薩北油田抽油機(jī)井合理回壓界限試驗(yàn)研究

馮華勝 羅銳妮 （大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

薩北油田抽油機(jī)井合理回壓界限試驗(yàn)研究

馮華勝 羅銳妮 （大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

抽油機(jī)井合理回壓試驗(yàn)研究從抽油機(jī)井產(chǎn)液量、能耗及桿管壽命等要素出發(fā)，根據(jù)回壓對(duì)生產(chǎn)成本的影響，并結(jié)合地面改造成本，對(duì)抽油系統(tǒng)建立了數(shù)值模型，并應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序來(lái)計(jì)算出不同年限井口回壓的合理范圍?，F(xiàn)場(chǎng)采用控制生產(chǎn)閥門(mén)進(jìn)行井口提升回壓試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)井口回壓大于0.8 MPa時(shí)，能耗增幅超過(guò)5.1%，隨著回壓的增大，能耗增幅也逐漸加大。因此，為保證抽油機(jī)井系統(tǒng)低能耗合理運(yùn)行，井口回壓應(yīng)控制在0.8 MPa以下。通過(guò)理論和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究確定了有桿泵井井口回壓的合理界限，為今后在地面工程的建設(shè)和改造中能夠與抽油機(jī)井管理相協(xié)調(diào)提供了科學(xué)依據(jù)，具有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

抽油機(jī)井；井口回壓；產(chǎn)液量；能耗；數(shù)值模型；合理界限

隨著老油田新增產(chǎn)能和已建系統(tǒng)調(diào)整改造地面工程中采取了簡(jiǎn)化、優(yōu)化采出液集輸與處理工藝新措施，如環(huán)狀流程、單管集油流程以及縮小管徑、延長(zhǎng)集油半徑等，雖然能有效地降低工程投資和操作成本，但也造成機(jī)采井地面回壓升高，對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，增加抽油機(jī)井耗能、作業(yè)維護(hù)費(fèi)用、井筒清防蠟管理費(fèi)用，也使抽油機(jī)井的管理增加了難度。為配合地面工藝新措施，研究地面建設(shè)投入成本的減少與機(jī)采管理能耗和管理費(fèi)用的增加的合理回壓界限，進(jìn)行科學(xué)合理的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，為今后在地面工程的建設(shè)和改造中能夠與抽油機(jī)井管理相協(xié)調(diào)，使機(jī)采系統(tǒng)低能耗合理運(yùn)行提供可靠依據(jù)。

通過(guò)回壓上升對(duì)抽油機(jī)井產(chǎn)液量和能耗的影響規(guī)律，以及對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)機(jī)、桿、管、泵及管理方面的影響，從對(duì)產(chǎn)液量、能耗及桿管壽命等要素出發(fā)，運(yùn)用多種理論來(lái)闡明回壓對(duì)生產(chǎn)成本的影響，并結(jié)合地面改造成本，評(píng)定出井口回壓的合理范圍[1]。

1 井口回壓對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)影響規(guī)律的研究

1.1桿管形變對(duì)產(chǎn)液量的影響

抽油桿、管在外力的作用下會(huì)發(fā)生彈性變形。根據(jù)虎克定律，當(dāng)應(yīng)力不超過(guò)比例極限時(shí)，桿件伸長(zhǎng)與拉力和長(zhǎng)度成正比，與橫截面面積成反比。

上沖程時(shí)，井口回壓增量通過(guò)井筒液柱傳遞到活塞上，此時(shí)抽油桿受力伸長(zhǎng)，油管處于自然狀態(tài)。下沖程時(shí)，井口回壓增量通過(guò)井筒液柱傳遞到固定閥上，此時(shí)油管受力伸長(zhǎng)，抽油桿處于自然狀態(tài)。

由于井口回壓增加的影響，使泵活塞的移動(dòng)距離縮短，而抽油泵每個(gè)周期的產(chǎn)液量降低，使得油井的產(chǎn)液量下降[2]。

1.2井口回壓對(duì)抽油泵漏失量的影響

由達(dá)西公式推導(dǎo)出壓力變化與漏失液體流速的關(guān)系，即

式中：hf為沿程水頭損失，m；λ為沿程阻力系數(shù)，無(wú)因次；ι/d為幾何因子，無(wú)因次；υ為漏失液體流速，m/s；g為重力加速度，9.8 m/s2。

隨著活塞上下壓差的增加，將導(dǎo)致漏失液體流速的提高，則每沖速井口回壓增加引起的漏失量的增量為

式中：QL為漏矢量的增量，m3；ΔV為流速的增量，m/s；T為循環(huán)周期，d；K為漏失系數(shù)，無(wú)因次。

1.3井口回壓對(duì)能耗的影響

在上、下沖程中桿管應(yīng)力變化可根據(jù)下式確定：

式中：Δσ為桿管在井口回壓變化下應(yīng)力變化值，kN；ΔP為井口回壓變化值，MPa；f為桿管截面積，mm2。

所以，上沖程時(shí)，井口回壓增量通過(guò)井筒液柱傳遞到活塞上，此時(shí)抽油桿應(yīng)力增大，油管不受井口回壓的影響；下沖程時(shí)，井口回壓增量通過(guò)井筒液柱傳遞到固定閥上，此時(shí)油管應(yīng)力增大，抽油桿不受回壓影響，抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷不變。

由于懸點(diǎn)載荷是連續(xù)變化的，為了定量分析井口回壓增量對(duì)抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷的影響，對(duì)抽油系統(tǒng)建立了數(shù)值模擬模型，模擬抽油機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)過(guò)程中，井口回壓增加和能耗的變化關(guān)系。通過(guò)計(jì)算得知，隨著回壓的增加，能耗也隨之增加。

1.4井口回壓對(duì)管桿使用壽命的影響

抽油桿頂端最大、最小循環(huán)應(yīng)力計(jì)算。

式中：Wmax為最大循環(huán)載荷，kN；Wf為液柱質(zhì)量，kg；Lj為各級(jí)抽油桿長(zhǎng)度，m；Wj為每米抽油桿重度，kN/m3；α=sn2/1790(s為沖速，min-1；n為沖程，m）。

式中：Wmin為最小循環(huán)載荷，kN；ρf為井液重度，kN/m3；Aj為各級(jí)抽油桿截面積，mm2。

井口回壓增加會(huì)使抽油桿最大循環(huán)載荷增加，進(jìn)而使應(yīng)力增加，使抽油桿壽命降低。上沖程時(shí)，井口回壓增量通過(guò)井筒液柱傳遞到活塞上，此時(shí)抽油桿應(yīng)力增大，油管不受井口回壓的影響[3]。

鑒于抽油桿壽命的計(jì)算既有數(shù)值計(jì)算過(guò)程又有圖解過(guò)程，較為復(fù)雜，不利于實(shí)現(xiàn)計(jì)算程序化；因此，針對(duì)現(xiàn)有條件的抽油系統(tǒng)參數(shù)對(duì)抽油桿壽命進(jìn)行了計(jì)算，并以正常井口回壓下的抽油桿壽命作為基準(zhǔn)，對(duì)不同井口回壓下的抽油桿壽命求得比值，作為抽油桿壽命系數(shù)，并繪制了表格，以確定不同井口回壓對(duì)抽油桿壽命的影響（表1）。

表1 井口回壓增量對(duì)抽油桿壽命的影響

下沖程時(shí)，井口回壓增量通過(guò)井筒液柱傳遞到固定閥上，此時(shí)油管應(yīng)力增大，抽油桿不受回壓影響。同理，井口回壓增加也會(huì)使油管最大循環(huán)載荷增加，降低油管壽命（表2）。

表2 井口回壓增量對(duì)油管壽命的影響

2 井口回壓范圍評(píng)定

井口回壓的增加，必然對(duì)產(chǎn)液量、能耗及桿管壽命產(chǎn)生影響，增加生產(chǎn)成本。因此，必須結(jié)合地面設(shè)備改造所節(jié)省的成本，評(píng)定出井口回壓的合理范圍，來(lái)確定合理的回壓界限。

2.1因產(chǎn)液量降低而損失的效益

式中：FQ為產(chǎn)液量降低而損失的效益，元；VC為降低的產(chǎn)量，m3/d；η為井液中原油含量，%；TY為每噸原油價(jià)格，元；n為抽油機(jī)沖速，min-1;N為投入有效期，a。

2.2因井口回壓增加所增加的能耗成本

式中：FH為井口回壓增加所增加的能耗成本，元；ΔW為系統(tǒng)能耗變化量，kWh；N為投入有效期，a；TD為每度電價(jià)格，元。

2.3因桿管使用壽命降低增加的成本

式中：FS為桿管使用壽命降低增加的成本，元；L為泵掛深度，m；T1為抽油桿單價(jià)，元/m；δ1為抽油桿壽命系數(shù)，無(wú)因次；T2為油管單價(jià)，元/m；δ2為油管壽命系數(shù)，無(wú)因次。

2.4地面設(shè)備改造所節(jié)省的成本

以集油管線泡沫黃夾克管為例，規(guī)格為φ60 mm×4 mm的價(jià)格為101元/m，規(guī)格為φ48 mm× 3.5 mm的價(jià)格為82元/m。對(duì)于井距為355 m的油井，該單井提高回壓后管線建設(shè)投資可降低6745元。

當(dāng)集油管線規(guī)格為φ60 mm×4 mm時(shí)，計(jì)算得到井口回壓為0.41 MPa；當(dāng)集油管線規(guī)格為φ48 mm×3.5 mm時(shí)，計(jì)算得到井口回壓為0.56 MPa。計(jì)算參數(shù)如下：產(chǎn)液量為78 t/d；含水率為91%；井口出油溫度為36.7℃；水力粗糙度采用0.15 mm；管道終點(diǎn)壓力為0.33 MPa。

2.5井口回壓界限值的確定

在一定的年限內(nèi)，井口回壓增加所造成的效益損失必須小于地面設(shè)備改造所節(jié)省的成本。例如，以2年為投入有效期，當(dāng)該井井口回壓增為0.93MPa時(shí)，因產(chǎn)液量降低而減少的效益約為2740元；因井口回壓增加所產(chǎn)生的功耗成本約為2950元；因桿管使用壽命降低產(chǎn)生的成本約為960元。因此，當(dāng)井口回壓增為0.93 MPa時(shí)，產(chǎn)液量降低、能耗增加及桿管壽命降低所產(chǎn)生的效益損失約等于地面設(shè)備改造所節(jié)省的成本，所以井口回壓不應(yīng)高于0.93 MPa。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，分別計(jì)算了投入有效期為2、4、6、8、10年的井口回壓，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，得到不同投入有效期內(nèi)的井口回壓界限，如表3所示。

表3 不同投入有效期內(nèi)的井口回壓界限值

隨著油井產(chǎn)液量級(jí)別的不同，井口回壓對(duì)生產(chǎn)效益的影響也不同，以投入有效期為2年，計(jì)算得到在效益損耗相同時(shí)，井口回壓對(duì)不同產(chǎn)液量級(jí)別油井的影響，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同產(chǎn)液量級(jí)別油井的井口回壓界限值

由于上述計(jì)算中沒(méi)有考慮井口回壓增加對(duì)井口密封等生產(chǎn)日常管理工作帶來(lái)的影響，在確定表3的數(shù)值時(shí)，向減小的方向取了近似值。

3 現(xiàn)場(chǎng)采用控制生產(chǎn)閥門(mén)進(jìn)行提升回壓試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)要求選擇泵況好、生產(chǎn)正常的井，按產(chǎn)液量的高低分別選取，在20～40、40～80、80～100、100 t/d四個(gè)產(chǎn)液量級(jí)別的各5口井上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)提壓試驗(yàn)。

提壓前，在計(jì)量間核實(shí)量油，并用測(cè)試儀測(cè)量液面、有功功率、電流等數(shù)據(jù)。平均提壓4次，提壓幅度為0.2～0.4 MPa，每次提壓后穩(wěn)定1～2 h，并進(jìn)行量油、測(cè)試數(shù)據(jù)。抽油機(jī)井回壓與產(chǎn)液量、電流、日耗電變化關(guān)系曲線見(jiàn)圖1、圖2、圖3。

圖1 抽油機(jī)井回壓與不同級(jí)別產(chǎn)液量變化關(guān)系曲線

圖2 抽油機(jī)井電流與回壓的關(guān)系曲線

圖3 抽油機(jī)井耗電與回壓的關(guān)系曲線

從上述圖可以看出，當(dāng)回壓升高，日產(chǎn)液量逐漸下降，隨著產(chǎn)量級(jí)別的提高，產(chǎn)量下降的幅度越大。隨著回壓的上升，抽油機(jī)井上、下電流逐漸增大，并且上電流增幅較大。隨著回壓的上升，有功功率和日耗電逐漸增加；當(dāng)井口回壓大于0.8 MPa時(shí)，能耗增加明顯，增幅超過(guò)5.1%。

通過(guò)試驗(yàn)錄取數(shù)據(jù)繪制了各參數(shù)與回壓的關(guān)系曲線表明，井口回壓增加到0.8 MPa后，隨著井口回壓進(jìn)一步增加，油井的產(chǎn)液量將明顯減少，而能耗卻會(huì)顯著增大，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論

1）井口回壓的上升使抽油機(jī)井的能耗逐漸增加，因此，控制好合理的回壓才能有效降低不合理的能耗損失，對(duì)高產(chǎn)井的能耗損失尤為明顯。

2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，井口回壓增加到0.8 MPa后，隨著井口回壓進(jìn)一步增加，油井的產(chǎn)液量將明顯減少，而能耗卻大增；因此，在地面工程改造和集輸工藝措施優(yōu)化時(shí)井口回壓應(yīng)控制在0.8 MPa以下。

[1]王鴻勛.采油工藝原理[M].北京：石油工業(yè)出版社，1989: 63-143.

[2]萬(wàn)邦烈.采油機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：石油工業(yè)出版社，1988:31-56.

[3]李桂喜.抽油桿柱振動(dòng)載荷分析[M].北京：石油機(jī)械出版社，1995:22-25.

book=6,ebook=9

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.08.002

2016-02-24

（編輯 李發(fā)榮）

馮華勝，高級(jí)工程師，1990年畢業(yè)于重慶石油學(xué)校，從事機(jī)采井管理工作，E-mail:fsfeng@petrochina.com.cn,地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠工程技術(shù)大隊(duì)管理室，郵編：163113。