螺桿泵采油系統效率分析

    1 系統效率分析
    螺桿泵采油系統由電動機、螺桿泵、抽油桿柱、皮帶減速箱以及井口裝置等部件組成。通過電動機將地面的電能傳遞到井下，從而將井下流體舉升到地面。整個螺桿泵采油系統的工作過程就是一個能量不斷傳遞轉化的過程，而在能量的每次傳遞過程中都會造成能量損失。螺桿泵采油系統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效率[3]。即：η=P_有/P_入（1）
式中：P_入為電動機的輸入功率，kW；P_有為有效功率，即在某一揚程下，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為電機的工作電壓，V；I為電機的工作電流，A；λ為功率因數；H為泵的揚程，m。根據螺桿泵舉升系統的結構和工作特點，按部件在系統中所處的位置，以盤根盒為界將系統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
    地面部分包括電動機、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為電機效率，%；η₂為減速箱和皮帶的效率，%。
電機效率η₁可以表示為：η=P₂/P_入=（P_入-△P₂）/P_入（6）
電機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/η_H-1)P_H-P_O]（7）
式中：P0為空載時的有功損耗，kW；ηH為額定效率，%；PH為額定功率，kW；β為負載系數，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），%。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為螺桿的自轉角速度，rad/s。螺桿泵效率由體積效率和機械效率2部分組成，分別由式（11）、（12）所示[5]：η_V=q/Q（11）
η_m=10³QΔp/（2.88πMan）（12）
式中：ηv為體積效率，%；ηm為機械效率，%；由式（11）、（12）可得螺桿泵效率為：η₄=η_vη_m=103qΔp/（2.88πMan）（13）
式中：Ma為泵軸力矩，N·m。