抽油机井系统效率优化更为合理，协调电机的利用率，降低“大马拉小车”现象的发生率，从而提高抽油机井系统效率，实现节能降耗的目的。

附图说明

图1为本发明的基于名义功率利用率与功率传输比的地面效率推算方法的一具体实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本发明的基于名义功率利用率与功率传输比的地面效率推算方法的流程图。

步骤101：获取区块抽油机井的测试数据。

收集区块或单元内(一定井数、井次规模)抽油机油井历史大量的测试数据，主要包括：油井实际检测的示功图数据(载荷、位移)、冲程、冲次、输入功率、电机型号、电机额定功率、实测地面效率等。

步骤102：建立基于名义功率利用率与功率传输比的地面效率推算模型。

在深井泵生产过程中，地面损失功率主要指地面抽油机与电机所损耗的功率，不同抽油机种类的能量损失也各不同，但差别较小。游梁式抽油机的能耗损失规律表明：能量损耗主要体现在运动副间的摩擦。

在上冲程，能量流动方向为：电机做功和平衡块释放势能，传向悬绳器；下冲程中，能量流动方向为：悬绳器光杆做功和电机做功传向平衡块，储存势能。因此，油井光杆所传递的功率除光杆功率外，还包括由抽油杆自重和液柱重量引起的功率。

以减速箱为界，悬绳器到减速箱为第一部分，减速箱到电机为第二部分。受平衡块的平衡作用影响，由抽油杆自重和液柱重量引起的功率仅影响变速箱之前的各运动副，所传输的能量大部分储集在平衡块的势能，不在传向电机，形成储集-释放的闭式循环。因此，地面效率受油井传输功率与光杆功率之比的影响。

(1)地面损失功率

其中，

k2＝(1-η皮)(2-η电)+1-η电；

式中，pt为光杆在上下冲程中传递的平均功率，kw；prod为光杆理论功率，kw。为上冲程悬点载荷，kn；为下冲程悬点载荷，kn；s为冲程，m；n为冲次，min^-1；pu为地面损失功率，kw；pk为电机空载功率，kw；η毛为毛辫子同驴头连接的机械效率，小数；η中为中轴承的机械效率；η尾为尾轴承的机械效率，小数；η变为横梁与连杆连接的机械效率，小数；η皮为皮带效率，小数；η电为电机效率，小数。

(2)地面效率推算模型

地面效率定义式：

其中，pin＝prod+pu；

式中，ηd为地面效率，％；pin为油井地面输入功率，kw。

引入名义功率利用率、功率传输比，如式(v)所示。

其中，β为电机的实际名义功率利用率，％；γ为油井光杆所传输功率与光杆功率之比，无因次；pn为电机额定功率，kw。

由式(i)～式(v)可得：

一般地，是指电机空载功率与额定功率之比，常数。考虑实际工况影响，修正理论工况下的模型，即地面效率应满足式(vii)。

其中，a＝2k1；c＝1+k2；

式中，a、b、c，分别为地面效率推算模型的经验系数。

步骤103：基于最小二乘法算法求解模型系数a、b、c。

地面效率主要受各井的传输功率与光杆功率比例(功率传输比)、名义功率利用率影响，采用最小二乘法解决此类二元一次函数系数求解。

f(x,y)＝ax+by+c，由最小二乘法确定系数a、b、c，假设各数点的权，令由可得式(ix)。

化简整理可知系数a、b、c满足式(ix)所述关系。

根据公式(ix)，编写最小二乘法函数程序算法，以收集的大量油井历史数据资料，进行模型回归系数a、b、c，建立地面效率推算模型。