海上平臺用抽油機(jī)設(shè)計(jì)要求分析

(西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，西安 710065 )

海上平臺用抽油機(jī)設(shè)計(jì)要求分析

劉屹然

(西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，西安 710065 )

將陸上油田成熟的三抽采油工藝移植到海上，是實(shí)現(xiàn)海上稠油和邊際油田、老油田高效開發(fā)的有效途徑。 在對國內(nèi)海上主要油區(qū)油藏條件和采油平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，按照抽油機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求，提出了海上平臺用抽油機(jī)在型號、尺寸方面的基本參數(shù)。提出了設(shè)計(jì)懸點(diǎn)載荷需不小于60 kN，沖程大于5 m，沖次在2～6 min-1的抽油機(jī)，可以滿足我國主要海上油田開發(fā)的需要，其尺寸高度不大于7 m，長和寬尺寸在1.8 m×2 m內(nèi)，可滿足平臺尺寸的要求。為海上平臺選用抽油機(jī)提供參考。

海上油田；三抽采油；抽油機(jī)；設(shè)計(jì)

能源短缺是世界范圍內(nèi)共同面臨的問題，地球上待發(fā)現(xiàn)石油資源的47%和最終可開采量的45%均來自于海洋，海上油田開發(fā)將成為新油田開發(fā)的重點(diǎn)[1]。我國是繼美國、加拿大和委內(nèi)瑞拉之后的世界第4大稠油生產(chǎn)國，稠油資源分布廣泛，已探明的稠油儲量已達(dá)16×108t[2-3]，海上稠油開發(fā)逐漸提上日程。目前，海上稠油開采多采用注熱流體或蒸汽吞吐+潛油電泵舉升的方式，其工藝流程如圖1所示[4]。這種海上稠油開采工藝耗時(shí)長、成本高，且由于電潛泵等開采設(shè)備的提出和下入，影響了井底的溫度和溫度場的傳播，降低了熱采的效益。

圖1 海上稠油開采流程

我國大多數(shù)陸上稠油油田主要采用“蒸汽吞吐+三抽人工舉升”的方式進(jìn)行開采，與海上稠油開采方式相比，陸上稠油開采方式具有耐溫性能強(qiáng)，無需開井冷卻，注汽時(shí)無需進(jìn)行提泵操作等優(yōu)點(diǎn)。如果將陸上稠油開采的工藝移植到海上[5-6]，不僅可提升海上稠油的開發(fā)效益，還可以解決海上邊際油田和接近枯竭油田的開發(fā)與再利用問題。但是，受海洋平臺承重、尺寸等的限制，無法直接將陸上的三抽人工舉升系統(tǒng)直接向海上移植。本文將對海上典型油田和平臺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，提出了海上油田和平臺對抽油機(jī)的設(shè)計(jì)要求，為三抽工藝在海上的推廣提供參考。

1 海上用抽油機(jī)的設(shè)計(jì)要求

1.1 油井產(chǎn)液量與抽油機(jī)沖程和沖次的關(guān)系

抽油機(jī)的沖程和沖次是抽油機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)，而沖程和沖次選擇與油井的日產(chǎn)液量、泵徑、泵效等參數(shù)相關(guān)，其計(jì)算式為

(1)

式中：V為單井日產(chǎn)液量，m3/d；d為泵徑，m；S為沖程，m；n為沖次，min-1；fp為泵效，取fp=0.8。

結(jié)合稠油開采通常采用大泵徑、長沖程、低沖次的原則，同時(shí)考慮降低懸點(diǎn)載荷的要求，根據(jù)式(1)分別給出了泵徑在60、70 mm情況下，單井日產(chǎn)液量與抽油機(jī)沖程和沖次之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。

通過圖2可以初步確定，當(dāng)單井日產(chǎn)液量小于100 m3/d，抽油機(jī)沖程為6 m，沖次在5 min-1時(shí)，可選配直徑60 mm泵；當(dāng)單井日產(chǎn)液量在100～150 m3/d，抽油機(jī)沖程為6 m，沖次在4～6 min-1時(shí)，可選配直徑70 mm泵；當(dāng)單井日產(chǎn)液量為150 m3/d，抽油機(jī)沖程為6 m，沖次為6 min-1時(shí)，可選配直徑70 mm泵。

a 直徑60 mm泵日產(chǎn)液量

b 直徑70 mm泵日產(chǎn)液量

1.2 海上抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷

懸點(diǎn)載荷特性及其運(yùn)動特性是抽油機(jī)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，同時(shí)也是進(jìn)行抽油機(jī)設(shè)計(jì)的必要條件。懸點(diǎn)載荷特性及其運(yùn)動特性與下泵深度、泵的沉沒度、油液黏稠度、泵徑等油井參數(shù)相關(guān)[7-8]，結(jié)合海上稠油開采的現(xiàn)場情況，按照統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對懸點(diǎn)載荷特性及其運(yùn)動特性進(jìn)行分析計(jì)算。在三抽采油作業(yè)時(shí)，抽油機(jī)懸點(diǎn)上作用的載荷有3類：

1) 靜載荷。包括抽油桿的自身重力和柱塞上部液柱的重力。

2) 動載荷。包括抽油桿柱和油管內(nèi)的液體作不等速運(yùn)動而產(chǎn)生的動載荷，即慣性載荷；抽油桿彈性體運(yùn)動而產(chǎn)生的動載荷，即振動載荷。

3) 摩阻載荷。包括抽油桿與油管、光桿與密封裝置、柱塞與泵筒之間的半干摩擦力，抽油桿與油液、油管與油液之間的液力摩擦力，液體在桿管環(huán)空的流動阻力，液體通過泵閥和柱塞內(nèi)孔的局部水力阻力等。

懸點(diǎn)載荷的大小與三抽人工舉升系統(tǒng)的選擇相關(guān)，主要有抽油泵、抽油桿、沖次等。

1) 抽油泵。抽油泵的選擇與井況和產(chǎn)液量有關(guān)，從對渤海油田油區(qū)的調(diào)研可知，其單井日產(chǎn)液量最大選擇為150 m3，可以滿足海上開發(fā)的要求。為了盡量減少沖程和控制懸點(diǎn)載荷，根據(jù)圖2的分析，可以初步選擇中70 mm泵作為分析的基礎(chǔ)。

2) 抽油桿。抽油桿的長度是由下泵深度決定的，對于目前我國渤海油區(qū)海上油田，其垂深一般在1 100～1 500 m，動液面一般在300～700 m，取沉沒度h=300 m，則油井選擇的抽油桿長度為600～1 000 m。抽油桿的直徑是由下泵直徑等決定的，按照選擇的泵徑，考慮渤海油區(qū)油的物性，選用H級抽油桿，可知，當(dāng)泵徑為70 mm、下泵深度為1 100 m時(shí)，應(yīng)該選擇兩級桿CYG16和CYG19，分別占的比例為35%和65%。

按照上述分析，應(yīng)用于我國渤海油區(qū)的稠油開發(fā)的三抽開發(fā)模式，在考慮原油黏度、動載荷等條件下，其抽油機(jī)懸點(diǎn)的最大載荷為45～50 kN。

1.3 典型海上油田抽油機(jī)設(shè)計(jì)模型示功圖

設(shè)計(jì)模型示功圖的確定是設(shè)計(jì)抽油機(jī)的第1步和依據(jù)。對于我國典型的渤海油區(qū)，其抽油機(jī)的最大載荷在45～50 kN，如果采用?70 mm泵，其最小載荷在20～25 kN，按照一般設(shè)計(jì)和選擇規(guī)律[9-10]，所設(shè)計(jì)抽油機(jī)的最大懸點(diǎn)載荷為60 kN，最小載荷為30 kN。如果使用液壓類抽油機(jī)，其換向時(shí)動載荷在抽油桿的靜變形段，其設(shè)計(jì)模型示功圖如圖3a所示；如果使用游梁類抽油機(jī)，其加速度近似成余弦規(guī)律變化，其設(shè)計(jì)模型示功圖如圖3b所示?？梢猿醪酱_定，海上用抽油機(jī)應(yīng)該為長沖程、低沖次抽油機(jī)，其沖程應(yīng)該不小于5 m，沖次應(yīng)該不大于6 min-1。

a 模型1(液壓抽油機(jī))

b 模型2(游梁抽油機(jī))

2 海洋平臺空間對抽油機(jī)的尺寸要求

2.1 抽油機(jī)高度限制

將陸上成熟的三抽采油工藝引入海上油田的另一個(gè)關(guān)鍵問題在于海洋平臺上可否有足夠的空間安裝抽油機(jī)。海洋平臺按照功能可分為鉆井平臺和生產(chǎn)平臺；按照結(jié)構(gòu)特性和工作狀況可分為固定式平臺、活動式平臺和半固定式平臺。固定式平臺主要有導(dǎo)管架平臺、坐底式平臺等。目前，采油平臺主要以導(dǎo)管架平臺為主。為了分析海洋平臺的安裝空間，以渤海油區(qū)某4腿鋼制導(dǎo)管架平臺為例進(jìn)行分析。該平臺設(shè)計(jì)水深為22.3 m，平臺工作點(diǎn)間距為2.0 m×1.8 m，共設(shè)計(jì)生產(chǎn)油井?dāng)?shù)15口，水源井1口，7個(gè)預(yù)留井槽；平臺共分5層甲板，分別為直升機(jī)甲板、上層甲板、中層甲板、下層甲板和工作甲板。

某典型采油平臺的結(jié)構(gòu)立面示意如圖4所示。從圖4可知，采油樹安裝在下層甲板上，中層甲板為輔助甲板，在井口作業(yè)區(qū)可以鏤空，聯(lián)通作為抽油機(jī)的安裝空間，上層甲板和下層甲板之間的距離為10 m，上層夾板與中層夾板的距離為5 m，抽油機(jī)的最大高度不能越過上層甲板。如果基礎(chǔ)安裝在中層甲板上，其最大高度不能大于5 m，考慮到井口采油樹等設(shè)備的高度，其下層利用距離不大于2 m，即：抽油機(jī)的總高度應(yīng)該小于7 m。

圖4 某典型采油平臺立面示意

2.2 抽油機(jī)長、寬限制

目標(biāo)平臺的下層甲板布置如圖5所示。由圖5中可以看出，平臺上井口分布密集，前后相隔約1.8 m，左右相隔約2 m，為保證各抽油機(jī)在工作時(shí)互不干涉，且在修井時(shí)能夠移動抽油機(jī)，進(jìn)行讓位且對周圍正常工作的抽油機(jī)不造成干擾，抽油機(jī)的占地面積必須在1.8 m×2 m以內(nèi)，并需要按照結(jié)構(gòu)和作業(yè)讓位的方式，留出作業(yè)空間和讓位空間。

圖5 目標(biāo)平臺下層甲板布置示意

從以上分析可知，對于目標(biāo)平臺，其使用抽油機(jī)的最大高度不能超過7 m，占地面積需在1.8 m×2 m以內(nèi)。

3 結(jié)論

1) 對于典型的渤海油區(qū)，其海上抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷需不小于60 kN，沖程大于5 m，沖次應(yīng)在2～6 min-1。

2) 滿足典型平臺空間要求的抽油機(jī)為：最大高度不超過7 m，占地面積應(yīng)在1.8 m×2 m以內(nèi)，且需考慮作業(yè)讓位的要求。

3) 為了減輕安裝抽油機(jī)增加的平臺載荷，應(yīng)盡量減輕抽油機(jī)的質(zhì)量。

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ResearchonDesignRequirementsofPumpingUnitsforOffshorePlatform

LIU Yiran

(CollegeofPetroleumEngineering，Xi’anShiyouUniversity，Xi’an710065，China)

It is an effective way to realize the efficient development of rod pumping technology in onshore of heavy oilfield and marginal oilfield and old oilfield in offshore.In this paper，based on the analysis of the reservoir geology conditions and the platform structure of the main oilfields in China，according to the basic requirements of the design of the pumping units，the basic parameters of the model and size of the pumping unit for offshore platform，the following is pointed out：Design pumping units with 60 kN horsehead load and the stroke of polished rod longer than 5 m and frequency of stroke the 2～6 min-1can be to meet the needs of China’s major offshore oil field development.The height of the pumping units is not higher than 7 meters，and its length and width of 1.8 m× 2 m can meet the requirements of platform size.This will lay the foundation for the pumping unit used in the offshore platform.

offshore oil field；rod pumping system；pumping units；designing

1001-3482(2017)06-0036-04

2017-05-13

劉屹然(1996-)，江蘇徐州人，現(xiàn)從事海洋石油工程的研究，E-mail：754090298@qq.com。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.008