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摘要：本文通过对有杆泵系统效率理论推导以及理论、实际分布进行研究，找出了在运行和管理上制约有杆泵系统效率的主要因素：一是地面拖动设备匹配不合理，电机功率利用率低；二是地下油层发育差，供液能力差，产能差。抽油机的冲程、冲次利用率低；三是井下工具的结构尺寸、强度、重量及组合方式等因素都会造成能耗增加。三是生产参数设计的不合理、泵效的降低、抽油井管理水平低等因素都会降低机采井的有效功率。四是受井斜状况、井筒流体的组分与物性、底层能量等因素的影响。经过对影响因素的逐一分析，找出了提高系统效率的五种办法：推广应用节能设备，调整油井抽油机平衡率，优化油井生产参数，提高泵效，应用特种抽油杆。
关键词：系统效率阻性负载共振弹性伸缩
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
有杆泵采油在机械采油中占有相当大的比重，是油井生产的重要形式。由于与抽油机联合工作的抽油泵在和交替变化造成地面系统工作不平稳，加剧了动力系统的无功消耗，导致了抽油系统的低效运行，造成巨大的能源浪费。
1.有杆泵系统效率理论推导
有杆泵系统效率是指油井有效功率与输出功率的比值，即油井地面效率与井下效率的乘积。其计算公式为：
η=Q[Hd+(P0-P1)*Np*Tp/86400*3600*np*K*K1
式中：η—油井系统效率；Q—油井液量m3/d; Hd—油井动液面深度 m；P0—油压Mpa；P1—套压；Np—有功电流表耗电为时1KWh所转圈数r/KWh；Tp —有功电流表转圈所用时间 s；np—有功电流表所转圈数 r；K—电流感应器变化比；K1—电压互感器变化比。
2.有杆泵系统效率分布情况
2.1有杆泵系统效率理论分布情况
有杆泵抽油系统可分解为两个部分、八个单元。地面部分、地下部分；电机、皮带、减速箱、四连杆悬绳、盘根、管杆柱、抽油泵、其他工具。
被分解的单元，在较理想的情况下，理论值分别为：
大部分电机为Y系统三步异相电机，其理论效率为64-95%。
传动皮带常用的为V型组合带，其传动效率为：97-98%。
抽油机应用较多的为两级人字圆柱形齿轮减速箱，其效率最高为95-97%。
四连杆机构造成的效率损失主要是轴承损失和钢丝绳的变形损失。中轴承、尾轴承、曲柄销总成的综合效率为91-94%。悬绳一般为钢丝绳，其传递效率为98-99%。
盘根盒处主要功率损失为光杆与盘根发生滑动摩擦，不同材料的盘根摩擦力相差10倍，橡胶盘根的传动效率为98-99%。
杆、管、泵效率损失主要包括井下各中摩擦损失和弹性伸缩以及泵漏失损失造成效率损失。
2.2有杆泵系统效率实际分布情况
目前抽油机井的系统效率仅为30%左右，最低的井只有1%左右，影响有杆泵系统效率的主要因素是：地面设备、井下工具、采油管理方面、其它方面。
地面设备方面，主要是电动机、设备传动等引起的损耗。电动机线圈老化、绕丝方式落后，以及维护滞后是电机运行的机械磨损增加，造成电动机发热引起温度上升，降低了电动机的输出功率。供电线路老化，以及配电箱设计不合理效率损失大量增加。
（1）电机运行效率低:异步电动机在工作时，转子要通过定子从电网中吸收电能建立磁场，消耗了电网的电能，这部分电能最终以电流在转子导条中发热消耗掉，它使电机的效率降低。该转子电流折算到定子绕组后呈感性电流，使进入定子绕组中的电流落后于电网一个角度，从而造成电机功率低。目前普遍存在著电机负载率低的情况，抽油机配用电机“大马拉小车”的现象严重。经过统计，平均电机负载率不足30%，平均运行功率因数在0.2-0.6之间，电能浪费十分大。分析原因认为：Y系统三相异步电机在额定点的效率和功率因数呈现最大值，而当负载降低时效率和功率因数都随之下降，能耗随之增大；同时，该系统电机启动转矩倍数只有1.8倍，最大为2.0倍。因此，在选用时为考虑启动和作业需要，不得不提高装机功率，造成运行时的“大马拉小车”现象。（2）抽油机应用:目前在用抽油机由于游梁机本身结构特点，决定了其平衡效果差、存在负扭矩、工作效率低和能耗大等缺点。因此，更换节能效果好、传动效率高的新型抽油机，对于提高系统效率十分必要。
井下工具方面，抽油机传动部位摩擦阻力的增大；盘根盒的结构、性能；抽油杆的结构尺寸、强度、重量及组合方式；抽油泵的结构；油管使用状况等因素都会造成能耗增加。
采油管理方面，生产参数设计的不合理、泵效的降低、抽油井管理水平低等因素都会降低机采井的有效功率，增加机采系统的能耗。如：抽油机不平衡，目前有部分抽油机因各种原因不能调整，长期不平衡运转，平衡率较低。包括皮带机、游梁机。以单井为例，某井上下行电流分别为40/13，实测输入功率为8.04kw，无功功率为18.49kw。
其它方面，机采井系统效率还受井斜状况、井筒流体的组分与物性、底层能量等因素的影响。
3.提高系统效率的途径和办法
3.1推广应用节能设备
节能设备的应用主要包括节能型抽油机、电动机、配电箱等。
节能型抽油机主要包括异相曲柄平衡抽油机、前置式抽油机、双驴头抽油机和渐开线抽油机等。节能型抽油机使精扭矩曲线变缓、波动小、生产运行平稳，节电效果好。以皮带机为例，从现场实测效果看，皮带机系统效率比普通游梁机高5%，应用效果较好，使用皮带机有以下优点：
大负荷。可进行大泵深下代替电泵生产，小泵深抽。
泵效高。由于该机冲程大、冲次慢，相对冲程损失小，泵的充满程度好，泵效高。
工况好。因为均速运动，换向是瞬间加速，同时冲次慢，所以机、杆、泵的惯性载荷，动载荷减小，有利于井下杆、管的生产。
节电。该种机型对抽油机扭矩要求较小，平衡效果好，所需电机功率小，可节电10-30%。以单井为例，某井2003年6月份换机，由CYJJ12-4.2-73HB机型转换为R12-6-26HF机型，功率因数由0.767提高为0.909，有功功率由5.01提高到14.54。可以看出，皮带抽油机对于油井，可改善井下杆、管、泵运行状况，系统效率提高。
节能型电动机主要包括超高转差率电动机、电磁调速电动机、高启动转矩电动机、永磁电机等。目前主要使用抽油机专用永磁同步电机。永磁同步电动机与异步电动机相比具有明显的优点：①效率高。②功率因数高。③启动力矩大，过载能力强。与异步电动机相比，永磁电机安装了稀土永磁材料，需要极小无功励磁电流，因此可以显著提高功率因数，减小定子电流和定子电阻损耗，较高的功率因数还使定子电流变小、铜耗下降、效率提高和温升降低，下降的损耗占电机总损耗的15-20%。永磁电机在转子上镶嵌了永磁体后，由永磁体来建立转子磁场，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子中无感应电流，不存在转子电阻损耗，该损耗占电机总损耗的20-30%，由于在永磁电机转子中无感应电流，定子绕组有可能呈现阻性负载，无论是轻负荷还是重负荷永磁电机都有很高的功率因数。
节能型配电箱，通过调压提高电动机功率利用率和无功补偿技术，达到节能效果。
3.2油井平衡率调整
抽油机不平衡，会造成抽油机寿命缩短、杆断、电能浪费等。平衡好的抽油机，可减小对电动机的容量需求，有利于提高电动机运行效率。对平衡率小于80%的井，要求调平衡，对目前情况下无法调的抽油机，可采取如下措施：①利用作业时间调整产液结构，进行杆管重新组配。②改变原有工作制度。③更换大机。
3.3油井生产参数的优化
（1）满足供液能力的条件下，尽量采取长冲程、慢冲次的工作制度。
（2）抽油杆柱设计采用降级法，优化抽油杆组合，避免共振现象。
（3）油气比高或脱气严重的井要下气锚，提高抽油泵的容积效率。
3.4提高泵效
当抽油机井下工作参数选定之后，其产量的高低，决定于深井泵的工作状况，泵效越高，油井产量越高。机采井泵效主要受三方面的影响：抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩、气体和充不满的影响、漏失的影响。由于抽油杆柱和油管的弹性伸缩，活塞冲程会产生一定的损失。为减小冲程损失，可用油管锚将油管下端固定，消除油管变形。同时也可以降低杆管磨损程度。要降低气体和充不满的影响，可以合理控制套管气，稳定液面和产量，同时采取增加沉没度、在泵入口处安装气锚等措施。泵的漏失量也会随时间的延长而增加，可以通过改善泵的结构，提高泵的抗磨蚀性能、定期检泵的措施来维护泵的正常工作。
3.5应用特种抽油杆
特种抽油杆入空心杆、铝合金抽油杆、玻璃钢抽油杆、连续抽油杆、钢丝绳抽油杆等，它们单位长度重量轻、抗拉强度高，将它们用于抽油系统，井下功率损失小，可增加有效功率，同时对输入功率的要求也将降低。
关键词：系统效率阻性负载共振弹性伸缩
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
有杆泵采油在机械采油中占有相当大的比重，是油井生产的重要形式。由于与抽油机联合工作的抽油泵在和交替变化造成地面系统工作不平稳，加剧了动力系统的无功消耗，导致了抽油系统的低效运行，造成巨大的能源浪费。
1.有杆泵系统效率理论推导
有杆泵系统效率是指油井有效功率与输出功率的比值，即油井地面效率与井下效率的乘积。其计算公式为：
η=Q[Hd+(P0-P1)*Np*Tp/86400*3600*np*K*K1
式中：η—油井系统效率；Q—油井液量m3/d; Hd—油井动液面深度 m；P0—油压Mpa；P1—套压；Np—有功电流表耗电为时1KWh所转圈数r/KWh；Tp —有功电流表转圈所用时间 s；np—有功电流表所转圈数 r；K—电流感应器变化比；K1—电压互感器变化比。
2.有杆泵系统效率分布情况
2.1有杆泵系统效率理论分布情况
有杆泵抽油系统可分解为两个部分、八个单元。地面部分、地下部分；电机、皮带、减速箱、四连杆悬绳、盘根、管杆柱、抽油泵、其他工具。
被分解的单元，在较理想的情况下，理论值分别为：
大部分电机为Y系统三步异相电机，其理论效率为64-95%。
传动皮带常用的为V型组合带，其传动效率为：97-98%。
抽油机应用较多的为两级人字圆柱形齿轮减速箱，其效率最高为95-97%。
四连杆机构造成的效率损失主要是轴承损失和钢丝绳的变形损失。中轴承、尾轴承、曲柄销总成的综合效率为91-94%。悬绳一般为钢丝绳，其传递效率为98-99%。
盘根盒处主要功率损失为光杆与盘根发生滑动摩擦，不同材料的盘根摩擦力相差10倍，橡胶盘根的传动效率为98-99%。
杆、管、泵效率损失主要包括井下各中摩擦损失和弹性伸缩以及泵漏失损失造成效率损失。
2.2有杆泵系统效率实际分布情况
目前抽油机井的系统效率仅为30%左右，最低的井只有1%左右，影响有杆泵系统效率的主要因素是：地面设备、井下工具、采油管理方面、其它方面。
地面设备方面，主要是电动机、设备传动等引起的损耗。电动机线圈老化、绕丝方式落后，以及维护滞后是电机运行的机械磨损增加，造成电动机发热引起温度上升，降低了电动机的输出功率。供电线路老化，以及配电箱设计不合理效率损失大量增加。
（1）电机运行效率低:异步电动机在工作时，转子要通过定子从电网中吸收电能建立磁场，消耗了电网的电能，这部分电能最终以电流在转子导条中发热消耗掉，它使电机的效率降低。该转子电流折算到定子绕组后呈感性电流，使进入定子绕组中的电流落后于电网一个角度，从而造成电机功率低。目前普遍存在著电机负载率低的情况，抽油机配用电机“大马拉小车”的现象严重。经过统计，平均电机负载率不足30%，平均运行功率因数在0.2-0.6之间，电能浪费十分大。分析原因认为：Y系统三相异步电机在额定点的效率和功率因数呈现最大值，而当负载降低时效率和功率因数都随之下降，能耗随之增大；同时，该系统电机启动转矩倍数只有1.8倍，最大为2.0倍。因此，在选用时为考虑启动和作业需要，不得不提高装机功率，造成运行时的“大马拉小车”现象。（2）抽油机应用:目前在用抽油机由于游梁机本身结构特点，决定了其平衡效果差、存在负扭矩、工作效率低和能耗大等缺点。因此，更换节能效果好、传动效率高的新型抽油机，对于提高系统效率十分必要。
井下工具方面，抽油机传动部位摩擦阻力的增大；盘根盒的结构、性能；抽油杆的结构尺寸、强度、重量及组合方式；抽油泵的结构；油管使用状况等因素都会造成能耗增加。
采油管理方面，生产参数设计的不合理、泵效的降低、抽油井管理水平低等因素都会降低机采井的有效功率，增加机采系统的能耗。如：抽油机不平衡，目前有部分抽油机因各种原因不能调整，长期不平衡运转，平衡率较低。包括皮带机、游梁机。以单井为例，某井上下行电流分别为40/13，实测输入功率为8.04kw，无功功率为18.49kw。
其它方面，机采井系统效率还受井斜状况、井筒流体的组分与物性、底层能量等因素的影响。
3.提高系统效率的途径和办法
3.1推广应用节能设备
节能设备的应用主要包括节能型抽油机、电动机、配电箱等。
节能型抽油机主要包括异相曲柄平衡抽油机、前置式抽油机、双驴头抽油机和渐开线抽油机等。节能型抽油机使精扭矩曲线变缓、波动小、生产运行平稳，节电效果好。以皮带机为例，从现场实测效果看，皮带机系统效率比普通游梁机高5%，应用效果较好，使用皮带机有以下优点：
大负荷。可进行大泵深下代替电泵生产，小泵深抽。
泵效高。由于该机冲程大、冲次慢，相对冲程损失小，泵的充满程度好，泵效高。
工况好。因为均速运动，换向是瞬间加速，同时冲次慢，所以机、杆、泵的惯性载荷，动载荷减小，有利于井下杆、管的生产。
节电。该种机型对抽油机扭矩要求较小，平衡效果好，所需电机功率小，可节电10-30%。以单井为例，某井2003年6月份换机，由CYJJ12-4.2-73HB机型转换为R12-6-26HF机型，功率因数由0.767提高为0.909，有功功率由5.01提高到14.54。可以看出，皮带抽油机对于油井，可改善井下杆、管、泵运行状况，系统效率提高。
节能型电动机主要包括超高转差率电动机、电磁调速电动机、高启动转矩电动机、永磁电机等。目前主要使用抽油机专用永磁同步电机。永磁同步电动机与异步电动机相比具有明显的优点：①效率高。②功率因数高。③启动力矩大，过载能力强。与异步电动机相比，永磁电机安装了稀土永磁材料，需要极小无功励磁电流，因此可以显著提高功率因数，减小定子电流和定子电阻损耗，较高的功率因数还使定子电流变小、铜耗下降、效率提高和温升降低，下降的损耗占电机总损耗的15-20%。永磁电机在转子上镶嵌了永磁体后，由永磁体来建立转子磁场，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子中无感应电流，不存在转子电阻损耗，该损耗占电机总损耗的20-30%，由于在永磁电机转子中无感应电流，定子绕组有可能呈现阻性负载，无论是轻负荷还是重负荷永磁电机都有很高的功率因数。
节能型配电箱，通过调压提高电动机功率利用率和无功补偿技术，达到节能效果。
3.2油井平衡率调整
抽油机不平衡，会造成抽油机寿命缩短、杆断、电能浪费等。平衡好的抽油机，可减小对电动机的容量需求，有利于提高电动机运行效率。对平衡率小于80%的井，要求调平衡，对目前情况下无法调的抽油机，可采取如下措施：①利用作业时间调整产液结构，进行杆管重新组配。②改变原有工作制度。③更换大机。
3.3油井生产参数的优化
（1）满足供液能力的条件下，尽量采取长冲程、慢冲次的工作制度。
（2）抽油杆柱设计采用降级法，优化抽油杆组合，避免共振现象。
（3）油气比高或脱气严重的井要下气锚，提高抽油泵的容积效率。
3.4提高泵效
当抽油机井下工作参数选定之后，其产量的高低，决定于深井泵的工作状况，泵效越高，油井产量越高。机采井泵效主要受三方面的影响：抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩、气体和充不满的影响、漏失的影响。由于抽油杆柱和油管的弹性伸缩，活塞冲程会产生一定的损失。为减小冲程损失，可用油管锚将油管下端固定，消除油管变形。同时也可以降低杆管磨损程度。要降低气体和充不满的影响，可以合理控制套管气，稳定液面和产量，同时采取增加沉没度、在泵入口处安装气锚等措施。泵的漏失量也会随时间的延长而增加，可以通过改善泵的结构，提高泵的抗磨蚀性能、定期检泵的措施来维护泵的正常工作。
3.5应用特种抽油杆
特种抽油杆入空心杆、铝合金抽油杆、玻璃钢抽油杆、连续抽油杆、钢丝绳抽油杆等，它们单位长度重量轻、抗拉强度高，将它们用于抽油系统，井下功率损失小，可增加有效功率，同时对输入功率的要求也将降低。