新型長沖程舉升工藝在低效高耗井應用方案

李健

（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

近年來抽油機主要采用偏置式抽油機和下偏杠鈴抽油機替代常規抽油機，在拖動設備上，主要應用節能電動機和變頻配電箱，螺桿泵主要應用直接驅動裝置替代常規螺桿泵。在優化設計方面，基于“長沖程、大泵徑、低沖次”及桿柱優化組合等優化理念進行參數和工具優化[1]。“十三五”期間機采井系統效率提升較多，但是后期系統效率提升困難，挖潛空間縮小。在機采井檢泵周期方面，通過桿、管、泵合理匹配設計，技防措施推廣應用，檢泵率明顯下降，檢泵周期上升，但抽油機井受沖程和泵徑限制，沖次無法進一步降低，進而導致交變載荷無法降低，機采井檢泵周期進一步延長較難。

為有效提高機采井舉升效率、延長檢泵周期，按照“長沖程、低沖次”的優化設計理念，2019 年至今，某油田先后應用超長沖程抽油機和塔架式抽油機，并完善了配套技術，在常規游梁式抽油機研究應用了碳纖維連續抽油桿和柔性金屬泵等配套舉升技術，均取得了良好的節能效果，可推廣應用。文中根據多種舉升工藝的技術特性，結合現場實際情況，給出了低產低效井和高能耗井個性化舉升工藝設計，從源頭上進行優化，并預測了經濟效益，為后期技術推廣應用提供了技術思路。

1 新型舉升工藝現場應用情況

1.1 超長沖程抽油機舉升工藝

超長沖程抽油機是在有桿泵舉升技術基礎上發展起來的一種新型采油工藝，由機架、底座、電動機、控制箱、減速器、滾筒、柔性光桿、超長抽油泵等關鍵設備組成[2]。采用的是“超長沖程、低沖次”的運行方式，由控制系統驅動電動機正、反轉，滾筒帶動柔性繩完成往復運動，柔性繩驅動井下抽油桿、抽油泵完成整個采油過程。配套應用超長沖程抽油泵，沖程可在50 m 范圍內任意調整，沖次可在0.017～0.2 min-1范圍內無極調速[3]，可根據地層能量設置沖程、沖次參數，避免人工啟停，適用于日產液低于40 t 的油井。此外超長沖程抽油單次沖程舉升液量多，地層能量恢復的時間長，能形成抽汲效應，形成井筒負壓，有利于地層能量恢復，更適應稠油開采，長期運行總投資低，經濟效益突出。目前大慶、長慶和新疆等油田應用超長沖程抽油機超過1 000 臺，得到了推廣應用和廣泛認可。

某油田扶余區塊在新井產能建設時，應用超長沖程抽油機52 口井，應用過程中通過不斷完善和改進配套技術，目前已配套成熟。一是配套電參示功圖技術。在實現自動計產基礎上[4]，解決了柔性光桿無法測試功圖的問題，同時研究實現了電參功圖數據上傳A5 系統。二是優化單井運行模式。配套智能控制系統，通過程序自動調節沖次，保證產液量不變的情況下，提高泵效。同時優化了屏幕多參數顯示界面，使電參功圖、沖程、沖次、產量等數據直觀顯示，方便日常管理。三是探索低產低效井應用。鑒于超長沖程抽油機在扶余油井良好的應用效果，在低產低效井應用4 口井，應用后單井平均日增液6.3 t，日增油1.53 t，泵效提高64.2 個百分點，日節電54.6 kWh，起到良好增油效果。

超長沖程抽油機與游梁式抽油機對比，具有運行頻次降低、沖程損失小、傳動效率高和配套系統完善等優勢。該油田超長沖程抽油機平均沖程46.8 m、沖次0.067 min-1、日產液8.3 t，日耗電70.42 kWh，與游梁式抽油機相比，泵效提高了48.8 個百分點，平均系統效率提高了11.47 個百分點，平均節電率36.8%。同時因沖次低，降低了桿管的磨損程度，油井免修期較游梁式抽油機延長202 d。超長沖程抽油機與常規抽油機應用情況對比見表1。

表1 超長沖程抽油機與常規抽油機應用情況對比Tab.1 Comparison of the application situation between ultra-long stroke pumping unit and conventional pumping unit

1.2 塔架式抽油機舉升工藝

某油田在水驅新井產能建設時，應用塔架式抽油機190 口井，其中智能塔架抽油機160 口井，皮帶抽油機30 口井。兩種抽油機均具有“長沖程、低沖次”的運行優勢，無四連桿機構，采用對稱平衡，能耗低。其中智能塔架抽油機采用電動換向，無減速裝置[5]，但對平衡要求較高；而皮帶抽油機采用機械換向，有減速裝置[6]，對平衡要求較低，同時故障率也較低，運行時率為98%。塔架式抽油機平均沖程可達8.0 m，沖次1～3 min-1，適用于日產液低于80 t 的油井，目前勝利、遼河和新疆等油田應用塔架式抽油機超過16 000 臺，其中皮帶抽油機應用超過14 000 臺。

在應用過程中完善了三項配套技術：一是制定動態平衡調整方法。為有效提升平衡調整效率，開展動態平衡調整方法的摸索，分泵況正常、作業井和措施井三類調平衡方案，通過大量現場試驗，總結出《塔架式抽油機動態平衡調整方法》，實現平衡調整精準化管理；二是實施降載換泵措施組合。實施“換大泵+內襯油管+無扶抽油桿+柔性金屬泵+管式防蠟器”的降載措施組合，試驗3 口井，平均日產液增加25.3 t，沉沒度下降133 m，交變載荷下降5.46 kN，實現了換大泵降載提液的目的；三是建立了配套管理制度。結合現場實際情況，分別建立了《塔架式抽油機管理辦法》《塔架式抽油機安全操作規程》和《塔架式抽油機維護保養規范》，其中《塔架式抽油機安全操作規程》已形成企業標準，規范了日常管理，保證塔架式抽油機平穩高效運行。

塔架式抽油機與游梁式抽油機對比，同樣具有運行頻次降低、沖程損失小、傳動效率高等優勢。塔架式抽油機平均消耗功率3.99 kW，日耗電量95.76 kWh，與游梁式抽油機相比，泵效提高了16.2 個百分點，平均系統效率提高了9.63 個百分點，平均節電率31.3%，油井免修期較游梁式抽油機延長136 d。塔架式抽油機與游梁式抽油機應用效果對比見表2。

表2 塔架式抽油機與游梁式抽油機應用效果對比Tab.2 Comparison of application effects between tower pumping unit and beam pumping unit

2 配套舉升技術

2.1 碳纖維連續抽油桿

碳纖維連續抽油桿是由碳纖維、樹脂、玻璃纖維等原材料按照合適配比，經拉擠工藝生產制造而成的復合材料制品[7]。具有強度高、密度小、耐磨耐腐蝕等特點[8]，可以代替鋼質抽油桿，達到降低舉升能耗，延長檢泵周期的目的。

在某產能區塊中將碳纖維連續抽油桿與超長沖程抽油機組合應用30 口井，投產后油井平均沖程48.3 m、沖次0.09 min-1、動液面460 m、日耗電46.2 kWh。與游梁式抽油機相比，沖程增加11.2倍、沖程損失下降15.7%、沖次下降53 倍、交變載荷下降32% 、 日耗電下降69.6 kWh、 節電率40.1%，實現了降低交變載荷、降低舉升能耗、提高泵效的目的。

2.2 柔性金屬泵

柔性金屬泵柱塞表面等間距分布多個圓形凹槽，密封環布置在凹槽內部[9]，上沖程密封環在液體壓力作用下膨脹變形，與泵筒完全貼合，提高泵效。具有泵效高、交變載荷低、二次作業施工周期短等特點。下沖程密封環上下壓力平衡，密封環收縮回最初形態，增大柱塞與泵筒的間隙，降低桿柱彎曲程度，減少桿管偏磨[10]。前期在塔架式抽油機應用柔性金屬泵2 口井，泵效上升8.4 個百分點，交變載荷降低2.1 kN。柔性金屬泵與普通整筒泵應用效果對比見表3。

表3 柔性金屬泵與普通整筒泵應用效果對比Tab.3 Comparison of application effect between flexible metal pump and general whole cylinder pump

3 應用方案設計

3.1 低產低效井舉升工藝設計

低產低效井舉升方式中游梁式抽油機占比85.4%，現場采取降低生產參數優化供排關系，但最低沖次基本維持在3～4 min-1，與超長沖程抽油機相比，沖次量級高。此外，游梁式抽油機平均沖程損失為0.4 m，沖程損失11.8%，與超長沖程抽油機相比，沖程損失增加10.7 個百分點。然而超長沖程抽油機沖程可達50 m，沖次0.017～0.2 min-1，符合“長沖程、低沖次”的節能優化設計理念，且運行過程中采用死點滯留方式，可有利于液體進泵，提高泵效。同時可配套應用碳纖維連續抽油桿，擴大節能效果，雖然碳纖維連續抽油桿沖程損失高于鋼質抽油桿，但因超長沖程抽油機沖程大，綜合沖程損失1.9%，明顯低于游梁式抽油機。

綜合考慮工藝優勢和配套技術完善性，低產低效井舉升工藝設計為超長沖程抽油機+碳纖維連續抽油桿，為設計更加精準可靠，結合以往應用經驗和現場實際情況，建立了低產低效抽油機井舉升工藝設計模板見表4，可應用在日產液小于20 t 的油井，可在優化供排關系同時，挖掘低產低效井節能降耗潛力。

表4 低產低效抽油機井舉升工藝設計模板Tab.4 Design template of lifting technology for low production and low efficiency pumping wells

3.2 高能耗抽油機舉升工藝設計

高能耗（非節能）抽油機因運轉時間長、各部件磨損嚴重，導致故障率高、噪音大且多數沒有配件更換，影響油井時率，舉升單耗9.96 kWh/t，高于全區2.64 kWh/t，有必要更換新型節能抽油機，提高油井時率和節能效果。應用的兩種塔架式抽油機均具有“長沖程、低沖次”的運行優勢，平均沖程6.0 m，沖次1～3 次/min，且配套技術完善。尤其是皮帶抽油機故障率低，時率高，避免登高巡檢，更受基層員工歡迎，可規模推廣應用。同時可配套應用柔性金屬泵，提高泵效，降低交變載荷，擴大節能效果。

綜合考慮工藝優勢和配套技術完善性，高能耗抽油機井舉升工藝設計為皮帶抽油機+柔性金屬泵，為設計更加精準可靠，結合以往應用經驗和現場實際情況，建立了高能耗抽油機井舉升工藝設計模板見表5，在治理高能耗抽油機問題的同時，可挖掘節能降耗潛力。

表5 高能耗抽油機井舉升工藝設計模板Tab.5 Design template of lifting technology for high energy consumption pumping well

3.3 應用效益預測

1）低產低效井效益。應用超長沖程抽油機和碳纖維連續抽油桿舉升技術后，可取得節電、減少作業和增油三個方面效益，按照單井節電率36.8%計算，20 口井年節電36.1×104kWh，年可創綜合經濟效益51.1 萬元。

2）高能耗井效益。應用皮帶抽油機和柔性金屬泵舉升技術后，可取得節電、減少作業和增油三個方面效益，按照單井節電率31.3%計算，20 口井年節電35.1×104kWh， 年可創綜合經濟效益57.4 萬元。應用兩種長沖程舉升工藝年可節電71.2×104kWh，年創綜合經濟效益108.5 萬元。

4 結論

1）兩種抽油機前期在現場應用效果良好，配套技術完善，可在低效高耗井設計應用。

2）在應用新型舉升方式的基礎上，可針對性應用碳纖維連續抽油桿和柔性金屬泵配套技術，擴大節能效果。

3）新型長沖程抽油機的應用可大幅減少崗位員工的勞動強度，提高工作效率。一是新型抽油機的故障率低，可減少維護保養的工作量；二是新型抽油機可延長檢泵周期，減少作業維護工作量。

4）兩種舉升工藝設計從源頭上進行了節能優化，并可創造良好的經濟效益，為油田低效高耗井治理提供了技術思路。