煤層氣用小型超低沖次抽油機的研制及應用

劉鐵夫，郭云龍，徐 征

（1.中油集團渤海石油裝備有限公司采油裝備制造分公司河北華油一機抽油機有限公司，河北滄州 062658；2.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠華油一機（河北）鉆井裝備有限公司，河北滄州 062658）

0 引言

與天然氣、石油等資源相比，煤層氣的開采有著獨特特點：①埋藏煤層氣的地層深度較淺，壓力和溫度不高，煤巖普遍缺乏良好的吸附性能以及產水量；②產出的煤層水中含有部分煤粉或壓裂砂等固體顆粒；③針對供采關系來說，在煤層氣田中通過連續對動液面的穩定下降，能夠代替常規方式，維持供采平衡；④針對運行控制，通過對沉沒度和排量的減少，長期穩定地對其進行持續控制。

隨著油田開發的逐步深入，我國大多數油田已進入開發的中后期，加之我國加大了對低壓、低滲、低豐度油田及煤層氣等的開發力度。尤其是煤層氣的開采，井供液不足、單井產量低已經成為當代油田開采的新常態。目前，各大油田的開發開采工藝已經從開發初期的高沖次調整為現在的低沖次乃至超低沖次，目的是減小空抽等對抽油桿、抽油泵及套管的磨損，提高泵效，延長檢泵周期。根據結果得知：在特定范圍內對沖次的降低，基本能夠保持產量不下降，同時能夠提升泵的效率和檢查周期，大幅減少日耗電量，進而提升抽油機效率，實現節能降耗的目標。

合理優化參數、降低抽油機沖次的方法已經得到各大油田的認可。尤其是低成本開發的大前提下，設計適合非常規天然氣井工況的抽油機，避免“大馬拉小車”。

1 測試系統實例

如果其他參數不變，針對工作狀態下的抽油機井，通過調整沖次，以及監測地面示功圖、產液量及動液面在各油井變化情況，能夠得知沖次頻率，能夠從整體上極大影響抽油機系統的效率。因此，以下分析研究了原測試儀表系統的相關數據。1998 年11月5 日，衛2-5 馬寨油田井的測試數據：如果將原本6.3 次/min的沖次下降到4.05 次/min，油井原生產量保持不變，然而卻降低了最大荷載，上升了最小荷載，交變應力和輸入功率分別減小了9.99 kN 和27 kW。同一時期測試了衛2-61、95-42 和11-33井，得到了相似結果。發現文15-78 井泵沒有充滿，因此，將原本5 次/min 的沖次下降到4 次/min，產液量沒有出現變化，充滿泵時系數得到了提升，輸入功率下降5 kW，抽油機平衡度上升0.1，基本能夠協調生產。測試各口井系統后能夠得知，應當存在一個恰當的沖次，不僅能夠使抽油機井達到標準的產液量，還能夠使系統保持一定的效率。特別是針對液量、泵效率較低的油井，合理調低沖次、提升系統效率，以及降低開采成本是較為可行的。

2 現場實施情況

2.1 江蘇油田

江蘇油田通過降低沖次的重要思路，實現了優化參數，以及提升體系效率等。2002 年，中原油田現場試驗了5 個采油廠的33 口井。根據效果統計得知：系統平均效率從原來的25.36%提高到了41.64%，提高了16.28%；輸入功率由11.47 kW 下降到8.58 kW；31 口井每年節電量達到82.4×104kW·h，節電率25%；沖次由原來5.22 次/min 的平均值減少為3.73 次/min；產液量從20.1 t/d 上升到23.3 t/d；泵的效率提升6.98%。分析33口井后得知：其中泵徑增大的井有21 口，占63.6%；泵的深度沒有改變或加大了。

2.2 勝利油田河口采油廠

某廠在河口采用的大北低滲抽油機，在油田中的平均泵深、平均單井日產液以及綜合含水量分別為1800～1900 m、10.7 t、54.4%。通過優化相關參數，能夠實現對沖次的減少。針對有潛力的抽油井，首先需要根據相關方案對不動管柱進行施工，等到需要對油井進行作業時，再根據相關方案對動管柱進行施工。截至2003 年5 月，共對270 口井進行了優化設計，對152 口井進行了施工。通過對30 口井的對比，得到以下數據：總共對15 口井進行了動管柱施工。其中，泵徑加大、不變以及減小的井數量分別為7 口、7 口、1 口；通過對所有沖次的調小，平均減小量、平均增加的產液量、系統平均提升效率以及提高幅度分別為2.47 次/min、1.5 t/d、11.44%、5.1%～19.81%。對15 口井進行了不動管柱施工，平均沖次值從4.74 次/min 下調到2.21 次/min；產液量基本不變，平均增加0.03 t/d；系統效率由平均17.8%上升到23.98%，提高幅度3.30%～8.93%。有著可觀經濟效益。對于沖次的具體調節值，需要從供排協調、產液量以及生產壓差等方面，對油井進行綜合的計算才能夠確定。采油廠通過應用“臨界沖次點技術”，能夠合理確定沖次目標。為了實現對機電速度的降低，就需要對舊機電進行改造，或是增加減速器，這一方法具有借鑒意義。2003 年9—10 月，中原油田四廠通過應用該技術，試驗了幾口產液量在5 t/d 以下并且供液長時間不足的油井。

2.3 勝利油田臨盤采油廠

某廠將減速器應用到抽油機后，實現了節能目標。根據效果得知，其在耗電量、啟動以及運行平穩性方面具有一定優勢。截至2002 年11 月，將其應用在320 口油井，每口井達到了10%～70%的有功節電率。以下為實施前后13 口井的對比數據：沖次平均下降2.3 次/min；平均產液量下降0.15 t/d，泵效由平均17.98%提高到36.46%；平均日耗電降低35.4%，單井日平均節電72.4 kW·h。該技術節能效果顯著，對成本的要求不高，維護保養較為簡便，并且沖次在降低后，機械故障率減少，管桿壽命延長，油井在一定時間內實現免修，節約了成本。

3 沖次調小的意義及策略

3.1 意義

近年，抽油機井工作條件發生變化：開發目標由原來的中高滲透油藏轉變為了低滲透油藏。低滲透油藏生產壓差較大，大部分抽油機井在流壓比飽和壓力更低的井底工作；低滲油層的啟動對生產壓差有著較大要求，然而進一步提升生產壓差會導致產量的增加逐漸變小。并且由于井底流壓的不斷減小，井底周邊的地層滲透率會降低，還有可能降低產量。進而逐漸加大泵掛深度。2002 年，中原油田抽油井的泵掛平均深度達到了1271.5 m，泵效為46.37%。中原油田的平均泵深為664.2 m，。過大的泵掛深度使得抽油系統工作條件惡化，抽油桿極易由于下部彎曲導致桿出現磨損。中原油田已經對40%左右的定向斜井、側井進行了鉆井，在江蘇油田中達到了70%～80%。會加大抽油桿、油管以及套管之間的磨損概率，必定會加大偏磨程度。因此需要使用更多的長沖程抽油機。根據初步計算結果得知，在沖次相同情況下，4.8 m 沖程與3 m 沖程相比，行程的瞬時速度在上下部的最大增加值為37%～38%，會導致管、桿出現更加嚴重的磨損。此外，分析壽命頻次得知，假設抽油桿有著“107 次”的壽命，也就是19/n 年。調小沖刺后，也會降低頻次，同時也會減小其交變應力，能夠給具有更小沖刺率的抽油桿帶來更大的壽命延長率。科學合理地調小沖次后，抽油機能夠獲得更好的抽油能力，改善系統的受力狀況，使油井具備更高的綜合經濟效益。

3.2 實施方法

河口采油廠通過研究或引進“臨界沖次點技術”，使抽油機井獲得了更加合理的沖次；通過調試不同頻率的沖次，對系統進行測試，實現了對沖次最佳值的尋找。在現場綜合分析示功圖、動液面以及產液量等資料，根據生產經驗確定沖次，在實施過程中對系統進行跟蹤調整。由于大部分抽油機已經具備了與原拖動系統配置接近的最小沖次參數，因此井只有通過改造后才能夠投入使用。需要采用相關技術，進一步完善改造12 極、16 極電機，在抽油機中對減速器進行引進或加工。

調小沖次會導致管、桿出現嚴重磨損，此外，還需要在出砂生產階段對生產壓差進行控制。通過調小沖次對參數的優化，能夠作為提升其系統效率的一種技術，可以共同實施。針對有系統效率提升潛力的井，需要做好對不動管柱和動管柱兩套方案的設計。首先，需要根據相關方案對不動管柱進行施工，等到需要對泵進行檢驗時，再根據相關方案對管柱進行施工。雖然減速裝置結構不復雜，但是具有較高效率。由于增加相關環節，需要根據松緊度對皮帶進行及時調節，并對其進一步保養維護。根據相關參數調小不動管柱后，會導致部分井出現液量稍許下降。沖次調小后，會加大泵與泵之間的隙漏，可以通過增加活塞長度進行彌補，由1.2 m 向1.5 m 或1.8 m 進行加長，采油四廠在這方面已經有著成熟經驗。此外，頻次減少后，也能夠減少柱塞與泵筒之間的磨損。桿泵失效主要是由于油管漏失導致。油管絲長期工作會出現松動而導致滲漏。調小沖次后，能夠延長漏失油管的失效時間，使油管具備更長的使用期限，為油井提供一定免修期。近年，通過使用皮帶式抽油機等塔式抽油機，沖程達到5.0～7.3 m，該設備自身具有節能特征。其懸點不僅能夠在上死點和下死點進行換向，并且能夠保持勻速運動，不需要慣性就能夠通過大沖程、小沖刺進行抽油，因此，可以擴大使用面。

4 認識與結論

（1）抽油機在工作狀態下，系統工況受到的最大影響來自于沖次，在抽油機中通過科學合理調小沖次，能夠使泵和相關系統具備更高效率，節約電能，減少管、桿、油管、套管之間磨損，使管、桿或油井具備更長壽命。延長泵的檢驗周期，使油井維護變得更加簡便。

（2）通過減小沖次和增大泵徑，能夠使系統具備更高的效率。因此，需要根據油藏性質、相關設備等因素，綜合考慮泵掛深度，并且需要結合抽油系統的標準條件，參數組合的趨向是“沖次最小化、沖程最大化、泵徑較大化、泵深合理化”。