姬塬油田提高機采井系統效率技術研究與推廣

馬驍驊 ，茍利鵬 ，陳小兵

（1.西安石油大學，陜西西安 710065；2.中國石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西西安 710200）

通過提高抽油機井的系統效率來降低能耗、提高經濟效益，是近年油田開發領域重點研究的課題之一。目前機采系統效率總體水平仍然較低，究其原因，除缺少高效的技術裝備，抽油機井生產系統的設計水平及油井管理水平有待提高是重要的影響因素。針對長慶油田姬塬油田所轄油田的特點，開展提高機采系統效率的技術研究，采用系統效率分析方法，形成了一套適合其生產特點的系統效率計算分析方法，建立提高抽油機井系統效率的可行措施。

1 機采井系統效率技術研究

積極開展機采效率三項研究，深入開展機采井系統效率測試，應用仿真技術優化設計，達到降低機采系統能耗，提高舉升效率，確保機采系統高效安全運行，提高開發效益。

1.1 確定合理測試方法

姬塬長2、長4+5、長8油藏大部分呈“低產、低壓、低滲”的典型三低特點，部分油井為間歇出液，不同測試時間段，系統效率結果相差較大。通過對抽油機井系統效率、動液面的連續測試，分析不同油井的出液規律，評價瞬時效率對平均系統效率的影響，確定出合理測試時間及計算方法。

通過機采參數測試可以看出：低產油井存在間歇出油現象，同一口井機采參數動態變化有相對固定的周期性和規律性（見表1）。

η泵>30%：連續測試時間內電機輸入功率與光桿功率比較平穩，油井連續出液。

15%<η泵<30%：連續測試時間內電機輸入功率與光桿功率出現波動變化，油井間歇出液。

η泵<15%：泵效過低，油井間歇出液周期較長，在相對較短的測試時間內，油井出液比較穩定，造成測試結果波動不明顯。

表1 油井出油規律綜合分析

為保證測試數據的準確性和可靠性，能夠真實反映油井抽汲系統效率及能耗狀況，測試時確保電參數、示功圖、油套壓、動液面同步測試。

低泵效油井因間歇出液，在不同時間測量差異較大，因此對低泵效油井，通過連續測試，找出其出液規律，確定測試次數與測試波動規律，計算系統效率的算術平均值，得到較為準確的系統效率值。

1.2 合理的測試方法

（1）泵效≥30%的油井，連續測試3個沖程數據，求取系統效率平均值。

（2）泵效在30%～15%的油井，需延長測試時間，每10分鐘測取一組數據，求取系統效率平均值。

（3）泵效≤15%的油井，連續測試3個沖程數據，求取系統效率平均值。

1.3 仿真技術研究

由于姬塬油田主要開采三疊系長2、長4+5、長6、長8等低滲透油藏，其中低產、低效井所占比例較大；且部分油井存在間隙出油，高能耗、低效率等特點。應用優化軟件理論仿真、現場試驗及測試資料，開展產液量、油井工作參數、抽油機平衡度、電機裝機功率等敏感參數對系統效率的影響因素分析，找出影響系統效率的主要因素，提出有針對性的措施，從而提高系統效率[1]。

以產量、效率、節能三者的協調統一為目標進行參數優化設計。利用敏感性分析結果，計算各種參數對系統效率敏感性程度，根據敏感性程度的大小對需調整參數進行優化調整，做出仿真優化設計，在進行二次敏感性分析，最后得出優化設計結果。

1.3.1 參數優化仿真 工況校核：其目的一是通過診斷模塊對井下泵工況進行定量分析，二是通過對輸入功率分析計算和光桿功率計算，可以得出目前抽油機井的分系統效率狀況。

參數敏感性分析:是對影響抽油機井系統效率的可變參數、不可變參數和管理參數進行影響程度的定量化計算和排序，從而確定主要影響參數，為優化設計提供依據。

1.3.2 能耗最低優化仿真 （1）各種管徑、泵徑、泵掛沖程、沖次一一組合，每一種組合對應著一種機采系統效率，即對應著一種能量消耗和一種管、桿、泵的投入與年度損耗；（2）根據輸入功率計算公式分別計算出每一種機采參數組合所對應的輸入功率；（3）以能耗最低者為所選擇的機采參數（管徑、管長、桿柱鋼級、泵徑、泵掛深度、桿柱組合、沖程、沖次）。

1.4 開展系統效率影響因素分析

影響機采井系統效率因素很多，按照抽油設備、油井工作制度、油井生產動態和設備管理將影響抽油機井敏感性參數可以分為油井可控參數、油井不可控參數和設備與管理參數3個方面共17個因素，其中油井可控參數8個，油井不可控參數5個，設備與管理參數4個[2]。

表2 抽油機井敏感參數

1.4.1 產液量與系統效率的關系 動液面穩定時，產液量越高，有效功率就越高，系統效率也就越高。從圖1看出：在泵深基本不變的情況下，系統效率隨著油井產液量的增加而上升，油井產液量的增加與系統效率正比增加，液量小于10 m3/d的油井，在保持其它參數不變的情況下，增加液量，系統效率增加的幅度較大（大于3.5），當產液量逐步增大而大于10 m3/d以上時，隨著產液量增加，系統效率隨液量依然呈上升趨勢，但方液系統效率增加的幅度將趨緩。

1.4.2 油井工作參數對系統效率的影響 根據抽油機井系統力學分析，沖次、沖程越大，抽油桿在運動中的摩擦耗功越大導致其載荷、摩擦也越大，從而抽油機做功以及輸入功率提高；大泵徑會導致桿柱承受的載荷增加，從而導致電機的輸入功率增加。降低沖程后，抽油桿與液體間的粘滯摩擦做功減小，同時降低沖次可使電機負荷變化周期延長，循環次數減少，有利于系統效率提高[3]。

（1）通過實施優化，復測井系統效率明顯提高；由于本廠所測油井主要為三疊系油藏的油井，60.0%的

油井日產液量在3.0～7.0 m3，通過優化調整，3.5次/分鐘～5.0次/分鐘沖次段復測井方液耗電量都比普測井降低，節能效果明顯。

（2）在供液能力相對較好的區塊及油井，抽油機井沖次由5次/分鐘調大到7次/分鐘以上，泵效和系統效率都將一定幅度增加且方液耗電量也下降明顯。

現場實施及效果：從現場地73-511井調試沖程看出，該井日產液2.85 m3/d，含水5.0%，動液面1 592 m，泵深1 800 m，沖次為5次/分，泵徑為32 mm。在不影響產量的前提下，將該井沖次由5次/分下調到3.5次/分，系統效率可提高7.3%，日節電量6.3 kW·h，單井年累計節電達1 300 kW·h。

1.4.3 泵徑與系統效率的關系 在供液能力允許的前提下，使用大泵徑，可以在較低的抽汲速度下得到所要求的產液量，井下功率將會增加；但增大泵徑同時也增加了油井載荷。在運行參數配置合理的情況下，選用大泵徑一般泵效較高，系統效率也相應較高[4]（見表3）。

表3 按不同泵徑普測井與復測井運行參數統計表

1.4.4 功率因數影響 （見表4，表5）

表4 普測井按電機功率因數不同統計情況表

表5 復測井按電機功率因數不同統計情況表

從表看出，隨著功率因數升高，地面效率有一定提高。功率因素較大（>0.4）的井，地面效率較高，電機運行效率高，且能耗比低功率因數的井要小。所以采取性能優良的電機或其它方法改善功率因數，對抽油機節能有一定的效果。

1.4.5 功率因數影響抽油機平衡度對系統效率影響抽油機的平衡度會直接影響電動機的輸出特性，無論是欠平衡還是過平衡，都會增加系統的輸入功率，造成系統效率降低。理論研究表明：電流平衡度為80%～110%時電動機功率最低（見圖3）。調整抽油機的平衡度在合適的范圍里，可以改善電動機的輸出特性，降低電動機的輸入功率，從而提高系統效率[5]。

結論及取得的認識：（1）地面效率和系統效率同步變化。（2）功率平衡指數位于0.8～1.25區間時系統效率最高，小于0.8次之，大于1.25區間時最低。

1.4.6 各種影響因素之間關系 通過對抽油機井運行敏感參數狀況分析、統計計算，得出各運行參數與系統效率的相關系數（影響程度大小）分別為：沖程0.193，沖次 0.286，日產液 0.789，泵深-0.353，動液面-0.306，泵效0.835，輸入功率-0.018，功率平衡指數-0.245，功率因數0.208。

進行參數影響程度的定量化計算和排序，確定影響姬塬油田系統效率的主要因素依次為：產液量、生產時間、沖次、平衡度、沖程。

2 機采井系統效率技術推廣及效果

2.1 現場開展系統效率測試

2010年以優化調整油井前后測試、新投產建井測試為主，共完成系統效率測試1600口，優化調整1 593井次。

從對比數據可以看出，優化調整井產量平穩，調整前平均日產液4.6 m3，調整后4.5 m3，油井平均系統效率由19.6%提高到23.1%，提高3.5%，平均單井日節電 8.54 kW·h。

通過機采井系統效率優化實施，基本系統實現了機采井的“兩升一降一延長”，兩升即系統效率和抽油泵效穩步提升，一降即機采井能耗明顯降低，油井檢泵周期延長了25 d（見表6）。

表6 部分區塊優化前后系統效率對比表

對調整后1 593口油井進行復測對比，平均系統效率上升了3.9%，單井日耗電由85.22 kW·h下降到77.76 kW·h，平均單井日節電8.54 kW·h，節電率11.33%（見表 7）。

2.2 現場技術對策推廣及效果分析

2.2.1 以軟件優化為依據，結合供液能力，合理匹配抽油參數 以軟件優化為依據，結合地層本身的供液能力，合理匹配抽油參數提高抽油泵充滿程度，今年示范區實施參數優化調整831口，調整參數后，泵效由26.5%上升至29.3%，平均系統效率由19.26%提高到21.34%，從測試看單井日節電6.67 kW·h，年累計節電可達202.3×104kW·h，且油井產液量保持平穩（見表8）。

2.2.2 摸索低產井出油規律，實施低產井間開，提高系統效率 姬塬油田特低滲透特點，決定了大量的低產低效井的存在，這部分井多為間歇性出液，抽油機、電機無功消耗大。通過實施油井間開，縮短開井時間，減少無功作業，大幅度的降低了油井能耗，因此，間開采油是低產低效油井最佳節能方案。

表7 優化調整效果分析

表8 2010年參數優化調整效果對比

對于低泵效油井,開井時間隨著抽油泵效的增加而延長，關井時間隨著抽油泵效的增加而減少,通過對油井動液面的連續測試，可有效確定油井合理的間開制度（見表9）。

表9 間開井能耗測試情況統計

2010年共實施間開171口井，平均單井日節電20.3 kW·h，累計年節電 126.7×104kW·h。

2.2.3 針對低效運行，安裝抽油機無功自動補償裝置無功自動補償技術，采用先進的模糊控制技術，設定功率因數為目標限量，動態跟蹤負載電網無功電能、過壓、欠流等物理量作為控制、執行條件，使功率因數提高。

式中：Qr－需要補償的電容器容量（kVar）；Q－儀器測出的平均無功功率（kVar）；P－儀器測出的平均有功功率（kW）；cos2ΦR－預期補償后的功率因數。

針對部分電機功率因數偏低、處于低效率運行的狀況，通過無功自動補償，可有效改善電網有功功率的輸送能力，減少傳輸電流和無功功率，避免電機運行在低電壓高電流高損耗狀態。

無功功率自動補償裝置安裝34個井組234口井，34個井組變壓器電流合計由2 154.14 A減小到1 291.68 A，平均功率因數由0.35提高到0.82，無功功率下降817.5 kVar，有功功率下降162.3 kW，34個井組日節電達4 095 kW·h，年節電可達149.5×104kW·h（見表10）。

表10 無功補償應用效果

有功節電率=162.3kW/673.92kW=24%

綜合節電率=4 095/17 017.32=24%

2.2.4 試驗小泵徑桿式泵采油技術 實施背景：結合姬塬油田長8油層埋藏較深（2 600 m），動液面較深（1 826 m），泵掛較深（1 964 m）的特點，開展小泵深抽、減載工藝試驗。

結構特點：（1）密封可靠，泵體和油管之間通過機械彈性鎖緊裝置密封；（2）耐高壓（最高30 MPa）、高溫（350℃）和強酸、強堿；（3）泵管為加厚鍍鉻泵管，固定閥罩采用了具有導向筋結構的流線型閥罩，適用于井斜角不大于40°的油井；（4）加裝強起強閉裝置，有利于防氣、防砂。

2010年在原始氣油比較高（最高102.2 m3/t）的黃3、黃57等長8油層油井，根據新井油層物性、試油情況，對日產液量小于10.0 m3，試油動液面低于2 200 m的油井，試驗φ28 mm斜井防氣桿式抽油泵360臺，目前平均生產128 d，生產正常（見表11）。

取得的認識：（1）滿足供采平衡，泵效提高明顯：目前試驗井平均流壓為7.2 MPa（方案要求最低6.5 MPa），流壓保持在合理范圍內，平均日產液 2.78 m3，平均泵效44.6%，相對可對比井，平均泵效提高5.4%，平均系統效率提高4.3%；（2）減載效果明顯：由于具有柱塞面積小（6.16×10-4m2），單井載荷降低 3.5～4.0 kN。

表11 φ28 mm斜井防氣桿式抽油泵使用情況統計表

3 結論

（1）全年完成機采系統效率測試1 600口，優化調整1 593井次，通過優化調整，引進新工藝、新技術，平均機采系統效率提高1.02%，重點區塊平均提高3.5%，日節電 13 964.22 kW·h，年節電 509.7×104kW·h，達到了全年節能減排目的。

（2）通過開展低產油井出油規律研究，確定了低產油井系統效率的測試制度及合理的工作制度；應用仿真技術進一步優化油井最低能耗工作參數，為優化調整提供了目標和方向。

（3）機采系統效率敏感參數分析已成熟應用，綜合運用參數優化、油井間開、無功補償等工藝技術可有效提高機采系統效率。

（4）機采系統還應進一步研究油井出液規律，在找出不同泵效、不同產液量出液規律的基礎上，對連續測試與正常出液時測試數據進行對比，確定修訂系數，制定出更加準確而又便捷的測試與計算方法。

（5）隨著油藏開發不斷深入，低產低效井不斷增多，優化調整工作量加大，工作思路還需進一步調整。

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