油田低產抽油井無級間開試驗與效果評價

郭煒 宋學軍 劉路 孫守淵 陳勇

（1.玉門油田分公司老君廟油田作業區；2.玉門油田分公司鉆采工程研究院；3.玉門油田分公司規劃計劃處）

老君廟油田開發于1939年，是玉門油田的前身，現有抽油機井1062口，開井759口，綜合含水79.69%。近年來，隨著油田進入中后期開采，地區儲層能量下降，油井供液能力差，單井產液量逐步下降，動液面低于泵吸入口，部分抽油機井24 小時連續生產過程中存在出工不出力現象，導致抽油機空轉和井下抽油泵空抽，從而縮短井下桿柱和地面設備的使用壽命。經過現場測試，老君廟油田抽油機井平均系統效率僅為11.3%，距離行業標準有很大差距。為充分發掘抽油機井節能潛力，老君廟油田于2013年6月開始利用現有抽油機井變頻測控器內置定時間開功能，開展了14 口油井無級間開試驗。通過改革油井工作制度，應用專利關鍵技術，不僅提高了泵效、減小了機械磨損，提高了能效、減少了電力消耗，而且降低了員工勞動強度，提高了油田生產管理水平，取得了良好的試驗成果及效益。

1 試驗井的選擇

抽油機井無級間開采用現有變頻測控器內置定時間開功能，以及數字化遠程監控技術，并與“能耗最低機采系統設計方法”相結合，在不影響產量的前提下，通過數據采集分析，優化抽油機系統運行狀態，準確執行合理的間開制度，有效地提高機采系統效率。無級間開試驗井的選擇需滿足以下5個要求：

◇產液量低（試驗選取日產液量小于2 m3的油井）；

◇油井出砂不嚴重、井下管桿泵正常；

◇具備單井量油條件；

◇地面有變頻測控器；

◇應用“能耗最低機采系統設計方法”專利技術，并且現場設備能滿足能耗最低的設計要求。

2 關鍵技術

試驗依托關鍵技術主要包括有桿泵抽油機井輸入功率計算理論、能耗最低機采系統設計方法、抽油機井節能潛力評價技術、帶自動間抽和調整沖速的低功耗抽油機變頻器技術4個部分。

1）有桿泵抽油系統輸入功率計算理論。該理論系統地分析抽油機井采油過程中的各種能耗，重新劃分輸入功率的構成，找出影響各部分功率的油井動、靜態因素，創建各部分功率的具體計算公式，在理論上全面系統地揭示了有桿泵抽油系統能量消耗規律。

2）能耗最低機采系統設計方法。該方法以產量為目標、以能耗最低為準則設計機采系統，突破了傳統上以產量為目標、以懸點載荷最輕為準則進行機采系統設計的理念，所設計的系統載荷略有增加、桿速大幅度降低，因而機采能耗大幅度降低、檢泵周期大幅度延長。

3）抽油機井節能潛力評價技術。該技術基于機采系統效率實現率評價概念，明確了油井在現有技術、設備及油藏條件下的節能潛力，為規模實施機采系統優化設計技術及節能管理提供了監督考核依據和節能降耗工作方向。

4）帶自動間抽和調整沖速的低功耗抽油機變頻器技術。該技術采用一種帶自動間抽和直接沖速控制的低功耗抽油機變頻器，變頻器由操控面板、控制單元、整流單元、逆變單元和遠程接口及報警接口組成，見圖1。

圖1 抽油機井無級間開系統原理框圖

自動間抽功能由控制單元中的自動間抽模塊完成，通過操控面板設定間抽的啟動定時常數和停止定時常數以及間抽使能常數。當啟動定時常數、停止定時常數和使能常數都設定后，自動間抽模塊開始“啟動計時”工作，“啟動定時”結束后，自動間抽模塊通過主控模塊自動停止變頻器輸出，并開始“停止計時”工作，“停止定時”結束前1 min報警接口輸出語音報警信號，外接揚聲器語音報警，“停止定時”完成后，解除語音報警，自動間抽模塊通過主控模塊自動啟動變頻器輸出，開始下一個間抽循環。具體做法是：根據油井的產液量、含水率、動液面、原油物性等綜合因素，結合“能耗最低機采系統設計方法”和油井現場設備確定其無級間開時間。一般設定的最小間歇時間為6 min/次，通過變頻測控器設定該井起抽6 min，停井12 min，即某井每天需開井8 h，停井16 h 間開工作制度。通過這樣的短間歇間開工作制度，一方面滿足產液要求，另一方面大大降低抽油機能耗，同時有利于降低設備的磨損。

3 試驗運行過程

首先選取滿足產液量低、井下出砂不嚴重、泵不漏、管不漏、地面具備單井量油條件和變頻測控器的14 口井，應用“能耗最低機采系統設計方法”專利技術，在變頻條件下，地面沖速調至最低的情況下，功圖仍然顯示充滿系數低、供液不足，在此基礎上，對這14口井實施間開工作制度。

3.1 測試液面

每隔2 h 對正常起抽的油井測一次液面，連續測試8 h，繪出液面變化曲線；同時每隔2 h對停抽的油井測一次液面，連續測試8 h，繪出液面恢復曲線。通過對4口井的監測，結果發現產液量較高井液面恢復明顯，產液量較低的井液面恢復平緩，若按常規的間開方法，這些井需停井8 h 以上，這會造成冬季管線冷凝，且有細粉砂沉淀導致井卡的可能。試驗結果表明：通過無級間開，能有效解決冬季管線冷凝和砂卡的問題，而且無級間開的抽油機井液面經過短暫間歇后有所恢復，恢復曲線見圖2。

3.2 測試示功圖

對正常起抽的油井進行示功圖測試，查看其充滿系數，通過其充滿系數制定合理的開停井時間。通過對間開井的功圖跟蹤，結果發現充滿系數越低的井，停井時間越長。由于不同油井能夠達到的泵效不一樣，很難找到最佳開停井時間，只能憑示功圖和經驗判斷。試驗結果表明：這些低產井通過無級間開，根據功圖觀察，供液能力跟以前比有所改善。

圖2 間開井液面恢復曲線

圖3 功率因數比對圖

3.3 通過變頻測控器設定無級間開時間

不同油井產液量、含水率、動液面、原油物性各不同，油井能夠達到的泵效是不一樣的，結合“能耗最低機采系統設計方法”專利技術能夠計算出不同油井能夠達到的泵效，以此來確定每天的開停井時間，通過變頻測控器設定開井和停井時間，一般按最小間歇時間為6 min/次，最大24 min/次執行。

3.4 單井液量計量裝置進行量油

為了充分核實無級間開措施前后油井產液量變化情況，在間開試驗期間通過單井單罐量油和單井液量計量裝置兩種量油方式，每天進行產液量連續跟蹤，從跟蹤結果看，間開井與之前的產量相比保持穩定。

4 效果評價

2013年12月至2014年4月，玉門油田節能監測站對老君廟油田實施14 口抽油機井無級間開試驗效果進行了跟蹤測試評價。

實施無級間開14 口井，其中具備評價對比條件的有12口井，其余2口井因進集輸系統無法單量油井產液量。間開試驗井冬季運行平穩，未出現井卡、管堵、管凍現象。測試期間設備運行正常，符合測試要求。從測試評價匯總結果看出：

圖4 系統效率比對圖

1）功率因數（限定值≥0.40）。12 臺抽油機安裝變頻測控器前電動機功率因數平均值為0.269 6，安裝后提高到0.626 5，全部達到了行業標準限定值，合格率為100%，安裝前后對比見圖3。

2）系統效率（限定值≥12.86%）。12臺抽油機井，間開試驗前平均系統效率為3.30%，試驗后提高到8.34%。其中達到行業標準限定值的3 臺，平均系統效率提高了60.43%，見圖4。

3）單耗（噸液百米有功耗電量）。間開試驗前，12臺抽油機井平均單耗值為9.14 kWh/(100 m·t)，試驗后下降為2.52 kWh/(100m·t) ，下降幅度為72.43%，見圖5。

4）泵效有了較大的提高。從12 口井抽油泵的充滿程度比對看，抽油泵的充滿程度較試驗前有了大幅度的提升，泵效由試驗前的9.39%提高到的42.14%，泵的工作效率有了較大的提高。

5）單井輸入功率、無功損耗下降，節電率較為顯著。從測試數據看，在產液量基本不變的情況下（試驗前平均單井產液量為0.90 m3/d，試驗后平均單井產液量為0.88 m3/d），12 口井的平均沖速由原來的5.26 min-1下降為2.68 min-1，抽油機井的平均輸入功率由原來的2.17 kW下降為1.41 kW，下降幅度為35.02%；平均功率因數由原來0.269 6 提高到0.626 5，功率因數完全達到了《SY/T 6275—2007 油田生產系統節能監測規范》標準的要求。平均有功節電率69.95%，平均無功節電率79.26%，平均綜合節電率70.19%，日節電量為37.64 kWh。

圖5 噸液百米單耗比對圖

6）抽油機沖速降低及油井開井時間的減少，降低了設備的磨損。由于抽油機地面沖速的下降及油井開井時間的減少（平均開井時間由原來的每天24 h，下降到目前的10 h），慢沖速抽汲及油井開井時間的減少，降低了抽油機及井下桿柱的磨損，減緩了桿、管、泵的磨損和疲勞速率，有利于延長油井的檢泵周期，又延長其使用壽命，同時提高了泵的工作效率。

5 效益分析

5.1 投資情況

構成機采系統的參數有生產參數、地質參數、物性參數和設備參數4 類。前3 類與設計相關，但與成本無直接關系，只有所設計的設備參數與成本直接相關。構成機采系統的設備參數包括：桿、管、泵、沖程、沖速。老君廟油田12 口抽油機井無級間開試驗的投資費用如下：

◇桿、管、泵：地面調參井井下桿管泵沒有變化，檢泵井所用桿管長度有輕微調整，但總體無需增加投入;

◇沖程：本次優化及地面改造按抽油機不調沖程進行，故無需增加費用;

◇沖速：為實現“能耗最低機采系統設計方法”設計的沖速，以及實現無級間開工作制度配備12臺變頻測控器，增加變頻測控器的費用為48萬元;

◇技術服務費：抽油機井機采系統效率測試與變頻測控器安裝維護等技術服務費用為55.8萬元。

5.2 經濟效益預測

1）降低能耗成本。12 井加裝變頻測控器，實施能耗最低機采系統參數優化，并實施間開，年節電15.79×104kWh，每度電按0.55 元計，年節約電費8.68萬元。

2）降低檢泵作業成本。由于能耗是機械磨損的動力，機采能耗的下降，機械磨損必然減少，能耗下降，油井檢泵周期相應延長，檢泵作業費則相應降低。大量實踐表明，檢泵周期的延長率與節電率是對應的。根據測試結果，間開試驗井12 口平均單井有功節電率可達到69.95%，平均檢泵周期將相應地延長約0.699 5 倍，若平均單井每次檢泵作業費用按30 000 元計，試驗前平均檢泵周期約500天，試驗后平均單井年檢泵作業費用將節約9013元，12口抽油機井預計每年可節約檢泵作業費用共計10.82萬元。

兩項成本合計，平均每年可節約19.5萬元。投資回收期2.86年（變頻測控器和技術服務費為一次性投入4.65 萬元）。除上述節電直接經濟效益及節約檢泵作業費用外，因減少作業占井時間而增產原油的經濟效益未計。

5.3 社會效益預測

抽油機井實施無級間開，最大程度挖潛油井節能潛力，達到節能降耗目的，降低了員工勞動強度，提高了低產井的機采系統效率和泵效，降低了產液單耗，可減少機械磨損，延長油井設備使用壽命。如按1 kWh電消耗0.334 kg標煤，產生0.98 kg二氧化碳當量的溫室氣體計算，12口井實施間開，每年節約用煤52.74 t，減少二氧化碳的溫室氣體排放154.74 t。

6 結論

老君廟油田利用變頻測控器裝置進行抽油機井無級間開試驗，可根據油井的供液能力，在產液量基本保持穩定的情況下，合理地設計抽汲參數組合及開井時間，降低電動機的輸入功率，有效避免設備做無用功，能夠取得較好的節能效果及經濟效益。下一步，油田將對產液量小于2 m3/d的油井進行推廣，并對產液量大于2 m3/d的油井實施間開試驗，擴大該技術的應用。