抽油井區(qū)塊系統(tǒng)效率測試與計算方法研究

(中國石油新疆油田分公司工程技術處，新疆 克拉瑪依 834000)

抽油井區(qū)塊系統(tǒng)效率測試與計算方法研究

王濟新

(中國石油新疆油田分公司工程技術處，新疆 克拉瑪依 834000)

為了提高抽油井生產(chǎn)區(qū)塊系統(tǒng)效率測試數(shù)據(jù)的準確性，降低費用，對數(shù)據(jù)測試和統(tǒng)計方法進行了研究。分析了目前由石油行業(yè)標準提供的方法在實際應用中存在的問題，根據(jù)抽油井系統(tǒng)效率監(jiān)測的原理，提出了一種以生產(chǎn)區(qū)塊耗電和產(chǎn)液的總量數(shù)據(jù)以及有效揚程、混合液比重、工作天數(shù)等平均數(shù)據(jù)為基礎的系統(tǒng)效率計算方法。該方法通過加強區(qū)塊產(chǎn)液量和耗電量的計量，可以有效地解決目前方法存在的一些問題，更客觀地評價節(jié)能降耗技術的實施效果，提高抽油生產(chǎn)的管理水平。

抽油井；區(qū)塊；系統(tǒng)效率；測試；計算；方法研究

目前，國內(nèi)大多數(shù)油田采用人工舉升(也稱為機械采油)方式開采。近年來雖然螺桿泵、電潛往復泵等技術有了較大的發(fā)展，但有桿泵抽油機舉升技術仍然占據(jù)著統(tǒng)治地位。新疆油田目前的有桿泵抽油井數(shù)量占總采油井數(shù)的95%以上，產(chǎn)量占總采油量的85%以上，抽油井用電量占油田生產(chǎn)總用電量的45%以上。抽油井是油田生產(chǎn)管理的重點和油田節(jié)能降耗的主要工作對象。

二十多年來，國內(nèi)各油田積極開展提高抽油系統(tǒng)效率的工作[1-6]，并研究提高抽油系統(tǒng)效率對于降低能耗的影響[7-9]。在這些研究中，普遍使用系統(tǒng)效率測試方法來監(jiān)測抽油井的系統(tǒng)效率和評價節(jié)能技術的應用效果。這種方法可以監(jiān)測到抽油井瞬時的系統(tǒng)效率，由于是對單井進行測試，可以避免其它用電設備對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。該方法同時也被普遍用來監(jiān)測一個區(qū)塊(或生產(chǎn)單位，下同)的系統(tǒng)效率和能耗情況。但實踐證明，用該方法獲取區(qū)塊的系統(tǒng)效率存在費用高、費時長和測試結果影響的因素較多等問題，因此有必要研究一種經(jīng)濟可行、準確度更高的新方法。

1 有桿泵抽油井系統(tǒng)效率的測試方法

1.1 系統(tǒng)效率測試和計算方法

石油行業(yè)標準[10]提供了抽油井系統(tǒng)效率的計算方法

(1)

式中η效率——抽油井系統(tǒng)效率/[%]；

N有效——有效功率，計算值/kW；

N輸入——輸入功率，現(xiàn)場實測值/kW。

系統(tǒng)效率測試布點和儀表連接點的位置見圖1。以抽油機光桿懸繩器(圖1中的3)為界將抽油井分為地面和井下兩部分，分別測試地面和井下的分項效率。

圖1 系統(tǒng)效率測試布點位置和儀表連接示意圖

因此，抽油井的系統(tǒng)效率還可以表示為

(2)

式中η地面——地面效率/[%]；

η井下——井下效率/[%]；

N光桿——光桿功率/kW。

有效功率是將井下液體舉升到地面所需的功率，計算公式為

(3)

式中Q——油井產(chǎn)液量/m3·d-1；

H——有效揚程/m。

(4)

式中Hd——動液面深度(斜井為垂直深度)/m；

Hx——油管吸入口深度(斜井為垂直深度)/m；

po——井口油管壓力/MPa；

pt——井口套管壓力/MPa；

ρL——油井液體密度/t·m-3。

ρL=(1-fw)·ρo+fw·ρw

式中 fw——原油含水率/[%]；

ρo——油的密度/t·m-3；

ρw——水的密度/t·m-3；

g——重力加速度，g=9.8 m·s-2。

光桿功率是光桿提升液體并克服井下各種阻力所消耗的功率，計算公式為

(5)

式中A——示功圖面積/mm2；

Sd——示功圖減程比/m·mm-1；

fd——示功圖力比/N·mm-1；

ns——光桿實測平均沖次/min-1。

1.2 抽油井能耗計算方法

系統(tǒng)效率的測試數(shù)據(jù)可以用來計算抽油井的能耗值，現(xiàn)場主要使用以下兩項能耗指標:

(6)

(7)

式中Mdy——每舉升一噸油井液體的用電量，簡稱“噸液耗電”/kW·h·t-1;

Mbm——將一噸液體舉升100 m的用電量，簡稱“百米噸液耗電”/kW·h·(100 m·t)。

1.3 區(qū)塊抽油系統(tǒng)效率和能耗值的計算

(1)區(qū)塊平均系統(tǒng)效率計算公式[10]

(8)

式中η區(qū)塊——區(qū)塊平均系統(tǒng)效率/[%]；

n——被測區(qū)塊抽油井測試井總數(shù)。

(2)區(qū)塊噸液耗電(Mdypi)計算

(9)

(3)區(qū)塊平均百米噸液耗電(Mbmpi)計算

(10)

文獻[11]提供了節(jié)電指標的計算方法，可以用來評價人工舉升節(jié)能技術的應用效果。

2 目前測試和計算方法存在的問題

根據(jù)式(8)，一個區(qū)塊的系統(tǒng)效率是各井測試數(shù)據(jù)的累計平均值。目前，油田上為了更好地掌握一個區(qū)塊的抽油系統(tǒng)效率和能耗情況，一般的做法是加大測試工作量，用大量的單井測試數(shù)據(jù)來計算區(qū)塊的抽油系統(tǒng)效率。在實際運用中發(fā)現(xiàn)這種作法存在以下問題:

(1)該測試方法并非適用于全部抽油井。一些特殊情況例如連抽帶噴井、動液面在井口的井不適合用這種方法進行測試。對于適合測試的井，即便是按照分類抽樣的方式選井，還會有相當一部分井不能進入測試的范圍。經(jīng)驗表明，在大面積的測試中總會有一些油井得不到正確的測試結果。因此，多年來有人對抽油井單井系統(tǒng)效率的測試方法不斷開展研究工作[12-14]。

(2)單井測試結果影響因素眾多?，F(xiàn)場測試很難滿足行業(yè)標準的要求。例如標準中要求同步錄取各項參數(shù)，但因條件所限，油井的產(chǎn)液量就很難做到同步錄取，而這項數(shù)據(jù)直接影響到井下效率的計算。另外，單井測試的結果只是瞬時值，油井產(chǎn)液的穩(wěn)定性和測試的時間對測試結果有很大的影響[15]。由于這些原因，現(xiàn)場對于在生產(chǎn)井上用系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)來評價節(jié)能技術的效果、推算節(jié)能量的做法經(jīng)常產(chǎn)生一些質疑。

(3)區(qū)塊效率數(shù)值受到測試井數(shù)和選井方式的影響。圖2是國內(nèi)某油田測試井數(shù)與系統(tǒng)效率的數(shù)據(jù)。從圖上可以看出，2002年由于測試井數(shù)大幅增加，當年的系統(tǒng)效率數(shù)值從28.89%下降到22.08%，下降了6.81%。

圖3是對某區(qū)塊測試數(shù)據(jù)重新整理后得出的井數(shù)與效率值的關系曲線，可以看出，隨井數(shù)增加，區(qū)塊的效率和能耗值都在變化。

圖2 某油田抽油系統(tǒng)效率與測試井數(shù)關系曲線

圖3 某區(qū)塊系統(tǒng)效率與測試井數(shù)的關系曲線

同一區(qū)塊的抽油井在選井時不同的組合也會得出不一樣的系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)。對某區(qū)塊45口測試井的測試數(shù)據(jù)，每次選30口井共分6組重新計算系統(tǒng)效率和噸液耗電數(shù)據(jù)，數(shù)值隨所選井的不同而變化，見圖4。

圖4 測試數(shù)據(jù)與選井分組的關系曲線

上述事例說明，測試井數(shù)的多少和選井方式直接影響到最后的計算結果。

(4)對抽油系統(tǒng)效率連續(xù)監(jiān)測需要較大的投入。抽樣測試所選的測試井數(shù)越多，則所測算的區(qū)塊系統(tǒng)效率就越準確，但同時需要投入的人力物力和資金就越多。要確保及時掌握抽油系統(tǒng)效率情況，就必須保持經(jīng)常性的測試費用投入，而長期大量的投入會增加油田生產(chǎn)的成本。

3 計算區(qū)塊抽油系統(tǒng)效率的一種新方法

為解決上述問題，本文提出一種從區(qū)塊整體的角度來進行抽油系統(tǒng)效率測試和計算的思路與方法。將一個區(qū)塊作為一口抽油井來對待，用同一時間段內(nèi)區(qū)塊的總用電量、總產(chǎn)液量和平均有效揚程、平均混合液比重、平均工作天數(shù)等數(shù)據(jù)來計算區(qū)塊整體的系統(tǒng)效率。與單井數(shù)據(jù)計算相比，公式中一些參數(shù)的計算方法要做一些調(diào)整。

公式(3)中的產(chǎn)液量按下式計算

(11)

式中QT——統(tǒng)計期內(nèi)區(qū)塊總的產(chǎn)液量/m3；

D——與統(tǒng)計期內(nèi)產(chǎn)液量對應的油井平均工作天數(shù)/d。

公式(1)中所需的輸入功率按下式計算

(12)

式中 WT——統(tǒng)計期內(nèi)抽油生產(chǎn)總用電量/kW·h；

S——日工作小時，常開井按24 h計算。

單井有效揚程按式(4)計算，按式(13)計算平均有效揚程。當油井的沉沒度不高時(例如動液面小于泵掛的10%)，可以近似地取區(qū)塊全部抽油井的平均泵掛深度數(shù)據(jù)作為有效揚程

(13)

式中Hpi——平均有效揚程/m；

n——有動液面數(shù)據(jù)的抽油井數(shù)。

統(tǒng)計期可以是月、季度、半年或者一年。公式(3)中所需的混合液比重、壓力等數(shù)據(jù)可以取區(qū)塊油井的算術平均值。

4 算例

某區(qū)塊年產(chǎn)液77 000 m3，有效揚程為750 m，混合液比重0.97 t/m3，油井年平均工作天數(shù)為330 d，抽油井的年用電量為710 000 kW·h，試計算該區(qū)塊的抽油系統(tǒng)效率和能耗數(shù)據(jù)。

將該區(qū)塊當作一口井，分別按照公式(11)、(12)、(1)、(6)、(7)進行相關計算。

5 新方法使用中的相關議題

(1)產(chǎn)液量和用電量數(shù)據(jù)的錄取。這是本方法能夠實際應用的關鍵。目前產(chǎn)液量(或產(chǎn)油量)是油田生產(chǎn)區(qū)塊重要的考核指標，一般有較高的計量精度。而抽油井的用電量則一般是按照供電線路來計量的，一條線路可能穿過幾個區(qū)塊，區(qū)塊用電量沒有準確的計量數(shù)據(jù)。另外，區(qū)塊內(nèi)除抽油井用電外，還有計量站、轉油站和油區(qū)保溫等其它用電，這就要求完善生產(chǎn)區(qū)塊的用電計量設施，對其它用電量采用單獨計量等方法予以扣除。如果無法扣除其它用電量，此方法只能粗略計算區(qū)塊的抽油系統(tǒng)效率和能耗數(shù)據(jù)。

(2)分項效率數(shù)據(jù)的計算。本文介紹的方法是用來計算區(qū)塊總的抽油系統(tǒng)效率，如果要計算地面和井下的分項效率，可以使用同期的抽油井示功圖測試資料計算出平均的光桿功率，再按照公式(5)、公式(2)等計算出區(qū)塊的地面效率和井下效率。在使用該方法的同時，還可以按比例抽取區(qū)塊中一部分抽油井用現(xiàn)行方法測試單井的系統(tǒng)效率，有針對性地采取提高效率的措施。

(3)兩種方法的對比。本方法是用來統(tǒng)計一個生產(chǎn)區(qū)塊內(nèi)抽油井總的系統(tǒng)效率，而目前的測試方法是只選出一部分正常生產(chǎn)的油井進行測試和計算。因此，用這兩種方法得到的區(qū)塊系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)會有一定差距。筆者認為本方法所計算的區(qū)塊系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)可能偏低，但數(shù)據(jù)更加真實。

(4)新方法對節(jié)能技術評價的意義。新方法可以統(tǒng)計出一個區(qū)塊總的系統(tǒng)效率和能耗值，因而很適用于對大面積推廣抽油節(jié)能技術的效果評價，避免僅通過單井測試數(shù)據(jù)評價總體效果所帶來的弊端。而單井測試方法仍然可以用來做輔助的評價手段，例如測試的電流和有功功率等數(shù)據(jù)用于對比前后效果仍有一定的實際意義。新疆油田為了改進區(qū)塊抽油井系統(tǒng)效率資料的獲取方式，已經(jīng)開始了相關嘗試，在節(jié)能項目試驗區(qū)塊增設儀表，對用電量和產(chǎn)液量進行單獨計量。

(5)新方法對加強生產(chǎn)管理的意義。抽油井的節(jié)能降耗不僅僅是推廣節(jié)能技術的問題，生產(chǎn)管理中的許多工作，例如優(yōu)化運行參數(shù)、調(diào)整抽油機平衡、設備維護以及日常管理(例如皮帶和盤根盒松緊度調(diào)整等)都會影響到抽油井的能耗。加強這些日常管理工作的實際效果是降低抽油井的耗電量，如果有了對用電量比較準確的計量和對區(qū)塊系統(tǒng)效率及能耗情況較為準確的計算，就可以很好地體現(xiàn)這些工作的實際效果，便于采取考核和獎懲等管理措施。

6 結論

(1)系統(tǒng)效率是反映抽油井用能效率的重要指標。目前所采取的用單井測試數(shù)據(jù)計算區(qū)塊系統(tǒng)效率的做法雖然可行，但存在費用高、耗時長和統(tǒng)計數(shù)據(jù)受影響的因素多等問題，有必要探索新的計算方法。

(2)本文所介紹新方法的關鍵，是要獲得與一個區(qū)塊產(chǎn)液量所對應的用電量數(shù)據(jù)。目前許多油田尚不具備這樣的計量條件，因此需要一定的改造性投入，完善油區(qū)產(chǎn)液量和用電量的計量手段。在單獨計算區(qū)塊抽油系統(tǒng)效率時，對于抽油設備以外的用電量應予以扣除。

(3)石油行業(yè)標準“SY/T 5264—2006油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法”提供了一種適用于單井抽油系統(tǒng)效率的測試手段，雖然有一定的局限性，在目前仍然是開展抽油井系統(tǒng)效率和能耗監(jiān)測的基礎方法。在應用中要在測試的選井等方面予以完善。另外應繼續(xù)開展對不適合該方法油井測試問題的研究。

(4)本文研究的區(qū)塊系統(tǒng)效率計算方法理論依據(jù)充分、資料錄取和計算的工作量和費用投入較小，可以較好地反映節(jié)能技術應用和抽油井日常管理的實際效果，十分有利于提高油田現(xiàn)場對抽油井管理的積極性，有著很好的應用前景，有必要做進一步的研究和推廣。

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StudyontheTestingandCalculationMethodofSystemEfficiencyforaPumpingBlock

WANG Ji-xin

(Engineering &Technology Dept. of Xinjiang Oilfield Company, CNPC, Karamay 834000,China)

In order to improve the accuracy of system efficiency for a pumping block and to lower the cost of testing, some research work has been done for the testing and calculation of the pumping efficiency. Several problems of the present method provided by the oil industry standards have been analyzed.Based on the principles of efficiency testing of a pumping well, a new method has been put forward for the efficiency calculation according to the statistical data of power consumption, total liquid yield and the average data of effective head, mixture proportion, working days and so on. By the improvement of measurement for the power and the yield of a block, the problems can be effectively solved by means of the new way, which can also be used to evaluate objectively the effect of energy conservation technologies and to promote the management of pumping wells.

pumping wells;block;system efficiency, testing;calculation;method study

2013-10-14修訂稿日期2013-12-07

王濟新(1956～)，男，碩士，高級工程師,從事機械采油技術管理和節(jié)能技術推廣等工作。

TE933:TK01+1

A

1002-6339 (2014) 04-0333-04