抽油機(jī)井機(jī)型優(yōu)化匹配技術(shù)的研究與應(yīng)用

張興戰(zhàn) 柴鳳忠（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

隨著油田開發(fā)的深入，機(jī)采井的能耗問題日益突出，對(duì)油田的經(jīng)濟(jì)開發(fā)產(chǎn)生了影響。造成抽油機(jī)能耗高的主要原因有：抽油機(jī)的載荷利用率低、抽油機(jī)的系統(tǒng)效率低、泵的利用效率低等，而抽油機(jī)的載荷利用率是決定抽油機(jī)能耗的重要因素。

1 問題的提出

1.1 載荷利用率不合理，且部分機(jī)型存在安全隱患

從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是額定載荷在65%～95%之間為抽油機(jī)井的合理區(qū)間。

統(tǒng)計(jì)全廠2200 口抽油機(jī)井載荷使用情況，平均載荷利用率僅為53.58%。其中，載荷偏小有1236 口井，載荷偏大有30 口井，并且存在生產(chǎn)安全隱患。

1.2 機(jī)型匹配不合理，存在高能耗

從運(yùn)行的角度出發(fā)，抽油機(jī)井的運(yùn)行合理載荷利用率40%～80%，扭矩利用率40%～80%[1]。統(tǒng)計(jì)全廠2025 口抽油機(jī)井，其中953 口井載荷、扭矩不在該區(qū)域，占統(tǒng)計(jì)井?dāng)?shù)的47.06%。

統(tǒng)計(jì)喇嘛甸油田的主要運(yùn)行機(jī)型的能耗情況，當(dāng)抽油機(jī)井機(jī)型載荷與扭矩在合理范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)效率最高，百米噸液耗電最低。因此，對(duì)于1 口生產(chǎn)井，選擇合適的機(jī)型，并使其載荷、扭矩在一個(gè)合理的工作區(qū)間，才可以達(dá)到機(jī)型、泵型、生產(chǎn)參數(shù)的最佳組合，最終達(dá)到抽油機(jī)井能耗最低、系統(tǒng)效率最高的目的。

2 懸點(diǎn)最大載荷公式的優(yōu)選

2.1 計(jì)算公式的優(yōu)選

抽油機(jī)在正常工作時(shí)，懸點(diǎn)所承受的載荷根據(jù)其性質(zhì)可分為靜載荷、動(dòng)載荷、沉沒壓力以及井口回壓在懸點(diǎn)上形成的載荷。靜載荷通常是指抽油桿柱和液柱所受的重力以及液柱對(duì)抽油桿柱的浮力所產(chǎn)生的懸點(diǎn)載荷；動(dòng)載荷是指由于抽油桿柱運(yùn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)、慣性以及摩擦所產(chǎn)生的懸點(diǎn)載荷。沉沒壓力的影響只發(fā)生在上沖程，它將減小懸點(diǎn)載荷。液流在地面管線中的流動(dòng)阻力所造成的井口回壓，將對(duì)懸點(diǎn)產(chǎn)生附加載荷，其性質(zhì)與油管內(nèi)液體的作用載荷相同，即上沖程中增加懸點(diǎn)載荷，下沖程中減小懸點(diǎn)載荷。因二者可以部分抵消，一般計(jì)算中常可忽略。

在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)懸點(diǎn)載荷影響最大載荷是抽油桿載荷、液柱載荷、振動(dòng)載荷和慣性載荷，在考慮上述因素后優(yōu)選懸點(diǎn)最大載荷的數(shù)學(xué)模型。

目前，方案設(shè)計(jì)中常用的計(jì)算公式有以下幾種：

式中：

Pmax——懸點(diǎn)最大載荷，N；

Wr——抽油桿在空氣中的重力，N；

W1——液柱在柱塞環(huán)形面積上的重力，N；

W′1——液柱在柱塞面積上的重力，N；

S——沖程，m；

N ——沖速，min-1；

r——曲柄旋轉(zhuǎn)半徑，m。

應(yīng)用以下數(shù)據(jù)參數(shù)以及5 個(gè)區(qū)塊的抽油機(jī)井生產(chǎn)參數(shù)（表1），對(duì)上述公式進(jìn)行驗(yàn)算。

表1 選定井生產(chǎn)參數(shù)

公式（1）、（2）、（3）計(jì)算結(jié)果偏大，公式（4）、（5）計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值比較接近，其中公式（5）考慮了液柱動(dòng)載荷，且符合率最高，優(yōu)選公式（5）作為抽油機(jī)懸點(diǎn)最大載荷的預(yù)測公式。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)該公式進(jìn)行修正，得出平均修正系數(shù)（表2）。應(yīng)用修正系數(shù)對(duì)公式（5）進(jìn)行修正，從而得到各區(qū)塊抽油機(jī)懸點(diǎn)最大載荷的預(yù)測公式。

2.2 裝機(jī)載荷上限的確定

在抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷中，抽油桿載荷及液柱載荷占總載荷的95%以上，振動(dòng)載荷及慣性載荷所占比例低于5%，抽油機(jī)后期的沖程、沖速的變化只影響振動(dòng)載荷及慣性載荷，所以，在考慮載荷、扭矩及裝機(jī)功率的增加比例時(shí)可以忽略沖程、沖速的影響。

表2 不同區(qū)塊的修正系數(shù)

現(xiàn)場設(shè)計(jì)中抽油機(jī)載荷利用率小于95%時(shí)即可安全使用[1]。油井產(chǎn)液量一定時(shí)，含水100%時(shí)抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷比初期抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的增加比例可用下式計(jì)算：

抽油機(jī)初期裝機(jī)載荷利用率上限關(guān)系式為

其中

式（6）～式（8）中：ηw為載荷變化率；Wmax1為含水100%時(shí)懸點(diǎn)最大載荷；Wmax0為含水0時(shí)懸點(diǎn)最小載荷；ηwup為初期裝機(jī)載荷利用率上限。

通過程序，分別計(jì)算不同抽油桿直徑、泵徑、沖程、沖速及泵掛深度的含水100%時(shí)抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷比初期抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的增加百分比，并繪制成圖（圖1、圖2）。

圖1 抽油桿直徑為22 mm 的載荷變化率示意圖

由圖1、圖2 可知，根據(jù)實(shí)際井深情況，可得抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的增加范圍0＜ηw＜3%。因此，抽油機(jī)初期裝機(jī)載荷利用率上限為ηwup=0.95/(1+0.03)×100%=92.23%。

圖2 抽油桿直徑為25 mm 的載荷變化率示意圖

3 抽油機(jī)井機(jī)型優(yōu)化現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場選井情況

根據(jù)2013年年底生產(chǎn)數(shù)據(jù)，確立選型范圍，見表3。

表3 機(jī)型互換選型范圍

針對(duì)基層反映的機(jī)型不匹配的問題，選取有代表性問題的油井，結(jié)合現(xiàn)場機(jī)型及井場實(shí)際情況，以及載荷公式計(jì)算結(jié)果，確定20 口亟待優(yōu)化匹配的抽油機(jī)井，為后續(xù)上產(chǎn)、擴(kuò)展節(jié)能空間奠定基礎(chǔ)。

3.2 現(xiàn)場試施情況

以4-3116、6-SM3111 井組為例，抽油機(jī)井生產(chǎn)參數(shù)及能耗前后對(duì)比情況見表4、圖3、圖4。

由圖3、圖4 可知，機(jī)型互換效果顯著，既解決了現(xiàn)場抽汲參數(shù)、設(shè)備匹配不合理的情況，又大幅度地降低了噸液單耗電量，僅這一組互換調(diào)整日節(jié)電170 kWh，年節(jié)約電費(fèi)4 萬元。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)證實(shí)，在新井投產(chǎn)機(jī)型選定的同時(shí)，新井可與老井相互匹配，這樣既可以減少后期的投入費(fèi)用以及投產(chǎn)費(fèi)用，又能滿足現(xiàn)場的實(shí)際生產(chǎn)需要。

圖3 4-3116 前后功圖對(duì)比

圖4 6-SM3111 前后功圖對(duì)比

4 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

1）對(duì)于1 口生產(chǎn)井，選擇合適的機(jī)型，并使其載荷、扭矩在一個(gè)更加合理的工作區(qū)間，可以達(dá)到機(jī)型、泵型、生產(chǎn)參數(shù)的最佳組合，最終達(dá)到抽油機(jī)井能耗最低、系統(tǒng)效率最高的目的。

2）在新井投產(chǎn)之前，購買新機(jī)型的同時(shí)，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以達(dá)到新裝1口井、調(diào)整1 口井的目的，既可以滿足現(xiàn)場產(chǎn)油的需求，又降低能耗。

表4 機(jī)型互換前后參數(shù)對(duì)比

[1]羅英俊,萬仁溥.采油技術(shù)手冊(cè)[M].3 版.北京:石油工業(yè)出版社,2005:88-188.（收稿日期：2014-11-06）