薩北油田抽油機井合理回壓界限試驗研究

馮華勝 羅銳妮 （大慶油田有限責任公司第三采油廠）

薩北油田抽油機井合理回壓界限試驗研究

馮華勝 羅銳妮 （大慶油田有限責任公司第三采油廠）

抽油機井合理回壓試驗研究從抽油機井產液量、能耗及桿管壽命等要素出發，根據回壓對生產成本的影響，并結合地面改造成本，對抽油系統建立了數值模型，并應用計算機程序來計算出不同年限井口回壓的合理范圍?，F場采用控制生產閥門進行井口提升回壓試驗。經過對試驗數據分析，當井口回壓大于0.8 MPa時，能耗增幅超過5.1%，隨著回壓的增大，能耗增幅也逐漸加大。因此，為保證抽油機井系統低能耗合理運行，井口回壓應控制在0.8 MPa以下。通過理論和現場試驗研究確定了有桿泵井井口回壓的合理界限，為今后在地面工程的建設和改造中能夠與抽油機井管理相協調提供了科學依據，具有很好的社會效益和經濟效益。

抽油機井；井口回壓；產液量；能耗；數值模型；合理界限

隨著老油田新增產能和已建系統調整改造地面工程中采取了簡化、優化采出液集輸與處理工藝新措施，如環狀流程、單管集油流程以及縮小管徑、延長集油半徑等，雖然能有效地降低工程投資和操作成本，但也造成機采井地面回壓升高，對抽油機系統產生一定的影響，增加抽油機井耗能、作業維護費用、井筒清防蠟管理費用，也使抽油機井的管理增加了難度。為配合地面工藝新措施，研究地面建設投入成本的減少與機采管理能耗和管理費用的增加的合理回壓界限，進行科學合理的經濟評價，為今后在地面工程的建設和改造中能夠與抽油機井管理相協調，使機采系統低能耗合理運行提供可靠依據。

通過回壓上升對抽油機井產液量和能耗的影響規律，以及對抽油機系統機、桿、管、泵及管理方面的影響，從對產液量、能耗及桿管壽命等要素出發，運用多種理論來闡明回壓對生產成本的影響，并結合地面改造成本，評定出井口回壓的合理范圍[1]。

1 井口回壓對抽油機系統影響規律的研究

1.1桿管形變對產液量的影響

抽油桿、管在外力的作用下會發生彈性變形。根據虎克定律，當應力不超過比例極限時，桿件伸長與拉力和長度成正比，與橫截面面積成反比。

上沖程時，井口回壓增量通過井筒液柱傳遞到活塞上，此時抽油桿受力伸長，油管處于自然狀態。下沖程時，井口回壓增量通過井筒液柱傳遞到固定閥上，此時油管受力伸長，抽油桿處于自然狀態。

由于井口回壓增加的影響，使泵活塞的移動距離縮短，而抽油泵每個周期的產液量降低，使得油井的產液量下降[2]。

1.2井口回壓對抽油泵漏失量的影響

由達西公式推導出壓力變化與漏失液體流速的關系，即

式中：hf為沿程水頭損失，m；λ為沿程阻力系數，無因次；ι/d為幾何因子，無因次；υ為漏失液體流速，m/s；g為重力加速度，9.8 m/s2。

隨著活塞上下壓差的增加，將導致漏失液體流速的提高，則每沖速井口回壓增加引起的漏失量的增量為

式中：QL為漏矢量的增量，m3；ΔV為流速的增量，m/s；T為循環周期，d；K為漏失系數，無因次。

1.3井口回壓對能耗的影響

在上、下沖程中桿管應力變化可根據下式確定：

式中：Δσ為桿管在井口回壓變化下應力變化值，kN；ΔP為井口回壓變化值，MPa；f為桿管截面積，mm2。

所以，上沖程時，井口回壓增量通過井筒液柱傳遞到活塞上，此時抽油桿應力增大，油管不受井口回壓的影響；下沖程時，井口回壓增量通過井筒液柱傳遞到固定閥上，此時油管應力增大，抽油桿不受回壓影響，抽油機的懸點載荷不變。

由于懸點載荷是連續變化的，為了定量分析井口回壓增量對抽油機的懸點載荷的影響，對抽油系統建立了數值模擬模型，模擬抽油機在一個工作循環過程中，井口回壓增加和能耗的變化關系。通過計算得知，隨著回壓的增加，能耗也隨之增加。

1.4井口回壓對管桿使用壽命的影響

抽油桿頂端最大、最小循環應力計算。

式中：Wmax為最大循環載荷，kN；Wf為液柱質量，kg；Lj為各級抽油桿長度，m；Wj為每米抽油桿重度，kN/m3；α=sn2/1790(s為沖速，min-1；n為沖程，m）。

式中：Wmin為最小循環載荷，kN；ρf為井液重度，kN/m3；Aj為各級抽油桿截面積，mm2。

井口回壓增加會使抽油桿最大循環載荷增加，進而使應力增加，使抽油桿壽命降低。上沖程時，井口回壓增量通過井筒液柱傳遞到活塞上，此時抽油桿應力增大，油管不受井口回壓的影響[3]。

鑒于抽油桿壽命的計算既有數值計算過程又有圖解過程，較為復雜，不利于實現計算程序化；因此，針對現有條件的抽油系統參數對抽油桿壽命進行了計算，并以正常井口回壓下的抽油桿壽命作為基準，對不同井口回壓下的抽油桿壽命求得比值，作為抽油桿壽命系數，并繪制了表格，以確定不同井口回壓對抽油桿壽命的影響（表1）。

表1 井口回壓增量對抽油桿壽命的影響

下沖程時，井口回壓增量通過井筒液柱傳遞到固定閥上，此時油管應力增大，抽油桿不受回壓影響。同理，井口回壓增加也會使油管最大循環載荷增加，降低油管壽命（表2）。

表2 井口回壓增量對油管壽命的影響

2 井口回壓范圍評定

井口回壓的增加，必然對產液量、能耗及桿管壽命產生影響，增加生產成本。因此，必須結合地面設備改造所節省的成本，評定出井口回壓的合理范圍，來確定合理的回壓界限。

2.1因產液量降低而損失的效益

式中：FQ為產液量降低而損失的效益，元；VC為降低的產量，m3/d；η為井液中原油含量，%；TY為每噸原油價格，元；n為抽油機沖速，min-1;N為投入有效期，a。

2.2因井口回壓增加所增加的能耗成本

式中：FH為井口回壓增加所增加的能耗成本，元；ΔW為系統能耗變化量，kWh；N為投入有效期，a；TD為每度電價格，元。

2.3因桿管使用壽命降低增加的成本

式中：FS為桿管使用壽命降低增加的成本，元；L為泵掛深度，m；T1為抽油桿單價，元/m；δ1為抽油桿壽命系數，無因次；T2為油管單價，元/m；δ2為油管壽命系數，無因次。

2.4地面設備改造所節省的成本

以集油管線泡沫黃夾克管為例，規格為φ60 mm×4 mm的價格為101元/m，規格為φ48 mm× 3.5 mm的價格為82元/m。對于井距為355 m的油井，該單井提高回壓后管線建設投資可降低6745元。

當集油管線規格為φ60 mm×4 mm時，計算得到井口回壓為0.41 MPa；當集油管線規格為φ48 mm×3.5 mm時，計算得到井口回壓為0.56 MPa。計算參數如下：產液量為78 t/d；含水率為91%；井口出油溫度為36.7℃；水力粗糙度采用0.15 mm；管道終點壓力為0.33 MPa。

2.5井口回壓界限值的確定

在一定的年限內，井口回壓增加所造成的效益損失必須小于地面設備改造所節省的成本。例如，以2年為投入有效期，當該井井口回壓增為0.93MPa時，因產液量降低而減少的效益約為2740元；因井口回壓增加所產生的功耗成本約為2950元；因桿管使用壽命降低產生的成本約為960元。因此，當井口回壓增為0.93 MPa時，產液量降低、能耗增加及桿管壽命降低所產生的效益損失約等于地面設備改造所節省的成本，所以井口回壓不應高于0.93 MPa。

對現場試驗數據進行了分析，分別計算了投入有效期為2、4、6、8、10年的井口回壓，并與現場試驗數據進行了對比，得到不同投入有效期內的井口回壓界限，如表3所示。

表3 不同投入有效期內的井口回壓界限值

隨著油井產液量級別的不同，井口回壓對生產效益的影響也不同，以投入有效期為2年，計算得到在效益損耗相同時，井口回壓對不同產液量級別油井的影響，計算結果如表4所示。

表4 不同產液量級別油井的井口回壓界限值

由于上述計算中沒有考慮井口回壓增加對井口密封等生產日常管理工作帶來的影響，在確定表3的數值時，向減小的方向取了近似值。

3 現場采用控制生產閥門進行提升回壓試驗

根據現場試驗要求選擇泵況好、生產正常的井，按產液量的高低分別選取，在20～40、40～80、80～100、100 t/d四個產液量級別的各5口井上進行現場提壓試驗。

提壓前，在計量間核實量油，并用測試儀測量液面、有功功率、電流等數據。平均提壓4次，提壓幅度為0.2～0.4 MPa，每次提壓后穩定1～2 h，并進行量油、測試數據。抽油機井回壓與產液量、電流、日耗電變化關系曲線見圖1、圖2、圖3。

圖1 抽油機井回壓與不同級別產液量變化關系曲線

圖2 抽油機井電流與回壓的關系曲線

圖3 抽油機井耗電與回壓的關系曲線

從上述圖可以看出，當回壓升高，日產液量逐漸下降，隨著產量級別的提高，產量下降的幅度越大。隨著回壓的上升，抽油機井上、下電流逐漸增大，并且上電流增幅較大。隨著回壓的上升，有功功率和日耗電逐漸增加；當井口回壓大于0.8 MPa時，能耗增加明顯，增幅超過5.1%。

通過試驗錄取數據繪制了各參數與回壓的關系曲線表明，井口回壓增加到0.8 MPa后，隨著井口回壓進一步增加，油井的產液量將明顯減少，而能耗卻會顯著增大，試驗結果與理論計算的結果基本吻合。

4 結論

1）井口回壓的上升使抽油機井的能耗逐漸增加，因此，控制好合理的回壓才能有效降低不合理的能耗損失，對高產井的能耗損失尤為明顯。

2）通過現場試驗數據分析，井口回壓增加到0.8 MPa后，隨著井口回壓進一步增加，油井的產液量將明顯減少，而能耗卻大增；因此，在地面工程改造和集輸工藝措施優化時井口回壓應控制在0.8 MPa以下。

[1]王鴻勛.采油工藝原理[M].北京：石油工業出版社，1989: 63-143.

[2]萬邦烈.采油機械設計計算[M].北京：石油工業出版社，1988:31-56.

[3]李桂喜.抽油桿柱振動載荷分析[M].北京：石油機械出版社，1995:22-25.

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.08.002

2016-02-24

（編輯 李發榮）

馮華勝，高級工程師，1990年畢業于重慶石油學校，從事機采井管理工作，E-mail:fsfeng@petrochina.com.cn,地址：黑龍江省大慶油田有限責任公司第三采油廠工程技術大隊管理室，郵編：163113。