間抽井柱塞運動速度優化模型研究

劉洪斌 孫浩賓 羅偉

摘要：針對我國低產油井普遍產量低、泵效低，油井抽油生產時泵充不滿的問題，開采現場常采用間抽的方式以提高泵效;然而當前間抽制度的研究普遍以沖次和間抽周期為優化變量，很少有將間抽周期、沖次和柱塞運動速度三者相結合的研究。以提高泵效為生產要求，提出了間抽井柱塞運動速度優化模型，模型根據抽油機井的開采利潤和最大系統效率確定合理動液面區間，用傅里葉級數構造柱塞運動速度函數，利用遺傳退火算法優化傅里葉系數及頻率來達到改變沖次和柱塞速度的目的。研究及試驗結果表明，在此方案下，低產油井的工作時間縮短，泵效增幅明顯，油井綜合效益顯著提高。研究結論可為低產油井的柔性控制策略提供較好的工程參考。

關鍵詞：低產低效井；間抽生產；沉沒度；泵效；優化設計

In China， lowyield wells are commonly characterized by low production and low pump efficiency， pumping is insufficient during well production， and intermittent pumping is often adopted to improve the pump efficiency.However， the current research on the intermittent pumping system generally takes the strokes and intermittent pumping cycle as the optimization variables， and there are few reports on the combination of intermittent pumping cycle， strokes and plunger motion velocity.In order to improve the pump efficiency， an optimization model of plunger motion velocity in intermittent pumping wells was built， which determined the reasonable producing fluid level interval based on the exploitation profit and the maximum system efficiency of the pumping well， used the Fourier series to construct the function of plunger motion velocity， and used the genetic annealing algorithm to optimize the Fourier coefficient and frequency， so as to achieve the objective of changing the strokes and plunger motion velocity.The study and test results show that under this scheme， the working time of lowyield wells is shortened， the pump efficiency is significantly increased， and the overall benefits are remarkably improved.The conclusions provide a good engineering reference for the flexible control strategy of lowyield wells.

lowyield and lowefficiency well；intermittent pumping；submergence depth；pump efficiency；optimization design

0 引 言

在油田的生產周期內，油井的供液能力在開采初期和后期有明顯差距。從經濟角度考慮，油田在開采初期設定的抽油泵排出量都是按照最大產油量設計的，這就使得油井在生產開采后期時，采出量大于地層的供液能力，導致抽油泵的充滿度很低，采油效率低下，持續開采可能導致即使采出了油，但依然出現虧損的現象［1］。對此，開采現場常采用間抽的方式，在開井一段時間后，停機等待動液面恢復。

保證油井工作在合理動液面范圍內，是實現油井節能高效生產的重要手段［2］。目前國內外眾多學者對間抽井的間抽制度以及間抽周期內基于泵效的沖次調節做了細致的研究［3-7］，但以間抽井合理動液面為基礎，通過優化柱塞運動速度來提升間抽周期內的泵效的文獻卻并不多見。

筆者綜合考慮采油成本和系統效率，從確定合理動液面區間入手，結合井底流體物性和抽油泵結構參數，以泵充滿度為主要優化目標，以間抽周期、沖次、柱塞運動速度為優化設計變量，建立了間抽井柱塞運動速度優化模型。

1 合理動液面區間的確定

有桿抽油系統動液面深度是指有桿抽油系統中井口到油管和套管形成的環空內液面的深度，它是供排關系協調的表征［8-9］。當動液面深度小于合理動液面區間最小值時，油井的供液能力較強［10］，此時選擇合適的抽油泵柱塞運動速度開采具有一定的經濟效應，且經過一段時間的開采后，動液面深度將到達合理動液面區間；當動液面深度處于合理動液面區間時，選擇合適的抽油泵柱塞運動速度開采將取得最大經濟效應；當動液面深度大于合理動液面區間最大值時，此時油井開采不能產生經濟效應，需令油井進入停抽階段，等待動液面恢復。因此根據不同的動液面深度選擇不同的抽汲參數能夠使得油井處在良好的供排狀態和較高泵效的狀態［11-14］。

1.1 油井流入動態曲線

IPR曲線（Inflow Performance Relationgship Curve）是預測油井的產能的方法之一，它反映了油層向井的供給能力，即產能［15］。因此，IPR曲線是制定油井合理工作制度的基礎，也是分析油井動態的依據。

2 抽油泵柱塞運動速度優化模型

2.1 遺傳退火算法

本文抽油泵柱塞運動速度優化模型存在多個變量參數和約束條件，且各約束條件之間關聯程度高。故將遺傳退火算法與柱塞運動速度函數相結合，以決策變量的編碼作為運算對象，以對約束條件的適應度作為搜索目標，直接利用目標函數值或個體適應度值便可以將搜索范圍集中到適應度較高部分的搜索空間中，從而提高搜索效率。使用遺傳退火算法計算柱塞運動速度模型的流程框圖如圖1所示。

2.2 優化模型建立

2.2.1 柱塞運動速度曲線構造

結合工程實際，柱塞運動速度曲線應為具有周期性的光滑曲線，且曲線應有多變的形式以應對不同的現場情況。

本文以傅里葉級數構造抽油泵柱塞運動速度曲線，將抽油泵柱塞運動速度方程按傅里葉級數的形式展開：

2.2.2 優化目標

油井井下效率與泵效息息相關，而抽油泵的充滿程度則是影響泵效的主要因素。圖2為有桿泵抽汲過程。由圖2可知，井底流體物性、抽油泵結構和抽油泵柱塞的運動直接影響抽油泵的充滿程度。本文基于已知的泵體結構參數和井底流體物性，以提高泵充滿程度的角度出發，尋找使得泵效最大時的柱塞運動速度v（t），即尋找使得井下效率最大時的柱塞運動速度。

3 優化實例

3.1 現場應用

將間抽井柱塞運動速度優化模型應用于江蘇油田陳3-116井，該井的基本參數如表1所示。

通過1.4節公式計算陳3-116井動液面高閾值邊界為1 368 m，動液面低閾值邊界為1 127 m，即合理動液面區間為1 127～1 368 m。將合理動液面區間帶入式（8）、式（9）計算可得：經優化后陳3-116井開井時間為6.2 h，關井時間為12.1 h。圖3為陳3-116井1個間抽周期內動液面隨時間的變化。圖3中紅色虛線左邊表示開井區間，右邊表示關井區間。

利用遺傳退火算法求解間抽周期內開井期間的最優柱塞運動速度，計算結果如表2所示。

從表2中的優化結果w=0.23可知，沖次由原本的3.8 min-1降至2.2 min-1，優化后1個完整沖次的周期為27.27 s。

將相同沖程、沖次下開采現場柱塞常規運動速度與本文得到的柔性運動速度相對比，2種速度下柱塞運動速度曲線和位移曲線如圖4所示。

由圖4可知，本文得到的柱塞柔性運動速度與開采現場柱塞的常規運動速度相比較，柱塞運動在上、下沖程具有明顯不對稱性，其中上沖程用時tu=12.9 s，下沖程用時td=14.3 s。

優化后，陳3-116井由原本的常開變為間開，開井期間每個柱塞運動周期內的上、下沖程時間也由原本的上、下沖程時間一致變為“上快下慢”。新舊制度關鍵參數的對比結果如表3所示。

3.2 室內試驗研究

柱塞運動規律試驗臺架系統如圖5所示。該裝置由3部分組成：變速驅動系統、支架系統和泵體系統。

柱塞運動規律試驗臺架能夠實現油井傾角的模擬和抽油系統的變速驅動模擬。

從主控電腦端導入由2種柱塞運動速度推得的電機轉速曲線，并通過變頻控制箱控制電機轉速。試驗介質為清水且供液充足，忽略供液不足、抽油桿形變和氣體影響后，泵漏失成為影響2種柱塞運動速度下泵效的主要因素。

以沖次n=2.2 min-1為例，使用稱重測量儀測量11個沖次內的抽油泵泵送液體的總質量，試驗結果如表4所示。

由試驗結果可知，本文得到的柱塞運動速度優化模型相較于常規的柱塞速度，抽油泵漏失情況有所改善，減少量為38.24 mL/min，單個沖次內抽油泵排量提升1.15%。這與文獻［18］的研究結果相符合，從側面驗證了本文柱塞運動速度優化模型的可行性。

4 結 論

（1）本文以提高低產油井的泵效為生產要求，提出了間抽井柱塞運動速度優化模型，該模型根據抽油機井的開采利潤和最大系統效率確定合理的開采動液面區間，并根據合理動液面區間確定油井開井和關井。

（2）遺傳退火算法能夠高效、準確地得到間抽井柱塞運動速度優化模型的傅里葉方程最優解。

（3）間抽井柱塞運動速度優化模型可以精細化確定間抽制度下的合理沖次及單個沖次內柱塞的最優運動速度。

（4）間抽井柱塞運動速度優化模型能夠明顯縮短低產油井的生產時間，極大提升泵效，降低機械磨損，節約電能和生產成本，實現油井綜合效益的提高。

（5）通過江蘇油田陳3-116井的應用實例以及自主搭建的柱塞運動規律試驗臺架，驗證了間抽井柱塞速度優化模型的可行性和合理性。該模型對勘探開發一體化進程中的間歇生產井的工作制度和柱塞運動速度的確定具有一定的指導意義。

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第一劉洪斌，教授，生于1976年，2006年畢業于西南石油大學機械設計及理論專業，獲博士學位，現從事鉆井液固相控制、鉆井廢棄物處理與柔性控制采油等研究與教學工作。地址：（610500）四川省成都市。電話：（028）83037206。Email：liuhongbin@swpu.edu.cn。