吳倉(cāng)堡油田機(jī)采系統(tǒng)效率優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用

劉 通，趙亞杰 (陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075)

劉 英 (延長(zhǎng)油田股份有限公司西區(qū)采油廠，陜西 延安 717504))

王衛(wèi)剛，姚 軍，高鵬鵬 (陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075)

吳倉(cāng)堡油田機(jī)采系統(tǒng)效率優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用

劉 通，趙亞杰 (陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075)

劉 英 (延長(zhǎng)油田股份有限公司西區(qū)采油廠，陜西 延安 717504))

王衛(wèi)剛，姚 軍，高鵬鵬 (陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075)

針對(duì)吳倉(cāng)堡油田采油工藝存在的抽汲參數(shù)偏大、桿柱組合不合理、系統(tǒng)效率低，運(yùn)行及維修費(fèi)用高等問(wèn)題，在系統(tǒng)效率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，對(duì)影響抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的各種因素進(jìn)行分析。分析了油田抽油機(jī)井系統(tǒng)效率低的原因和影響系統(tǒng)效率的主要因素，提出了提高抽油機(jī)系統(tǒng)效率的措施和方法，開(kāi)發(fā)了機(jī)采優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，最后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)井優(yōu)化前后測(cè)試數(shù)據(jù)表明，平均單井的最大懸點(diǎn)載荷比優(yōu)化前下降8.7kN，平均單井日節(jié)電22.20KWh，有功節(jié)電率達(dá)到15.47%，平均單井系統(tǒng)效率達(dá)到13.26%，比優(yōu)化前提高了5.54%。

有桿抽油系統(tǒng)；機(jī)采方式；系統(tǒng)效率；優(yōu)化設(shè)計(jì)

油田電能50.3%以上消耗在采油工程系統(tǒng)，所以采油工程系統(tǒng)的節(jié)能降耗工作尤為重要。通過(guò)提高抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率來(lái)降低能耗、提高經(jīng)濟(jì)效益是近年來(lái)油田開(kāi)發(fā)領(lǐng)域重點(diǎn)研究的課題[1-5]。

吳倉(cāng)堡油田屬于低滲、低壓、低豐度的“三低”油藏。隨著油田開(kāi)發(fā)不斷深入，現(xiàn)有抽油設(shè)備遇到了干抽、抽汲參數(shù)過(guò)大、系統(tǒng)效率低、作業(yè)費(fèi)用高等問(wèn)題。這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了油井產(chǎn)量，增加了生產(chǎn)及維修費(fèi)用，降低了機(jī)采系統(tǒng)效率，增加了油田節(jié)能降耗的難度和開(kāi)發(fā)成本。為此，筆者針對(duì)吳倉(cāng)堡油田的特點(diǎn)，制定了機(jī)采系統(tǒng)各優(yōu)化方案，總結(jié)出適合吳倉(cāng)堡油田的系統(tǒng)效率優(yōu)化技術(shù)，提供一種高效、節(jié)能的機(jī)械采油方式。

1 機(jī)采系統(tǒng)效率現(xiàn)狀

對(duì)吳倉(cāng)堡油田45口抽油井的系統(tǒng)效率及能耗情況進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出這部分井平均單井日產(chǎn)液為2.1m3/d，單井日耗電為160.3kWh，平均單井系統(tǒng)效率為8.0%。測(cè)試結(jié)果表明，該區(qū)塊機(jī)采工藝存在油井抽汲參數(shù)不合理，抽油機(jī)平衡度低、泵效低、油井整體運(yùn)行效率較低、而能耗相對(duì)較高，具有較大的節(jié)能挖潛空間。

表1 抽油機(jī)井系統(tǒng)效率和能耗測(cè)試情況

2 系統(tǒng)效率影響因素分析

結(jié)合吳倉(cāng)堡油田45口抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率測(cè)試結(jié)果，進(jìn)一步分析影響系統(tǒng)效率的主要因素。

2.1抽汲參數(shù)的影響

現(xiàn)場(chǎng)45口井系統(tǒng)效率測(cè)試結(jié)果表明，沖次n、沖程S、泵徑D、下泵深度L以及抽油桿尺寸這5個(gè)抽汲參數(shù)均明顯偏大，導(dǎo)致油井泵效低、能耗大、系統(tǒng)效率低。

1)沖程S、沖次n以及泵徑對(duì)系統(tǒng)效率的影響 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，部分油井在供液不足的情況下，仍然使用較高的沖次。例如，49-114井，?32管式抽油泵，產(chǎn)液1.2m3/d，沖程2.35m，沖次4.59次/min，泵效僅有10%。這樣不僅導(dǎo)致泵效低，沉沒(méi)度減少，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間不出油而燒壞盤(pán)根，影響系統(tǒng)效率的提高。采用小泵徑、低沖次、長(zhǎng)沖程、加深泵掛等措施，可保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)產(chǎn)。

2)下泵深度的對(duì)系統(tǒng)效率的影響 根據(jù)抽油機(jī)井的有效功率計(jì)算公式可知，將一定量的液體由井下舉升至地面，舉升高度越高耗能越多。因此，在滿足抽油泵吸入口壓力的情況下，合理優(yōu)化下泵深度，可有效降低電能消耗，提高系統(tǒng)效率水平。抽油泵的吸入口壓力常低于溶解氣的飽和壓力，因此總有氣體進(jìn)泵，致使泵內(nèi)吸入液體不足，造成能耗增加。研究發(fā)現(xiàn)可通過(guò)減小余隙比和氣液比，從而提高泵的充滿系數(shù)減小氣體影響。根據(jù)泵的沉沒(méi)壓力，利用計(jì)算管流壓降的方法計(jì)算井底流壓，井底流壓可以作為泵掛深度設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果中，有10口井下泵深度小于1500m，平均下泵深度為1374m，平均單井能耗為5.55kW，系統(tǒng)效率為12.7%。其余35口井平均下泵深度為2158m，平均單井能耗為7.3kW，系統(tǒng)效率為5.7%。

2.2抽油機(jī)井平衡的影響

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析平衡度與日耗電的關(guān)系。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制不同液面下日耗電與平衡度的關(guān)系曲線，模擬出日耗電與平衡度的二次關(guān)系式，進(jìn)而求得不同平衡度下日耗電近似值。使用非節(jié)能電機(jī)的抽油機(jī)井的平衡度范圍在85%～115%，能耗最低，并且平衡度對(duì)能耗的影響較大。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果中，共45口井，平均有功功率為6.68kW，平均單井日耗電為160.32kWh，平均平衡度為54.39%，其中有28口井，存在嚴(yán)重不平衡，導(dǎo)致電機(jī)倒發(fā)電出現(xiàn)負(fù)功的情況。平衡率低也是造成電能消耗高的主要因素之一。因此，定期調(diào)節(jié)抽油機(jī)平衡度也是一項(xiàng)十分重要的日常管理工作。

2.3電機(jī)的影響

電機(jī)對(duì)系統(tǒng)效率的影響關(guān)鍵在于電機(jī)負(fù)載率的影響。電機(jī)負(fù)載率過(guò)低時(shí)，電機(jī)效率和功率因數(shù)下降，電機(jī)處于“大馬拉小車(chē)”狀態(tài)，嚴(yán)重影響抽油機(jī)系統(tǒng)效率。在節(jié)能降耗工作中，主要從2方面衡量電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況的好壞：一是電動(dòng)機(jī)負(fù)載率；二是電動(dòng)機(jī)效率η。把β=20%定為電機(jī)的合理下限；當(dāng)β=βp經(jīng)濟(jì)負(fù)載率時(shí)，電機(jī)處于最佳運(yùn)行經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的45口油井平均單井電機(jī)負(fù)載率為33.19%。其中有8口井電機(jī)負(fù)載率低于合理負(fù)載率下限20%，平均單井負(fù)載率為16.33%，電機(jī)運(yùn)行效率偏低，平均功率因數(shù)僅為0.36，下一步可進(jìn)行匹配功率合理的電機(jī)來(lái)提高電機(jī)運(yùn)行效率，降低電能消耗。

2.4井下桿柱組合的影響

在抽汲系統(tǒng)舉升液體基本不變的情況下，抽油機(jī)井的桿柱外徑(或油管內(nèi)流道空間)對(duì)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的影響較大[6]。組合桿的使用能減小井下桿管之間摩擦損失即滑動(dòng)損失功率，以及桿柱負(fù)荷，從而有效降低抽油機(jī)井能耗。抽油機(jī)井井下功率損失與抽油桿柱重力成正比，抽油桿柱越重，井下功率損失越多，而抽油桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)受到的井液摩擦阻力矩與抽油桿直徑的平方成正比，增大抽油桿直徑將會(huì)使流體摩擦阻力矩急劇增大。目前吳倉(cāng)堡油田抽油桿柱多采用D級(jí)桿，in+in+1in組合 。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，平均單井最大懸點(diǎn)載荷為79.93kN，抽油機(jī)載荷利用率達(dá)99.91%，其中有23口井，平均最大載荷為102kN，已遠(yuǎn)超出抽油機(jī)(CYJS8-3-37HB)的額定最大載荷80kN。下一步可在滿足抽油桿正常工作強(qiáng)度的情況下，通過(guò)合理調(diào)整桿柱的配比，從而降低懸點(diǎn)載荷，提高抽油機(jī)的系統(tǒng)效率，降低電能消耗。

3 機(jī)采優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)

圖2 軟件總體結(jié)構(gòu)

針對(duì)吳倉(cāng)堡油田實(shí)際特點(diǎn)，通過(guò)分析油藏地質(zhì)靜態(tài)資料和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料，在充分論證的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)生產(chǎn)參數(shù)。首先，在粘溫關(guān)系曲線擬合、載荷計(jì)算符合率達(dá)到90%以上的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的系統(tǒng)效率，建立符合吳倉(cāng)堡油田的抽油機(jī)系統(tǒng)效率計(jì)算模型，進(jìn)而分析系統(tǒng)效率影響因素，建立抽油機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化模型使用delphi語(yǔ)言基于C/S模式開(kāi)發(fā)該優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率優(yōu)化方案設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。圖2反映了軟件編制過(guò)程的總體結(jié)構(gòu)[7-8]。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在該區(qū)塊選取了5口井進(jìn)行機(jī)采效率優(yōu)化試驗(yàn)，井號(hào)為49-116、49-33、49-58、49-85和49-110，其中49-58為延10油層， 其余4口井為長(zhǎng)9油層。抽油機(jī)均為8型，抽油泵均為38泵。日產(chǎn)液量范圍：1.3～3.4t/d，平均含水率為29.1%，含有少量伴生氣。依據(jù)編制的軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要采取的措施有：①對(duì)沖程、沖次、泵徑、泵掛等優(yōu)化；②進(jìn)行平衡調(diào)整，提高油井的平衡度；③進(jìn)行抽油桿柱組合優(yōu)化；④合理匹配電機(jī)功率，提高電機(jī)利用率。對(duì)5口井機(jī)采效率優(yōu)化措施井進(jìn)行效果分析，錄取試驗(yàn)前后的機(jī)采數(shù)據(jù)，并進(jìn)行系統(tǒng)效率分析，結(jié)果如表2所示。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，實(shí)施后平均單井的最大懸點(diǎn)載荷比優(yōu)化前下降了8.7kN；有功功率比優(yōu)化前下降了0.93kW，實(shí)現(xiàn)單井日節(jié)電22.20kWh，有功節(jié)電率達(dá)到15.47%，平均單井系統(tǒng)效率達(dá)到13.26%，比優(yōu)化前提高了5.54%。

表2 5口措施井優(yōu)化前后對(duì)比分析表

[1]周超，徐興平.抽油機(jī)井系統(tǒng)效率分析及提高對(duì)策[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38(1):17-21.

[2]周文耀.有桿抽油井系統(tǒng)效率與日產(chǎn)液量匹配關(guān)系測(cè)定[J].石油機(jī)械，2006，34(3):83-84.

[3]張偉，范登洲.提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率措施研究[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2004，20(5): 16-18.

[4]李杰傳.提高機(jī)采井系統(tǒng)效率的理論研究與管理方法[J].內(nèi)蒙古石油化工，2005，12(2):108-109.

[5]張志遠(yuǎn)，古小紅，王麗麗.提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的方法[J].斷塊油氣田，2001，4(7):59-61.

[6]張靈瑩.主觀指標(biāo)評(píng)價(jià)的模糊綜合評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版)，1998，15(1):34-36.

[7]胡博仲，周繼德，徐國(guó)興.有桿泵井的參數(shù)優(yōu)選和診斷技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社，1999:1-72.

[8]楊海濱.機(jī)采系統(tǒng)效率計(jì)算方法研究與認(rèn)識(shí)[J].鉆采工藝，2005，2(2)64-67.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.035

TE933.3

A

1673-1409(2012)08-N107-03

2012-05-03

劉通(1983-)，男，2009年大學(xué)畢業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事于采油采氣工藝技術(shù)方面的研究工作。

[編輯] 洪云飛