低滲透油田抽油機選型優(yōu)化技術(shù)研究

梁毅石海霞　樊松趙春甘慶明鐘英

（1.長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.長慶油田分公司第一采油廠）

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低滲透油田抽油機選型優(yōu)化技術(shù)研究

梁毅1石海霞1樊松1趙春1甘慶明1鐘英2

（1.長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.長慶油田分公司第一采油廠）

低滲透油藏單井產(chǎn)液量普遍較低，要想實現(xiàn)油田的效益開發(fā)，必須進行優(yōu)化設(shè)計，調(diào)整抽油機型號、提高系統(tǒng)效率，進而降低投資和生產(chǎn)運行成本。懸點載荷是確定抽油機機型的主要依據(jù)，從降低抽油機懸點載荷入手，開展了供排協(xié)調(diào)優(yōu)選泵徑、抽油桿提強度降桿徑設(shè)計、定向井懸點載荷預(yù)測等技術(shù)研究，形成了低滲透油藏抽油機優(yōu)化選型方法。通過現(xiàn)場應(yīng)用表明，新投井應(yīng)用大機型抽油機比例明顯減少，新投井抽油機額定載荷下降了11.7kN，系統(tǒng)效率提高1.2%，平均單井抽油機投資減少0.7萬元，日耗電量減少9.2kWh，達到了提高系統(tǒng)效率、降低投資和運行成本的目的。

低滲透油田抽油機型號懸點載荷系統(tǒng)效率H級抽油桿

長慶低滲透油田的特點是低滲、低壓、低產(chǎn)，油井全部采用有桿泵方式生產(chǎn)，與東部高產(chǎn)油田相比，原油生產(chǎn)對機、桿、泵要求有明顯不同［1］。長慶油田有桿泵采油設(shè)計一直沿用傳統(tǒng)的方法［2］，未充分考慮“低液量、定向井”的實際情況，且隨著油田大規(guī)模建產(chǎn)，采油井數(shù)及井深逐年增加，8型以上抽油機占了2/3，造成油井效率低、成本高［3］。

理論分析表明［4-5］，抽油機懸點載荷越大，抽油機機型及拖動電動機的功率則越大，所需投資和運行費用也就越多［6］。因此，圍繞如何減小抽油機懸點載荷、降低機型，開展了低滲透油田抽油機選型優(yōu)化技術(shù)。

1　抽油機選型影響因素

通常在進行采油井抽油機選型設(shè)計時，懸點載荷并無準確數(shù)據(jù)，主要是依據(jù)投產(chǎn)參數(shù)和管柱組合設(shè)計數(shù)據(jù)進行載荷預(yù)測，負載率按照70%～90%選取，從而確定抽油機型號，因此降低抽油機懸點載荷是優(yōu)化抽油機選型的核心。

計算抽油機懸點載荷時主要考慮桿柱載荷、液柱載荷，計算公式如下：

式中：

Pmax——懸點最大載荷，kN；

A——不同泵掛深度最大載荷系數(shù)；

S——沖程，m；

n——沖速，min-1；

Ar——抽油桿截面積，m2；

ρr——抽油桿密度，t/m3（鋼桿7.85t/m3）；

ρl——液體密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

LP——泵深，m；

AP——抽油泵柱塞截面積，m2。

由公式（1）可知，抽油桿直徑、抽油泵泵徑、沖速是影響抽油機井懸點載荷的主要因素。由于沖速在抽油機運行過程中調(diào)整較為方便，且低滲透油藏抽油機一直采用較低沖速運行，降低抽油桿直徑和抽油泵泵徑就成為了降低懸點載荷的關(guān)鍵。

2　抽油機選型優(yōu)化技術(shù)研究

2.1抽油桿提強度降桿徑設(shè)計

鋼桿抽油桿柱設(shè)計一般采用等強度設(shè)計原則，即各級桿柱頂端面的應(yīng)力范圍比或折算應(yīng)力相等。由表1可以看出，同一下抽油泵徑（φ32mm）、下泵深度（1500m），在滿足抽油桿柱使用強度的條件下，抽油桿柱比例不同，整個抽油桿柱的重量也不一樣，減小抽油桿柱直徑可以顯著降低抽油桿柱重量。因此，以抽油桿柱重量最小為設(shè)計目標，直接選取當前抽油桿柱所能達到的最高強度，在抽油桿柱許用應(yīng)力范圍內(nèi)使抽油桿柱直徑減小，同時H級抽油桿比D級抽油桿有更高的強度，因此應(yīng)用H級超高強度抽油桿，進一步減小抽油桿柱重量，實現(xiàn)抽油機懸點載荷的降低，為抽油機選型增加可選余地。

表1　D級不同桿柱組合比例下懸點載荷統(tǒng)計

在考慮應(yīng)用H級抽油桿實施降桿徑設(shè)計時，為保證抽油桿下井后正常生產(chǎn)運行，同時有較長的下井壽命，關(guān)鍵是確定其使用界限，采用API修正古德曼方法確定H級抽油桿使用界限。其計算公式為

式中：

SF——抽油桿使用系數(shù)；

σb——抽油桿最小抗拉強度，MPa；

σmin——最小應(yīng)力，MPa；

σmax——最大應(yīng)力，MPa；

［］σmax——許用最大應(yīng)力，MPa；

PL——應(yīng)力范圍比，%。

在采用φ38mm抽油泵、安全系數(shù)為1.3的條件下，運用修正古德曼法對不同桿徑的H級抽油桿進行最大下深進行校核得出：φ16mm抽油桿最大下深為1600m，φ19mm抽油桿最大下深為1800m，φ22mm抽油桿最大下深為2400m，見圖1、圖2、圖3。

考慮到低滲透油藏多為叢式井組定向井開發(fā)、井筒狀況較為復(fù)雜，抽油桿易疲勞受損等問題，確定在下泵深度小于1800m的油井上采用抽油桿提強度降桿徑的設(shè)計方法。不同泵深下的D、H級抽油桿桿柱組合見表2。

圖1　H級φ16mm抽油桿強度校核

圖2　H級φ19mm抽油桿強度校核

圖3　H級φ22mm抽油桿強度校核

2.2供排協(xié)調(diào)，優(yōu)選抽油泵設(shè)計

抽油機井供排協(xié)調(diào)是地層的供液能力與抽油泵排液能力之間關(guān)系，供液能力曲線即IPR曲線反映了油井當前的生產(chǎn)潛力，抽油泵排出曲線反映了泵的排液能力，把2條曲線疊合在一起，使兩者有機的結(jié)合起來，構(gòu)成了油井的“供排協(xié)調(diào)圖”，只有在供排協(xié)調(diào)點處，油井方可獲得最大舉升產(chǎn)量和舉升效率。

表2　D級、H級抽油桿組合優(yōu)化設(shè)計比較

長慶低滲透油田平均單井日產(chǎn)液4.7m3，在單井日產(chǎn)液5m3、泵效45%的條件下，繪制供排協(xié)調(diào)圖（圖4），對于日產(chǎn)液5m3左右的采油井，僅與φ28mm抽油泵存在有供排協(xié)調(diào)點，當泵徑大于28mm時無供排協(xié)調(diào)點。

圖4　日產(chǎn)液5m3采油井供排協(xié)調(diào)圖

通過理論公式計算分析，在日產(chǎn)液量、沖程、沖速及抽油油桿組合相同的條件下，抽油泵徑由φ32mm降到φ28mm時，懸點最大載荷由54.3kN降低至51.4kN，見表3。

表3　不同泵徑的泵效與懸點載荷對比

統(tǒng)計長慶油田日產(chǎn)液低于5m3油井平均泵徑約為32mm，泵效僅為20.7%，因此在日產(chǎn)液低于5m3的油井應(yīng)用φ28mm抽油泵，替換原有的φ32mm抽油泵，可有效降低懸點載荷。

3　現(xiàn)場應(yīng)用

2012年通過規(guī)模應(yīng)用抽油機優(yōu)化選型技術(shù)，新投井大機型抽油機應(yīng)用比例明顯減少。與2010年優(yōu)化前相比，2012年新投井10型機比例由39.8%下降至4.6%；8型機比例由35.7%下降至18.4%，見表4。

對優(yōu)化后投產(chǎn)的448口油井進行現(xiàn)場測試，與優(yōu)化前投產(chǎn)井相比，抽油機額定載荷下降23.2kN（下降2個機型），懸點最大載荷下降10.1kN，泵效提高了5.4%，系統(tǒng)效率提高了1.2%，日耗電量下降了9.2kWh，年節(jié)約用電2864×104kWh，見表5。

表4　2010—2012年新投井抽油機應(yīng)用機型對比

表5　現(xiàn)場測試效果對比

4　結(jié)論

1）運用H級抽油桿降低抽油桿直徑、供排協(xié)調(diào)優(yōu)選泵徑、優(yōu)化懸點載荷預(yù)測計算等技術(shù)和方法，有效地降低了抽油機井懸點載荷，降低了抽油機型號，可達到系統(tǒng)效率、減少建設(shè)投資和生產(chǎn)運行成本的目的。

2）提高抽油桿強度、抽油桿降低抽油桿直徑技術(shù)應(yīng)用時，應(yīng)先依據(jù)抽油桿力學(xué)性能參數(shù)，結(jié)合井筒狀況，考慮安全系數(shù)，計算最大下入深度后，方可進行桿柱組合優(yōu)化調(diào)整。

［1］馬會寧.新型節(jié)能抽油機技術(shù)推廣應(yīng)用［J］.石油石化節(jié)能，2012，2（9）：26-27.

［2］葉利平，崔培慶.有桿泵抽油機井抽油參數(shù)設(shè)計及規(guī)劃方法［J］.石油鉆采工藝，1997（3）：63-69.

［3］胡博仲，董福洲，周繼德.有桿泵井抽油參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計［J］.石油鉆采工藝，1990，12（2）：107-112.

［4］張琪.采油工程原理與設(shè)計［M］.東營：中國石油大學(xué)出版社，2000：103-117.

［5］劉彩玉，張彥，張玉斌.在役有桿泵抽油系統(tǒng)可靠性評估［J］.石油礦場機械，2005，3（47）：47-50.

［6］周漢鵬，郝衛(wèi)國，李東平，等.抽油機曲柄斷裂原因及預(yù)防措施［J］.石油礦場機械，2007，36（12）：52-55.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.09.001

2015-05-07）

梁毅，工程師，2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué)（油氣田開發(fā)專業(yè)），從事采油工藝技術(shù)研究工作，E-mail：lyi08_cq@petrochina. com.cn，地址：陜西省西安市未央?yún)^(qū)明光路長慶油田油氣工藝研究院，710018。