叢式井采油舉升技術研究進展

秦騰，檀朝東*，任桂山，周旭

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叢式井采油舉升技術研究進展

秦騰1，檀朝東1*，任桂山2，周旭3

中國石油大學（北京），北京昌平，102249；2.中國石油大港油田公司，天津大港，300280；3.華北油田公司生產運行處，河北任丘，062500）

近年來，叢式井鉆完井技術得到了快速的發展與應用，各大油田的科研人員在叢式井采油技術方面也作了大量的研究和探索。本文從叢式井的特點及應用于叢式井的節能技術等方面，對叢式井采油技術的研究進展進行綜述，簡要分析了各采油方式的優缺點，并對未來研究方向進行了展望。

叢式井；抽油機；采油模式；研究進展

引言

隨著定向井鉆完井技術及配套設備的日臻成熟，叢式井在各大油氣田的開發過程中得到了快速的發展與應用，但與之相配套的叢式井采油技術的發展卻稍顯滯后。目前，各大油田在叢式井場仍主要采用與分散的單井相同的采油模式，沒有充分利用叢式井井距小的優勢，在降本增效方面存在較大的提升空間。針對目前存在的問題，科研人員在適用于叢式井的采油模式及配套調控技術等方面作了大量的工作，也取得了一些進展，本文調研了近年來針對叢式井所發展的采油技術，簡要分析了各技術的優缺點，并對未來研究方向進行了展望。

1 叢式井采油技術的研究概況

叢式井是在定向井技術的基礎上發展起來的一項工藝，指的是在一個井場或平臺上，鉆出若干口井，各井井口相距數米，而各井的井底則伸向不同的方位和深度。國外定向井技術的應用始于1932年，美國在加利福尼亞州海岸上打定向井開發海上油田，至二十世紀五十年代至八十年代，隨著海上勘探大規模展開，海洋油田不斷發現。為了經濟合理地開發這些油氣田，對定向井及叢式井技術展開了大規模的試驗，并取得重大的成果[1]，隨后叢式井技術被廣泛應用于海上油田及沙漠油田的開發。

國內在叢式井方面的研究與應用稍晚，1956年，玉門油田首開先例，利用定向鉆井技術取得較好的開采效果，由此該鉆井技術被廣泛使用。至七十年代，定向井技術在海洋油田的開發中迅速發展，其中在渤海海域的縱式井中，有十二口定向井在同一座鉆井平臺上進行施工[2]，即形成了所謂的叢式井。八十年代至今，隨著對國外先進設備和技術的引進以及我國自主研發能力的增強，我國的叢式井技術逐漸成熟，其應用范圍也不斷擴大，在陸上低滲、特低滲以及常規油氣藏的開發中，叢式井在提高其開發的經濟效益方面也顯現出了巨大的優勢。

叢式井采油技術是指在石油開采中（甚至包括天然氣、瓦斯氣開采）充分利用叢式井的優勢，聯合叢式井鉆井技術、叢式井抽油機及其輔助設備技術、自動化控制技術、GPS通訊遠程控制技術等先進技術，使用一種先進的叢式井鉆采系統進行相應的油氣礦藏的開發技術[3]。自叢式井鉆井技術出現以來，叢式井場幾乎一直都是采用與單井相同的采油模式，但近年來隨著新開發油氣藏條件變差、在其它方面降低成本的潛力越來越小，油田科研人員提出了發展能充分利用利用叢式井井口集中、井距小的優勢，具有更高生產效率的叢式井采油技術。國內外多個科研單位分別從適用于叢式井的抽油機、采油模式、調控技術等多個方面展開了研究，并取得了一定的成果，但由于成本較高或者配套設備難達標等因素的影響，大多數研究仍處于試驗或者小規模應用階段，難以大規模推廣。就目前的應用情況來看，可以說叢式井采油技術仍處于探索和發展階段。

2 叢式井采油節能技術

傳統的采油模式效率低、成本高，無法充分發揮叢式井的優勢。針對叢式井的特點及目前存在的問題，國內外專家提出了多種適用于叢式井的采油技術，下面對現有的已投入或即將投入現場應用的叢式井采油節能技術作相關的介紹。

2.1 一機雙井采油技術

針對叢式井井距小的特點，國內外許多專家提出‘一機雙井’（也稱‘一機雙采’）、‘一機多井’（也稱‘一機多采’）的概念，并形成了多種抽油機設計方案及專利。一機雙井采油技術指的是利用兩口井上下懸點載荷交替變化的特點，實現一臺抽油設備同時帶動兩口井采油，兩口井“互動自平衡”抽油，從而降低設備投資與生產能耗的一種采油技術。

1989年大慶油田設計制造了了我國第一臺游梁式雙槽驢頭雙井抽油機樣機[4]，揭開了我國研發叢式井專用采油設備的序幕。該抽油機增加了支架和滑輪系統，但省去了一臺抽油機，且滑輪與支架的加工難度和復雜程度較小，成本明顯低于兩臺單井抽油機，但這種抽油機的占地面積較大，影響其它抽油機的安裝。隨后在九十年代，又出現了基于雙驢頭結構的游梁式雙井抽油機（如圖2所示），這種抽油機省去了滑輪與支架結構，占地面積減小，并且具有較好的節能效果。

隨后也出現了各種改進型的雙井抽油機，但這些設備由于對井距要求高、適用性差，成本較高，故障率高等原因，大多數未能進行推廣應用。針對上述問題，大慶油田研究設計了能夠適用一定井距范圍，實現雙井不同運行參數的塔架式一機雙井抽油機[5]（見圖3）。該抽油機可通過可調式組合支撐臂來適應不同井距，實現較高的井口對正精度；可調節式配重結構有主副兩套配重，雙井工作時只采用主配重；單井工作時，將主、副配重連接在一起，以保證無論是雙井運行還是單井運行時都可獲得較好的平衡效果；為了滿足驅動相鄰兩口井的不同產量需要，在滾筒上安裝變沖程襯套，沖程與驅動滾筒的直徑成正比，通過改變滾筒直徑即可實現兩口油井不同沖程運行。該抽油機于2011年11月在大慶油田第七采油廠敖包塔作業區投入使用，（截至2016年）已應用11臺[5]。通過改進結構，增加控制單元可以進一步提高該抽油機工作效率，從而進一步改善節能效果。

2.2 一機多井采油技術

‘一機多井’的采油概念幾乎是與一機雙井的概念同時被提出來的，該技術指的是利用一臺抽油機，通過傳動裝置，帶動多口井往復抽動，從而達到多口井的抽油目的。由于存在井距適應性更差，作業讓位困難，系統結構復雜，多井平衡調節難度大等問題，一機多井采油技術的發展明顯滯后于一機雙井。隨著一機雙井技術逐漸成熟，且在現場應用中取得了較好的節能效果，勝利采油院的科研人員在此基礎上展開了一機四井的研制，于2014年初在勝利油田石油開發中心勝科管理區草4-12號平臺進行了現場試驗，并獲得成功（結構圖[6]見圖4，部分結構未畫出（圖中省略部分））。

‘一機多井’技術的關鍵是利用多井負荷互為平衡來實現節能降耗。多井負荷采用相位角分度技術，也就是按抽油機井數將360°等分，多井之間利用相位角的不同互為平衡[7]。理論上，該技術不受井數限制，可實現‘一機三井’甚至更多油井的聯動抽油，但從傳動機構的復雜程度以及能耗平衡等方面綜合考慮，‘一機四井’具有最佳的節能效果。此外，處于研究中的還有輪盤式、同軸式以及鏈輪式一機多井抽油機，不過由于這些技術的成熟度不如游梁式抽油機，很少應用于現場，這里就不作介紹。

2.3 一站雙井采油技術

以液壓傳動技術為特征的液壓抽油機具有采油經濟性好、質量輕、體積小、沖程長度及沖程次數可實現無級調節和工作性能優越等特點[9]，其包含的設備主要有：電動機、液壓泵、油缸（或液馬達+滾筒）、機架、油箱、平衡系統等（通常電動機、液壓泵和油箱等會較密集的組裝在一起，以一個“液壓工作站”的形式出現在現場）。以液壓抽油機為基礎的‘一站雙井采油技術’指的是利用一臺液壓工作站同時為兩口油井提供動力，兩口井交替上下運行，進行下沖程的井所產生的能量用于輔助支持另外一口井上沖程，雙井互相平衡的一種采油方式。

從定義上看，一站雙井采油技術其實就是一機雙井采油技術的一個實例，但一站雙井是基于液壓抽油機的，其能量回收利用方式及系統組成與基于游梁式抽油機的一機雙井有所不同，故現場采用了不同名稱（‘一機多井’與‘一站多井’的區別與之同理）。

圖5 一站雙井采油系統示意圖

圖5所展示的就是以Lufkin液壓抽油機為代表的一站雙井液壓采油系統的結構示意圖，兩個油缸交替上下運行，下行油缸將重力勢能通過液馬達/泵二次元件[8]轉變成液壓能，與原動機一起提供能量，驅動上行油缸，兩口井互相平衡，蓄能器（ACC）只在其中一口井停止工作時才啟動。但由于該系統所采用的高性能液馬達/泵二次元件主要依靠進口，成本較高，故目前在我國沒有得到推廣應用。我國也自主設計了可實現雙井采油的使用簡單閉式液壓回路回收液壓能、飛輪儲能以及電能回收等類型的液壓抽油機，并進行了相關的試驗，由于節能效果不佳，結構復雜等問題，仍需要進一步的研究和改進。

2.4 一站多井采油技術

一站多井采油技術指的是由一個液壓工作站為多口油井提供動力，利用各井負荷交替變化的特點，，實現以較小的裝機功率達到多井原油舉升目的一項采油技術。該技術的節能原理是，各井在運行過程中只在上沖程需要液壓站為其提供動力，而下沖程則依靠抽油桿和抽油泵等井下運動部件的重力下行，通過調整各井的工作參數，錯開各井的運行狀態，并且對進行下沖程的井的能量加以回收利用，即可選用功率較小的液壓泵站、使驅動電機工作在效率更高的負載區間，從而可在不降低原油產量的前提下大幅降低生產成本。

圖6 一站多井液壓排采系統工藝原理圖

圖6所示為徐盛[10]基于水基動力無桿抽油裝置所構建的“一站多井”液壓排采系統，該系統主要由地面液壓站系統和井下泵系統２大部分構成；地面液壓站系統為井下泵提供動力，驅動井下泵液壓元件運動，實現原油舉升。限于水基動力無桿抽油裝置技術成熟度的影響（目前實際應用中是基于“一站一井”來實現的），該采油系統只進行了仿真分析，還沒有投入使用。基于產品技術成熟度的影響，大港油田與中國石油勘探開發研究院合作研制了基于液壓抽油機的一站多井采油系統，把水基動力無桿泵換成了有桿泵，動力由位于地面的液壓抽油機提供，一臺液壓站同時為多口井的液壓缸提供動力，節能原理與之相同。該一站多井采油系統有望在2018年進入現場，對于推動叢式井采油技術的發展具有重要意義。

2.5 公共直流母線技術

公共直流母線的基本結構是將變頻器分解為整流和逆變兩個部分，一臺較大的整流單元供應多個逆變單元，每一個逆變單元的直流母線均并聯在一起[11]。該技術具有較廣的適應性，可應用于抽油機井、電泵井等各種需要集中配電及控制的場合，且與傳統變頻器相比，減少了整流單元的數量，大幅降低了設備方面的投入。

另一方面，在油田廣泛使用的游梁式抽油機屬于位能性負載，在一個沖程周期中的某一段時間存在負載帶動電機運轉，電動機處于“倒發電”的狀態，尤其當配重不平衡時，電動機的倒發電狀態尤為嚴重。以往這些發出來的電能用在電動機的發熱上及線損上，或是通過電阻發熱而白白浪費掉了，無法加以利用。針對這種情況采用共直流母線技術將多臺抽油機的控制變頻器共用一臺整流器，將其直流母線并聯在一起，可實現抽油機在下沖程運行時，將所發電能貯存在變頻器電容中，以供給其它抽油機使用[12]。而且在公共直流母線上有預充電裝置，各逆變單元的并聯電容相互并聯，使得儲存容量變大，這樣不僅起到了節能降耗作用，還有利于克服“泵升電壓”，使設備安全平穩運行。

3 叢式井采油技術的發展方向

與單井采油技術相比，叢式井采油技術具有十分明顯的優勢，因此近年來得到了越來越多的關注與應用。總結目前的叢式井采油技術所存在的優缺點，可以預見其接下來的發展方向主要會集中以下幾個方面。

3.1 研發叢式井專用抽油機并提高制造工藝水平

近年來叢式井鉆完井技術得到了較大的發展并日趨成熟，但叢式井采油技術卻相對落后，其中一個重要的原因就是配套的采油設備發展緩慢，國內大多數油田在叢式井場采用的最多仍是游梁式抽油機，為達到進一步節能降耗的目的，應充分利用叢式井井距小的特點，大力發展和推廣一拖多叢式井專用抽油機。

同時，應提高抽油機配套設備的工藝制造水平，比如目前應用于一機多井的減速器和液壓抽油機的液壓系統密封等問題，極大的限制了一機多井以及一站多井采油技術的推廣應用，優質的配套設備是構建穩定、高效叢式井采油系統的基礎。

3.2 向液壓化、無桿化方向發展

一方面，與機械傳動相比，液壓傳動技術具有設備體積小、輸出功率大、工作過程平穩、易于自動化控制、布局靈活等優點。以液壓傳動技術為基礎研制的液壓抽油機具有液壓傳動技術的優點，其對于沖程、沖次的良好調節性可以最大限度的發揮中后期油田的產能，能較好滿足對深井、稠油井和特殊環境油井的采油要求，對油田生產具有良好的經濟性[13]。

另一方面，隨著全國各大油田進行斜井開采的油井不斷增加，有桿采油設備的管桿偏磨問題更加突出，不僅增加了能耗和維修成本，還嚴重影響了油田的穩定生產。而電潛螺桿泵、水力射流泵以及上述提到的水基動力無桿泵等無桿采油設備則很好的解決了管桿偏磨的問題，同時還簡化了地面設備，減小了占地面積。因此，從技術的先進性及對現場的適應性來說，液壓化和無桿化是叢式井采油設備發展的必然方向。

3.3 完善配套的智能監測設備及控制系統

隨著自動化技術及相關硬件的發展，國內各大油田相繼對各礦區井場進行了數字化、智能化的改造，可實現對各井動液面、產量、原油含水率以及示功圖等參數的遠程實時監測以及抽油機沖次的遠程自動調控等功能。但目前的水平距離建成技術成熟的智能化油田還有較大的距離，首先，各傳感、監測設備的精度有待進一步提高，精確的獲取油井的工作參數是后續診斷優化及精準調控的基礎，要想最大限度的降低生產成本就要改變目前仍略顯粗獷的計量及調控模式。

其次，目前的調控多是針對單井進行的，且沒有充分利用采集到的數據。對于叢式井采油來說，不僅要考慮通過調控使單井供排協調，還要考慮各井的工作制度對同一井組中其他井的影響，使各井之間協同工作、互相配合，從而使整個系統總的能耗最低，效率最高。此外，還要利用合適的智能算法，充分挖掘所采集參數的信息，從而構建針對叢式井的更加完善的控制系統。

4 結束語

在現如今各油田對節能環保要求越來越高、土地資源日漸緊張、人力成本迅速增長的背景下，叢式井采油技術所具有的舉升效率高、占地面積小、后期管理維護工作量小等優點使其具有巨大的應用前景。盡管目前由于配套設備的制造工藝以及成本等方面的限制，叢式井采油技術仍處于小規模的試驗和探索階段，但相信隨著研究的深入以及設備制造工藝的不斷發展和完善，將會克服現有的不足，使叢式井采油技術得以廣泛應用，成為油氣生產過程中降本增效的利器。

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Research Progress on Oil lifting Technology in Cluster Wells

QIN Teng1, TAN Chaodong1*, REN Guishan2, ZHOU Xu3

(1. China University of Petroleum, Beijing Changping, 102249, China; 2. China National Petroleum Corporation Dagang Oilfield Company, Tianjing Dagang, 300280, China; 3. Huabei Oilfield Company Production and Operation Office, Hebei Renqiu, 062500, China)

In recent years, cluster well drilling and completion technology has been developed and applicated rapidly, researchers in major oilfields have also made a great deal of research and exploration in cluster well production technology.This article summarizes the research progress of cluster well production technology from the characteristics of cluster wells and the energy-saving technologies applied to cluster wells.The advantages and disadvantages of each oil recovery method are briefly analyzed, and the future research directions are prospected.

cluster well; pumping unit; oil recovery mode; research progress

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.023

TE3

A

1672-9129(2018)01-0059-04

秦騰, 檀朝東, 任桂山. 叢式井采油舉升技術研究進展[J]. 數碼設計, 2018, 7(1): 59-61.

QIN Teng, TAN Chaodong, REN Guishan. Research Progress on Oil lifting Technology in Cluster Wells[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 59-61.

2017-12-07；

2018-01-03。

秦騰(1993-)，男，湖北黃岡，碩士研究生，主要研究方向：采油、氣工藝理論及技術。檀朝東(1968-)，男，安徽望江，副研究員，博士，石油工程、物聯網教學及科研。E-mail: tantcd@126.com