乾安采油廠(chǎng)機(jī)采系統(tǒng)的優(yōu)化與應(yīng)用

趙海權(quán) 孫偉 于丹丹（吉林油田乾安采油廠(chǎng)）

乾安采油廠(chǎng)是低滲透、低豐度、低產(chǎn)量的“三低”油田，油井產(chǎn)能低，存在油井能耗偏高、系統(tǒng)效率低問(wèn)題，影響油井低成本開(kāi)發(fā)。如何在保障油井產(chǎn)能的前提下，合理匹配油井參數(shù)、降低油井能耗、提高油井系統(tǒng)效率，是油田低成本開(kāi)發(fā)需要解決的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)各種方法的篩選，乾安采油廠(chǎng)選擇了能耗最低機(jī)采系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)油井參數(shù)進(jìn)行合理匹配，達(dá)到了提高系統(tǒng)效率的目的。

1 技術(shù)原理

在抽油機(jī)舉升過(guò)程中，油井所消耗的能量（即電動(dòng)機(jī)輸入功率）主要包括用于提升所載液體的有效能量和舉升過(guò)程中所消耗的地面損失功率、黏滯損失功率、滑動(dòng)損失功率，以及溶解氣膨脹功率，其中溶解氣膨脹功率對(duì)抽油機(jī)舉升過(guò)程做正功[1-2]，即

在能耗最低機(jī)采系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中推導(dǎo)出了有桿泵抽油系統(tǒng)損失功率的理論計(jì)算公式[3]：

式中：

P損——損失功率，kW；

Pd——電動(dòng)機(jī)空載功率，kW；

k1——傳輸功率傳導(dǎo)系數(shù)；

k2——光桿功率傳導(dǎo)系數(shù)；

s——沖程，m；

n——沖速，min-1；

μi——第i段液體黏度，mPa·s；

Li——第i段油管長(zhǎng)度，m；

m——管徑與桿徑比，無(wú)因次；

fk——桿與管的摩擦系數(shù)；

q桿——桿重度，N/m；

L水平——井斜的水平軌跡長(zhǎng)度，m；

g——重力加速度，m/s2。

由式（1）可以看出，損失功率與沖程、沖速、載荷、電動(dòng)機(jī)空載功率、黏度，以及管徑與桿徑比有關(guān)，其中與沖程、沖速關(guān)系最為密切。

在能耗最低系統(tǒng)效率優(yōu)化設(shè)計(jì)中考慮了油層中深、產(chǎn)液量、含水率、動(dòng)液面、油層溫度、飽和壓力、油氣比、溶解系數(shù)、析蠟溫度、原油密度、50℃脫氣原油黏度、地層原油黏度、地表恒溫溫度、井斜參數(shù)等14項(xiàng)影響因素，與以往設(shè)計(jì)只考慮產(chǎn)液量、含水率、動(dòng)液面、油氣比、原油黏度，以及油層中深等6項(xiàng)影響因素相比，優(yōu)化結(jié)果更加合理和切合實(shí)際。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程

為設(shè)計(jì)錄入上述14項(xiàng)已知參數(shù)，作為優(yōu)化的求解條件。

設(shè)計(jì)步驟如下：

1）選取抽油機(jī)機(jī)型（若為老井，保持原抽油機(jī)機(jī)型不變）。

2）設(shè)定參數(shù)的選擇范圍，這些參數(shù)包括管徑、泵徑、泵深、桿柱鋼級(jí)、桿柱組合、沖程，以及沖速等。將管徑分別按內(nèi)徑大小依次排序；將桿柱鋼級(jí)類(lèi)別分別按強(qiáng)度大小依次排序；將泵徑按尺寸大小依次排序；將泵深從動(dòng)液面開(kāi)始，按某一步長(zhǎng)（如10m）依次加深排序，直到流壓等于飽和壓力為止（如遇流壓低于飽和壓力，則泵掛深度直至油層頂部為止）。

3）在抽油機(jī)額定載荷、額定扭矩允許的范圍內(nèi)，找出能夠抽汲目標(biāo)產(chǎn)量的所有機(jī)采系統(tǒng)，每一個(gè)機(jī)采系統(tǒng)的主要參數(shù)均包括管徑、泵徑、泵深、桿柱鋼級(jí)、桿柱組合、沖程，以及沖速。為抽汲同一目標(biāo)產(chǎn)量，將各種管徑、泵徑、泵深、桿柱鋼級(jí)、科學(xué)的桿柱組合、沖程，以及能夠產(chǎn)生目標(biāo)產(chǎn)量的相應(yīng)沖速一一組合，每一種組合對(duì)應(yīng)著一種能耗，即對(duì)應(yīng)著一種系統(tǒng)效率。

4）以輸入功率最低者為機(jī)采優(yōu)化參數(shù)（管徑、管長(zhǎng)、桿柱鋼級(jí)、泵徑、泵深、桿柱組合、沖程，以及沖速）。

5）根據(jù)確定的沖速和系統(tǒng)輸入功率確定抽油機(jī)所配的電動(dòng)機(jī)機(jī)型。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 前期應(yīng)用情況

根據(jù)優(yōu)化過(guò)程，對(duì)乾北13-7油井進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（表1～表5）。

表1 乾北13-7油井優(yōu)化前基礎(chǔ)參數(shù)

表2 乾北13-7油井優(yōu)化前生產(chǎn)參數(shù)

表3 乾北13-7油井高壓物性參數(shù)

乾北13-7油井優(yōu)化前油井桿柱為兩級(jí)桿柱組合，泵掛1401m，沖速5.03min-1，泵效24.5%，系統(tǒng)效率19.9%。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取能耗最低時(shí)參數(shù)組合，即泵徑、沖程不變，泵掛加深到1460m，沖速降低到3min-1。

表4 乾北13-7油井優(yōu)化后基礎(chǔ)參數(shù)

表5 乾北13-7油井優(yōu)化后生產(chǎn)參數(shù)

優(yōu)化前后，乾北13-7井充滿(mǎn)變好（圖1、圖2）。

圖1 乾北13-7油井優(yōu)化前示功圖

圖2 乾北13-7油井優(yōu)化后示功圖

從優(yōu)化后實(shí)施結(jié)果看，乾北13-7油井優(yōu)化后產(chǎn)量略有上升，油井泵效提高了16.9個(gè)百分點(diǎn)，系統(tǒng)效率提高了13.7個(gè)百分點(diǎn)，提高幅度達(dá)到68.9%，日耗電降低58.6kWh，節(jié)電幅度達(dá)到46.1%，優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)施后提效降耗效果明顯。

3.2 推廣應(yīng)用情況

2011年乾安采油廠(chǎng)應(yīng)用能耗最低機(jī)采系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)并實(shí)施80口油井（表6），平均單井泵效提高19.2個(gè)百分點(diǎn)，平均單井系統(tǒng)效率提高9.5個(gè)百分點(diǎn)，系統(tǒng)效率提高了74.8%；平均單井日耗電降低56kWh，節(jié)電率33.1%，形成單井年節(jié)電能力2.016×104kWh，節(jié)約費(fèi)用1.008萬(wàn)元，單井優(yōu)化設(shè)計(jì)費(fèi)0.6萬(wàn)元，投入產(chǎn)出比1∶1.68，投資回收期0.6年（該節(jié)約費(fèi)用未計(jì)算油井維護(hù)性作業(yè)減少費(fèi)用，優(yōu)化井至今未因磨損、桿疲勞斷脫發(fā)生作業(yè)費(fèi)用）。

表6 2011年機(jī)采優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)施前后效果對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用能耗最低系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)“三低”油田油井進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)并現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，達(dá)到了“三低”油田油井提效降耗的目的。優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)施后平均系統(tǒng)效率可提高74.8%，日耗電降低33%，大幅度提高了油井的系統(tǒng)效率，為“三低”油田的提效提供了一種新的方法。

[1]萬(wàn)仁溥,羅英俊.采油技術(shù)手冊(cè)（第四分冊(cè)）機(jī)械采油技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社,1993：256-296.

[2]有桿泵API標(biāo)準(zhǔn)及其它資料匯編（上冊(cè)）［C］.華北石油管理局,1985：195-237.

[3]鄭海金.一種有桿泵機(jī)械采油工藝參數(shù)確定方法：中國(guó),ZL99109780.7［P］.2002-05-29.