三次采油提高采收率過程中機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能途徑分析

宋揚(yáng) 張德實(shí)

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院；2.大慶油田采油工程研究院）

三次采油是利用物理、化學(xué)、生物等新技術(shù)，通過擴(kuò)大驅(qū)油劑波及范圍，改變流體黏度、組分和相態(tài)，使分散在巖縫中的殘余油重新聚集而被采出的一種增產(chǎn)措施。與二次采油（注水開發(fā)，采收率達(dá)到30%～40%）相比，采收率能夠提高到60%～70%，是未來提高采收率技術(shù)的發(fā)展趨勢。目前，我國東部大部分注水開發(fā)的老油田均已進(jìn)入高含水期，無效水循環(huán)嚴(yán)重，給采油、地面系統(tǒng)等帶來嚴(yán)重的能源浪費(fèi)，因此，三次采油提高采收率技術(shù)的推廣應(yīng)用勢在必行。

在三次采油方面，我國大部分油田以化學(xué)驅(qū)（聚合物驅(qū)、復(fù)合驅(qū)等）為主，熱力驅(qū)（蒸汽驅(qū)等）、注氣驅(qū)（CO2驅(qū)等）在近幾年也都開展了規(guī)模性試驗(yàn)應(yīng)用。在三次采油中應(yīng)用最多的舉升方式是游梁式抽油機(jī)，其次是螺桿泵（主要分布在大慶油田），再次是電潛泵、氣舉等。由于在三次采油過程中油井采出液成分、黏度、產(chǎn)量等均發(fā)生變化，導(dǎo)致機(jī)采系統(tǒng)運(yùn)行效率降低，油井檢修周期縮短，直接影響了油田開發(fā)效益[1-3]。

1 主要問題

1.1 油井機(jī)械采油舉升方式不適應(yīng)

在三次采油中，游梁式抽油機(jī)、螺桿泵、電潛泵等仍然是主要舉升方式。但由于油井采出液黏度、含砂、含氣、結(jié)蠟、結(jié)垢程度與水驅(qū)相比都發(fā)生了較大變化，油井舉升方式需要重新進(jìn)行調(diào)整。例如，油井在水驅(qū)階段采用游梁式抽油機(jī)舉升方式，采用聚合物驅(qū)后，采出液含水率降低，井液黏度變大，油井?dāng)y砂量增加，懸點(diǎn)示功圖顯示桿柱下行阻力變大，抽油泵充滿程度降低，長期運(yùn)行必然導(dǎo)致產(chǎn)量下降、檢泵周期縮短，考慮到螺桿泵舉升方式對于稠油、含砂井適應(yīng)性強(qiáng)，且系統(tǒng)效率比游梁式抽油機(jī)高，因此，應(yīng)適時對舉升方式進(jìn)行調(diào)整[4]。

1.2 抽油機(jī)機(jī)型與油井產(chǎn)液規(guī)律匹配不合理

三次采油階段，油井產(chǎn)液規(guī)律發(fā)生不同程度的變化，以往機(jī)型優(yōu)選一般按油井產(chǎn)能初期的預(yù)測產(chǎn)量選擇機(jī)型，但隨著油田開發(fā)，大部分油井產(chǎn)量呈逐年遞減趨勢。圖1為某區(qū)塊聚合物驅(qū)全過程平均單井日產(chǎn)液量變化曲線。

圖1 某區(qū)塊聚合物驅(qū)全過程平均單井日產(chǎn)液量變化曲線

圖2 是該區(qū)塊1130 口抽油機(jī)井負(fù)載率分布情況。由于單井產(chǎn)液量遞減，直接導(dǎo)致抽油機(jī)系統(tǒng)長期處于低負(fù)荷運(yùn)行，效率降低。另一方面，游梁式抽油機(jī)負(fù)載是一種時變的周期性負(fù)載，啟動初始狀態(tài)要求拖動電動機(jī)的啟動力矩是抽油機(jī)運(yùn)行平均扭矩的4～5倍，甚至更大。當(dāng)啟動力矩滿足抽油機(jī)啟動要求時，負(fù)載功率必然匹配不佳，運(yùn)行負(fù)載功率都遠(yuǎn)小于電動機(jī)的額定功率。該區(qū)塊統(tǒng)計的電動機(jī)平均功率利用率僅為22.7%，過剩的抽油能力令抽油機(jī)的無功損耗顯著增加，造成能源嚴(yán)重浪費(fèi)。

圖2 1130口抽油機(jī)井負(fù)載率分布

1.3 機(jī)采井檢泵周期明顯縮短

油井采出液黏度、含砂、含氣等物性的變化，不同程度地影響了機(jī)采井的檢泵周期。當(dāng)采出液黏度上升時，導(dǎo)致桿柱下行阻力增加，加劇桿管偏磨，同時也導(dǎo)致抽油桿載荷波動幅度增加，在抽油桿疲勞次數(shù)相同的條件下，桿柱載荷波動幅度越大，疲勞損壞概率越大，斷拖概率增大。在熱力驅(qū)、CO2氣驅(qū)油井上，檢泵周期也往往低于水驅(qū)油井，主要是因?yàn)楫?dāng)采出液含氣量增加時，井下泵效率降低，嚴(yán)重時泵效不足20%，如果不進(jìn)行防氣處理，易產(chǎn)生液擊現(xiàn)象，導(dǎo)致桿柱振動增大，不僅加劇桿管偏磨，也使桿管斷拖概率增大。當(dāng)采出液含砂量增加時，柱塞與泵筒摩擦損耗增加，泵漏失導(dǎo)致檢泵概率增大。表1是某油田抽油機(jī)井檢泵周期井次統(tǒng)計表，數(shù)據(jù)表明聚合物驅(qū)井檢泵周期明顯低于水驅(qū)井。

表1 某油田抽油機(jī)井檢泵周期井次統(tǒng)計

1.4 抽油機(jī)平衡技術(shù)需要完善

游梁式抽油機(jī)的合理平衡不僅能夠降低能耗，而且能夠使系統(tǒng)安全運(yùn)行。油井在聚驅(qū)不同階段供液能力波動、采出液黏度增大等，將直接影響抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的變化，而懸點(diǎn)載荷與抽油機(jī)的平衡狀況直接相關(guān)。因此，在油田生產(chǎn)管理中，應(yīng)對抽油機(jī)的平衡狀況進(jìn)行定期測試，并及時調(diào)整，以免造成不必要的能源浪費(fèi)。同時，在判定游梁式抽油機(jī)平衡狀況時，以往一直使用電流平衡法，該方法不能保證抽油機(jī)運(yùn)行中能耗最低，因此，需要進(jìn)一步完善。

1.5 其他問題

此外，當(dāng)油井采用三元復(fù)合驅(qū)時，地層中硅酸鹽、碳酸鹽被井液攜帶到井筒中，并在泵筒、桿管表面產(chǎn)生結(jié)垢，易導(dǎo)致結(jié)垢卡泵事故發(fā)生。進(jìn)行蒸汽驅(qū)時，地層中大量砂粒隨井液進(jìn)入泵筒內(nèi)，使抽油泵磨損加劇，泵效降低，嚴(yán)重時易導(dǎo)致砂埋卡泵事故發(fā)生。進(jìn)行CO2驅(qū)時，當(dāng)大量的氣體采出時，易產(chǎn)生氣鎖現(xiàn)象。這些都是目前三次采油中遇到的問題，如果不能有效治理，會限制三次采油技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用。

2 節(jié)能降耗途徑分析

2.1 地面系統(tǒng)

1）根據(jù)井況條件和不同舉升方式的特點(diǎn)，合理優(yōu)選舉升方式。游梁式抽油機(jī)一般結(jié)構(gòu)簡單、性能安全可靠、使用壽命長，但對于稠油、含氣含砂量大、結(jié)蠟結(jié)垢嚴(yán)重的井適應(yīng)性差，且系統(tǒng)效率不高。而螺桿泵一次投資少，傳動效率、泵效均較高，對于稠油、含氣含砂井適應(yīng)性強(qiáng)，但舉升高度一般在1800 m 以內(nèi)，定子橡膠耐溫、耐介質(zhì)性能差，檢泵周期比抽油機(jī)短。電潛泵生產(chǎn)管理方便，適合高產(chǎn)井，但初期投資高，電動機(jī)、電纜易出故障。

在三次采油中，對于黏度、含氣含砂量變化較大，且舉升高度在1800 m 范圍內(nèi)的油井，應(yīng)優(yōu)先選用螺桿泵采油方式，不僅維護(hù)成本低，檢修周期長，而且在井況條件相同條件下，系統(tǒng)效率比游梁式抽油機(jī)高3%以上。同時，也可根據(jù)產(chǎn)液量、含氣量大小等井況條件，選用電潛泵方式。可見，不同舉升方式具有各自的優(yōu)勢和不足，根據(jù)井況條件優(yōu)選最佳舉升方式，對于油井經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行十分必要。

2）合理提高抽油機(jī)負(fù)載率。根據(jù)圖1 數(shù)據(jù)，對于聚驅(qū)采油井，初期一般產(chǎn)液量短期較高，達(dá)到峰值后逐年降低，按照初期或峰值產(chǎn)液量選擇抽油機(jī)機(jī)型，必然造成負(fù)載率低，電動機(jī)裝機(jī)功率偏高。因此，應(yīng)該根據(jù)聚合物驅(qū)的特點(diǎn)，合理調(diào)整抽油機(jī)選型方法，適當(dāng)提高抽油機(jī)井負(fù)載率，可以建立電動機(jī)調(diào)整庫，制定電動機(jī)利用率下限，對運(yùn)行負(fù)載率偏低的油井及時調(diào)整，有效提升電動機(jī)運(yùn)行效率。根據(jù)研究，在電動機(jī)額定功率范圍內(nèi)，電動機(jī)負(fù)載率每提升10%，電動機(jī)效率可提高7%[5]。

3）研發(fā)針對三次采油井的新型節(jié)能產(chǎn)品。抽油機(jī)井的懸點(diǎn)載荷為周期性變化載荷，波動范圍較大，進(jìn)入三次采油階段后，由于井液黏度、含砂量、含氣量等變化，載荷波動幅度可能更大。而電動機(jī)具有一定額定功率范圍，負(fù)載特性更適合均勻載荷。由于各自負(fù)載特性的不匹配，必然導(dǎo)致電能損耗增加。因此，應(yīng)加強(qiáng)新型節(jié)能產(chǎn)品研發(fā)，一方面加強(qiáng)新型抽油機(jī)研發(fā)，使抽油機(jī)結(jié)構(gòu)更加合理，載荷波動范圍更小。另一方面，加強(qiáng)新型電動機(jī)拖動系統(tǒng)的研發(fā)，使電動機(jī)拖動系統(tǒng)抵抗載荷波動能力更強(qiáng)，從根本上解決負(fù)載特點(diǎn)不匹配的難題。伺服控制系統(tǒng)和功率隨動控制系統(tǒng)就是針對這些問題開發(fā)的新型節(jié)能產(chǎn)品，它們可根據(jù)井況條件適時調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，使油井長期保持高效運(yùn)行狀態(tài)。

4）加強(qiáng)機(jī)采井運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，提高游梁式抽油機(jī)平衡水平。優(yōu)選機(jī)、桿、泵配比，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，確保系統(tǒng)在合理沉沒度下生產(chǎn)，是機(jī)采井長期高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。近些年，國內(nèi)開發(fā)了幾款較好的系統(tǒng)優(yōu)化軟件，在應(yīng)用中取得了良好的效果，因此應(yīng)加強(qiáng)優(yōu)化軟件的使用，并不斷完善提高。另外，對游梁式抽油機(jī)進(jìn)行合理平衡也是確保系統(tǒng)高效運(yùn)行的手段之一。利用功率曲線計算抽油機(jī)平衡的方法，可以在電流法調(diào)整平衡基礎(chǔ)上繼續(xù)降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗，表2是現(xiàn)場利用功率曲線計算平衡的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，平均單井節(jié)電率可達(dá)到3.9%。

表2 利用功率曲線計算平衡節(jié)能效果試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 井下系統(tǒng)

1）加強(qiáng)井下桿管斷拖、偏磨治理。根據(jù)表1聚驅(qū)油井檢泵周期明顯低于水驅(qū)油井。因此，對于三次采油井，應(yīng)及時監(jiān)測井液性質(zhì)變化，適當(dāng)采取技術(shù)措施。例如，對于黏度變化較大的油井，應(yīng)合理降低抽汲沖速，在作業(yè)時下入加重桿，并考慮改用下行阻力小的特種抽油泵。對于CO2驅(qū)這樣氣體含量變化較大的油井，應(yīng)適當(dāng)降低抽汲沖速，作業(yè)時安裝泵下防氣裝置，并考慮在桿柱上加裝減振裝置。

2）加強(qiáng)井下泵卡、泵漏失治理。當(dāng)油井出砂、結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重時，必然導(dǎo)致泵漏失增加，嚴(yán)重時會發(fā)生泵卡死現(xiàn)象，既影響油井產(chǎn)量，也使大量資源浪費(fèi)在作業(yè)過程中。因此對于聚驅(qū)、三元驅(qū)、蒸汽驅(qū)油井，應(yīng)及時監(jiān)測井液成分變化（含砂、含垢量），并在抽油泵下井前提前考慮應(yīng)對措施。一方面，下入具有防砂、防垢能力強(qiáng)的抽油泵，例如軟柱塞泵、敞口泵等；另一方面，在井溫、井深允許的情況下，可考慮采用螺桿泵舉升。

3）加強(qiáng)氣影響治理。在CO2氣驅(qū)井中，氣體含量會明顯增加，游梁式抽油機(jī)舉升對含氣油井具有不適應(yīng)性，可以通過應(yīng)用特種防氣泵，加裝專用氣錨（多杯等流氣錨、旋流式氣錨等）來解決，或改用螺桿泵舉升并加裝氣錨。但對于氣體含量超過一定界限的油井，應(yīng)考慮采用氣舉方式，既利用了地層能量，又降低了舉升能耗[6]。

3 結(jié)語

隨著我國東部老油田相繼進(jìn)入高含水期，三次采油必將替代注水開發(fā)方式。為實(shí)現(xiàn)三次采油階段機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的，必須把地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來。針對出現(xiàn)的新問題，在技術(shù)上開闊思路，敢于創(chuàng)新，在管理上注重科學(xué)管理，規(guī)范管理。通過對三次采油井地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)化管理，不斷提高機(jī)采井運(yùn)行效率，延長檢泵周期，有效降低因故障導(dǎo)致頻繁作業(yè)而造成的各種資源浪費(fèi)，對機(jī)采系統(tǒng)高效運(yùn)行、油田經(jīng)濟(jì)開發(fā)具有實(shí)際意義。

[1]楊龍海,卓興家.三次采油技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].內(nèi)蒙古石油化工,2010,22:92-94.

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[3]郭萬奎,程杰成,廖廣志.大慶油田三次采油技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2002,21(6):1-8.

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[5]宋揚(yáng),姜雪,張德實(shí).抽油機(jī)電動機(jī)合理負(fù)載率的研究[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報,2012,25(2):66-68.

[6]劉玉章,鄭俊德.采油工程技術(shù)進(jìn)展[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006:117-127.