低滲透油田抽油機選型優化技術研究

梁毅石海霞　樊松趙春甘慶明鐘英

（1.長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.長慶油田分公司第一采油廠）

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低滲透油田抽油機選型優化技術研究

梁毅1石海霞1樊松1趙春1甘慶明1鐘英2

（1.長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.長慶油田分公司第一采油廠）

低滲透油藏單井產液量普遍較低，要想實現油田的效益開發，必須進行優化設計，調整抽油機型號、提高系統效率，進而降低投資和生產運行成本。懸點載荷是確定抽油機機型的主要依據，從降低抽油機懸點載荷入手，開展了供排協調優選泵徑、抽油桿提強度降桿徑設計、定向井懸點載荷預測等技術研究，形成了低滲透油藏抽油機優化選型方法。通過現場應用表明，新投井應用大機型抽油機比例明顯減少，新投井抽油機額定載荷下降了11.7kN，系統效率提高1.2%，平均單井抽油機投資減少0.7萬元，日耗電量減少9.2kWh，達到了提高系統效率、降低投資和運行成本的目的。

低滲透油田抽油機型號懸點載荷系統效率H級抽油桿

長慶低滲透油田的特點是低滲、低壓、低產，油井全部采用有桿泵方式生產，與東部高產油田相比，原油生產對機、桿、泵要求有明顯不同［1］。長慶油田有桿泵采油設計一直沿用傳統的方法［2］，未充分考慮“低液量、定向井”的實際情況，且隨著油田大規模建產，采油井數及井深逐年增加，8型以上抽油機占了2/3，造成油井效率低、成本高［3］。

理論分析表明［4-5］，抽油機懸點載荷越大，抽油機機型及拖動電動機的功率則越大，所需投資和運行費用也就越多［6］。因此，圍繞如何減小抽油機懸點載荷、降低機型，開展了低滲透油田抽油機選型優化技術。

1　抽油機選型影響因素

通常在進行采油井抽油機選型設計時，懸點載荷并無準確數據，主要是依據投產參數和管柱組合設計數據進行載荷預測，負載率按照70%～90%選取，從而確定抽油機型號，因此降低抽油機懸點載荷是優化抽油機選型的核心。

計算抽油機懸點載荷時主要考慮桿柱載荷、液柱載荷，計算公式如下：

式中：

Pmax——懸點最大載荷，kN；

A——不同泵掛深度最大載荷系數；

S——沖程，m；

n——沖速，min-1；

Ar——抽油桿截面積，m2；

ρr——抽油桿密度，t/m3（鋼桿7.85t/m3）；

ρl——液體密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

LP——泵深，m；

AP——抽油泵柱塞截面積，m2。

由公式（1）可知，抽油桿直徑、抽油泵泵徑、沖速是影響抽油機井懸點載荷的主要因素。由于沖速在抽油機運行過程中調整較為方便，且低滲透油藏抽油機一直采用較低沖速運行，降低抽油桿直徑和抽油泵泵徑就成為了降低懸點載荷的關鍵。

2　抽油機選型優化技術研究

2.1抽油桿提強度降桿徑設計

鋼桿抽油桿柱設計一般采用等強度設計原則，即各級桿柱頂端面的應力范圍比或折算應力相等。由表1可以看出，同一下抽油泵徑（φ32mm）、下泵深度（1500m），在滿足抽油桿柱使用強度的條件下，抽油桿柱比例不同，整個抽油桿柱的重量也不一樣，減小抽油桿柱直徑可以顯著降低抽油桿柱重量。因此，以抽油桿柱重量最小為設計目標，直接選取當前抽油桿柱所能達到的最高強度，在抽油桿柱許用應力范圍內使抽油桿柱直徑減小，同時H級抽油桿比D級抽油桿有更高的強度，因此應用H級超高強度抽油桿，進一步減小抽油桿柱重量，實現抽油機懸點載荷的降低，為抽油機選型增加可選余地。

表1　D級不同桿柱組合比例下懸點載荷統計

在考慮應用H級抽油桿實施降桿徑設計時，為保證抽油桿下井后正常生產運行，同時有較長的下井壽命，關鍵是確定其使用界限，采用API修正古德曼方法確定H級抽油桿使用界限。其計算公式為

式中：

SF——抽油桿使用系數；

σb——抽油桿最小抗拉強度，MPa；

σmin——最小應力，MPa；

σmax——最大應力，MPa；

［］σmax——許用最大應力，MPa；

PL——應力范圍比，%。

在采用φ38mm抽油泵、安全系數為1.3的條件下，運用修正古德曼法對不同桿徑的H級抽油桿進行最大下深進行校核得出：φ16mm抽油桿最大下深為1600m，φ19mm抽油桿最大下深為1800m，φ22mm抽油桿最大下深為2400m，見圖1、圖2、圖3。

考慮到低滲透油藏多為叢式井組定向井開發、井筒狀況較為復雜，抽油桿易疲勞受損等問題，確定在下泵深度小于1800m的油井上采用抽油桿提強度降桿徑的設計方法。不同泵深下的D、H級抽油桿桿柱組合見表2。

圖1　H級φ16mm抽油桿強度校核

圖2　H級φ19mm抽油桿強度校核

圖3　H級φ22mm抽油桿強度校核

2.2供排協調，優選抽油泵設計

抽油機井供排協調是地層的供液能力與抽油泵排液能力之間關系，供液能力曲線即IPR曲線反映了油井當前的生產潛力，抽油泵排出曲線反映了泵的排液能力，把2條曲線疊合在一起，使兩者有機的結合起來，構成了油井的“供排協調圖”，只有在供排協調點處，油井方可獲得最大舉升產量和舉升效率。

表2　D級、H級抽油桿組合優化設計比較

長慶低滲透油田平均單井日產液4.7m3，在單井日產液5m3、泵效45%的條件下，繪制供排協調圖（圖4），對于日產液5m3左右的采油井，僅與φ28mm抽油泵存在有供排協調點，當泵徑大于28mm時無供排協調點。

圖4　日產液5m3采油井供排協調圖

通過理論公式計算分析，在日產液量、沖程、沖速及抽油油桿組合相同的條件下，抽油泵徑由φ32mm降到φ28mm時，懸點最大載荷由54.3kN降低至51.4kN，見表3。

表3　不同泵徑的泵效與懸點載荷對比

統計長慶油田日產液低于5m3油井平均泵徑約為32mm，泵效僅為20.7%，因此在日產液低于5m3的油井應用φ28mm抽油泵，替換原有的φ32mm抽油泵，可有效降低懸點載荷。

3　現場應用

2012年通過規模應用抽油機優化選型技術，新投井大機型抽油機應用比例明顯減少。與2010年優化前相比，2012年新投井10型機比例由39.8%下降至4.6%；8型機比例由35.7%下降至18.4%，見表4。

對優化后投產的448口油井進行現場測試，與優化前投產井相比，抽油機額定載荷下降23.2kN（下降2個機型），懸點最大載荷下降10.1kN，泵效提高了5.4%，系統效率提高了1.2%，日耗電量下降了9.2kWh，年節約用電2864×104kWh，見表5。

表4　2010—2012年新投井抽油機應用機型對比

表5　現場測試效果對比

4　結論

1）運用H級抽油桿降低抽油桿直徑、供排協調優選泵徑、優化懸點載荷預測計算等技術和方法，有效地降低了抽油機井懸點載荷，降低了抽油機型號，可達到系統效率、減少建設投資和生產運行成本的目的。

2）提高抽油桿強度、抽油桿降低抽油桿直徑技術應用時，應先依據抽油桿力學性能參數，結合井筒狀況，考慮安全系數，計算最大下入深度后，方可進行桿柱組合優化調整。

［1］馬會寧.新型節能抽油機技術推廣應用［J］.石油石化節能，2012，2（9）：26-27.

［2］葉利平，崔培慶.有桿泵抽油機井抽油參數設計及規劃方法［J］.石油鉆采工藝，1997（3）：63-69.

［3］胡博仲，董福洲，周繼德.有桿泵井抽油參數的優化設計［J］.石油鉆采工藝，1990，12（2）：107-112.

［4］張琪.采油工程原理與設計［M］.東營：中國石油大學出版社，2000：103-117.

［5］劉彩玉，張彥，張玉斌.在役有桿泵抽油系統可靠性評估［J］.石油礦場機械，2005，3（47）：47-50.

［6］周漢鵬，郝衛國，李東平，等.抽油機曲柄斷裂原因及預防措施［J］.石油礦場機械，2007，36（12）：52-55.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.09.001

2015-05-07）

梁毅，工程師，2008年畢業于西南石油大學（油氣田開發專業），從事采油工藝技術研究工作，E-mail：lyi08_cq@petrochina. com.cn，地址：陜西省西安市未央區明光路長慶油田油氣工藝研究院，710018。