低產(chǎn)低效油井機采系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用

裴潤有 周志平 令永剛 何建軍

1.中國石油長慶油田分公司 技術(shù)監(jiān)測中心 （陜西 西安 710018）

2.中國石油長慶油田分公司 超低滲油藏第二項目部 （甘肅 慶城 745100）

近年來，隨著油田開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，大量低滲、超低滲油田相繼投入開發(fā)。超低滲透油藏具有低滲、低壓、低產(chǎn)的特點，地層供液能力差，單井產(chǎn)量低，部分井間歇出油，采用傳統(tǒng)機械采油配套工藝油井抽油泵效、機采系統(tǒng)效率嚴(yán)重偏低，運行維護(hù)成本高，為實現(xiàn)低滲透、低產(chǎn)低效油田經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)，需要研究與之配套的機械采油工藝。

超低滲透油田單井產(chǎn)液量在2～3m3/d，低產(chǎn)低效井所占比例大，抽油泵效、機采系統(tǒng)效率偏低[1]。據(jù)統(tǒng)計，某超低滲區(qū)塊單井產(chǎn)量低于1.0t的油井221口,系統(tǒng)效率平均值僅為4.3%;單井產(chǎn)量1.0～2.0t之間的油井446口,系統(tǒng)效率平均值僅為9.2%。采用常規(guī)采油配套工藝，在最低工作制度下 （泵徑32mm、沖程 2.5m、沖次 2.5次/min），抽油泵理論排量7.16m3/d，受井筒脫氣及沖程損失等影響，抽油泵效平均只有25%，機采系統(tǒng)效率13%左右，系統(tǒng)效率嚴(yán)重偏低，受低產(chǎn)油井產(chǎn)液量偏低這一客觀因素制約,低產(chǎn)低效油井機采系統(tǒng)必須重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，滿足低滲、超低滲透油藏規(guī)模有效開發(fā)的需求。

1 機采系統(tǒng)優(yōu)化

在日產(chǎn)液量限定的前提下，提高系統(tǒng)效率就必須從降低抽油泵理論排量入手，重新進(jìn)行機采系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步優(yōu)化機、桿、泵組合。按照“抽油桿強度增一級、抽油泵徑降一級、抽油桿徑降一級、抽油機型號降一級、電機功率降一級、機采系統(tǒng)效率提一級”的思路，對機械采油系統(tǒng)重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)用HY/HL級高強度抽油桿代替普通D級抽油桿，研制了加強型Φ28mm整筒泵，整體降低了抽油機型號、配套小功率電機，通過優(yōu)化設(shè)計，達(dá)到提高抽油泵效和機采系統(tǒng)效率的目的。

1.1 超高強度（HY級）抽油桿

HY級超高強度抽油桿采用超音頻感應(yīng)加熱表面淬火工藝對D級抽油桿進(jìn)行深加工，使其表面形成一層桿體直徑5%～15%的淬硬層，金相組織為針狀回火馬氏體，其組織晶粒更加細(xì)小均勻，再經(jīng)過拋丸強化處理后,具有很高的抗拉強度(980～1176MPa)和表面硬度（表面強度≥42HRC，見表1）。

采用Φ16 mm、Φ19mm HY級高強桿代替常規(guī)Φ19 mm、Φ22mm D級桿，桿柱抗拉強度提高17.8%～21.9%。以1800m井深為例，使用HY級超高強度抽油桿設(shè)計為19.05mm+15.87mm，其抗拉強度完全能滿足采油需要，而桿柱重量則減輕1.32t（1800m井深22.23mm+19.05mm組合桿柱重量為 4.887t；19.05mm+15.87mm組合桿柱重量為3.567t），抽油桿柱的體積比原桿柱體積平均減少26%，抽油機懸點載荷降低27%。

表1 超高強度抽油桿及D級抽油桿的材料及機械性能對比

1.2 加強型Φ28mm整筒泵

開展降低抽油泵泵徑研究，通過對Φ32mm整筒抽油泵進(jìn)行改進(jìn)，研制了Φ28mm加強型抽油泵，其金屬柱塞直徑為Φ28mm，游動凡爾球直徑Φ16mm，其余柱塞、泵管長度及聯(lián)結(jié)尺寸與Φ32 mm抽油泵完全一致，泵常數(shù)為0.886m3/d，最低理論排量為5.54m3/d，理論泵效最大能達(dá)到54%。

Φ28mm抽油泵還沒有制定相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，由于球腔壁厚比Φ32 mm抽油泵減小1.25mm，使用時容易出現(xiàn)上出油閥罩?jǐn)嗔?、整泵剛性低、固定閥漏失等問題，為此，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn):

（1）泵筒強度加強。在常規(guī)整筒泵的泵筒外增加一個加強套管，起到保護(hù)泵筒的作用，加強泵筒的抗彎曲變形能力為普通泵筒的2.68倍。

（2）上凡爾出油閥罩結(jié)構(gòu)改進(jìn)。設(shè)計了分體式上出油閥罩，閥罩的球腔和出油槽分開（圖2），延長使用壽命。

（3）游動閥、固定閥改進(jìn)。選用碳化鈦基材質(zhì)的閥球和閥座，解決了由于鎢鈷硬質(zhì)合金閥球比重大，造成泵閥開啟壓差增大和陶瓷閥球脆性大且易開裂的問題，同時能夠較好的解決高含水、腐蝕性強油井抽油泵閥使用壽命的問題。

1.3 小型節(jié)能抽油機

抽抽機的選擇應(yīng)滿足油井不同時期生產(chǎn)需要。由于采用小抽油泵及重量更輕、強度更強的油桿組合，使得抽油機懸點負(fù)荷大幅下降，為應(yīng)用小型節(jié)能抽油機創(chuàng)造了條件。

依據(jù)最大生產(chǎn)條件下的懸點載荷和減速箱扭矩，確定經(jīng)濟(jì)、適用的抽油機。抽油機型號降一級，與傳統(tǒng)8型、7型抽油機相比，配套電機功率由15kW、11kW下調(diào)為7.5kW、5.5kW，大幅提升了地面系統(tǒng)效率，節(jié)能降耗效果顯著（表2、表3）。

1.4 系統(tǒng)校核

泵徑Φ28mm，最大下泵深度為1750m；管柱組合:Φ19mm×15%+Φ16mm×50%+Φ19mm×35%，選用HY級抽油桿:抗拉強度980～1176MPa。選用沖程2.5m，沖次5次/min進(jìn)行機采系統(tǒng)校核，抽油機懸點最大載荷[2]:

式中 Pmax—懸點最大載荷，N；

Wr—作用在懸點上的抽油桿柱載荷，N；

Wl—作用在柱塞上的液柱載荷，N；

Iru—液柱慣性載荷，N；

Fu—最大摩擦載荷，N。

其中，抽油桿柱載荷:

式中 qr—每米抽油桿的質(zhì)量，kg/m;

g—重力加速度，m/s2;

L—抽油桿柱長度，m。

根據(jù)（2）式計算得Wr=33785.5N。

式中 fp—柱塞截面積，m2；

fr—抽油桿截面積，m2；

ρ1—油水混合液密度，kg/m3。

取混合液的含水為60%，根據(jù)（3）式計算的Wl=9738.4N。

式中 s—光桿沖程，m；

n—柱塞沖次，次/min。

根據(jù)（4）式計算可得Iru=1466.4N，

摩擦載荷 Fu=Wr×0.03=1013.6（N）。

根據(jù)（1）式可得抽油機懸點最大載荷:

Pmax=33785.5+9738.4+1466.4=44990.3（N）=44.9903（kN）。

懸點最小載荷:

式中 Wr′—下沖程作用在懸點上的抽油桿柱載荷，N；

Ird—懸點最大慣性載荷，N。

表2 超低滲透油藏抽油機選型表

表3 抽油機電機選配表

式中 qr′—qrb，b為考慮抽油桿柱受液體浮力的失重系數(shù)，b=(ρs-ρl)/ρs,ρs為抽油桿材料密度，ρl為液體密度。

式中 r—抽油機曲柄半徑，m；

l—連桿長度，m。

根據(jù)所選抽油機結(jié)構(gòu)特性，取r/l=1/4。

根據(jù)（5）、（6）、（7）式計算可得 Pmin=34kN。

抽油機最大扭矩:

CYJ6-2.5-26HF抽油機，配套電機功率7.5kW，懸點最大載荷60kN，最大許用懸點載荷[Pmax]=60kN×90%=54kN；減速箱最大扭矩 26kN·m，許用最大扭矩[Mmax]=26kN·m×70%=18.2kN·m，由于

故該系統(tǒng)能夠滿足要求。

通過對19口典型井示功圖最大、最小載荷的統(tǒng)計，平均下泵深度1436m，平均最大載荷32.55kN，最高懸點載荷37.5kN，低于六型抽油機懸點許用最大載荷,且有一定安全余量,完全能夠滿足采油需要。

2 現(xiàn)場應(yīng)用及結(jié)論

低產(chǎn)井機械采油優(yōu)化配套工藝技術(shù)專門針對排量在3m3以下的低產(chǎn)井進(jìn)行配套，該技術(shù)在某超低滲透油藏應(yīng)用1500口以上，與常規(guī)配套相比，具有明顯的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢:

（1）提高抽油泵效。與常規(guī)Φ32mm抽油泵相比，應(yīng)用Φ28mm抽油泵后，相同沖程、沖次及單井日產(chǎn)液量，油井抽油泵效提高了7.1%（表4）。

（2）延長油井免修期。HY型超高強度抽油桿抗拉強度高、彈性好、抗彎耐磨性能明顯優(yōu)于普通D級桿，且具有一定抗腐蝕性能，可以有效地防止偏磨現(xiàn)象和斷桿事故，降低了油井故障頻次，延長油井檢泵周期60d以上，單井年維護(hù)成本降低0.68萬元。

表4 相同生產(chǎn)情況下Φ28mm與Φ32mm抽油泵抽油泵效對比

（3）降低建設(shè)投資費用。超高強度（H級）抽油桿單價接近普通D級桿，由于桿柱重量減輕及抽油機型號下調(diào),單井一次性建設(shè)投資費用降低3.25萬元。

（4）節(jié)能降耗效果顯著。由于懸點載荷降低，抽油機配套電機功率下調(diào)為7.5kW、5.5kW，單井日耗電量節(jié)約25kW·h，年節(jié)約電費0.59萬元，節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

[1]樊成.長慶油田超低滲透油藏開發(fā)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].石油化工應(yīng)用，2009，28（2）:38-41.

[2]張琪.采油工程原理與設(shè)計[M].北京:中國石油大學(xué)出版社，2006.