摻稀稠油井系統(tǒng)效率計算方法改進

劉玉國，任文博，袁 波，李 浩，楊 志

(1.中國石化西北油田分公司，新疆 輪臺 841604；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

0 引 言

系統(tǒng)效率是評價抽油系統(tǒng)能耗和管理水平的重要指標[1]。各油田系統(tǒng)效率的測算均參考SY/T 5264—2012《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》[2]及SY/T 5266—1996《機械采油井系統(tǒng)效率測試方法》[3]。不同油田的原油特性、開采方式和工作制度不同，抽油井系統(tǒng)效率也各有差異。目前，塔河油田稠油井基本采用環(huán)空摻稀油降黏方式，系統(tǒng)效率計算方法參考SY/T 5264—2012。塔河油田普通稠油井(非摻稀)與摻稀稠油井的系統(tǒng)效率計算數(shù)據(jù)表明，其系統(tǒng)效率遠低于國內(nèi)平均水平。針對此問題，通過分析摻稀稠油井系統(tǒng)效率的影響因素[4-5]，結(jié)合摻稀稠油井工況及生產(chǎn)特點，在現(xiàn)有行業(yè)標準基礎(chǔ)上改進、研究出一套適用于稠油及摻稀稠油井的系統(tǒng)效率計算方法，對于科學(xué)客觀評價稠油井和摻稀稠油井的系統(tǒng)效率具有重要意義。

1 現(xiàn)行計算方法與局限性

抽油井系統(tǒng)效率定義為系統(tǒng)有效功率P有與系統(tǒng)輸入功率Pλ的比值，有效功率為：

(1)

式中：P有為抽油井系統(tǒng)有效功率，kW；Q為泵排出液量(地面產(chǎn)液量)，m3/d；ρL為油管內(nèi)混合液密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為抽油泵有效揚程，m。

有效揚程為：

(2)

式中：Lr為動液面深度，m，可由回聲儀法[6]或示功圖法[7-8]測定；pt、pc分別為井口油壓、套壓，MPa。

分析表明,摻稀稠油井具有泵出口以上油管內(nèi)流體黏度大、流動阻力大且環(huán)空內(nèi)稀油密度通常小于油管內(nèi)液體(混合液)密度的特點，故SY/T 5264—2012中推薦的抽油井系統(tǒng)效率計算方法在計算摻稀稠油井系統(tǒng)效率時存在局限：①有效功率中未計入抽油泵克服泵出口至井口的流動摩阻做功，稠油井摩阻較大，該項有效功率較大，導(dǎo)致稠油井有效功率被低估，系統(tǒng)效率偏低；②沒有考慮環(huán)空摻入稀油對有效揚程和有效功率的影響；③沒有考慮地面摻稀泵對輸入功率的影響。因此，現(xiàn)有抽油井系統(tǒng)效率測算方法只適用于流動阻力很小且無摻稀生產(chǎn)工藝的稀油井，而不適用于普通稠油井與摻稀稠油井，不利于稠油井系統(tǒng)效率的客觀評價。

2 改進算法

2.1 有效功率的改進算法

本質(zhì)上，抽油系統(tǒng)有效功率為抽油泵克服其出口與入口壓差所做的功，即：

P有=Q(ppump2-ppump1)/86.4

(3)

式中：ppump1為抽油泵入口壓力，MPa；ppump2為抽油泵出口壓力，MPa；

抽油泵的出口壓力為：

ppump2=pt+10-6ρLgLp+pf

(4)

式中：Lp為泵掛深度，m；pf為抽油泵出口以上油管中的流動阻力，MPa。

摻稀稠油井抽油泵入口壓力為：

ppump1=pc+10-6ρxg(Lp-Lf)

(5)

式中：ρx為摻入稀油的密度，kg/m3。

普通稠油井抽油泵入口壓力為：

ppump1=pc+10-6ρog(Lp-Lf)

(6)

式中：ρo為原油密度，kg/m3。

有效功率改進算法的關(guān)鍵在于泵出口以上油管內(nèi)摩阻的計算，該摩阻與油管內(nèi)流體黏度和黏溫關(guān)系有關(guān)，需逐段迭代計算油管內(nèi)流動摩阻[9]。油管內(nèi)流體黏溫關(guān)系計算公式[10]為：

(7)

式中：Ti為第i段油管內(nèi)的平均溫度，℃；μLi為第i段油管內(nèi)流體黏度，mPa·s；a、n為稠油黏溫關(guān)系參數(shù)，推薦采用實測多組黏溫數(shù)據(jù)回歸擬合得到。

根據(jù)單位油管段內(nèi)流體平均黏度，參考采油工程及流體力學(xué)方法[11-12]，推導(dǎo)出油管與抽油桿環(huán)空內(nèi)的流動阻力為：

(8)

式中：Li為第i段油管長度，m；Doi、Dri分別為第i段油管的內(nèi)徑及對應(yīng)抽油桿直徑，mm。

有效功率本質(zhì)上為抽油泵克服出口與入口壓差所做的功，改進算法從這一理論出發(fā)，結(jié)合摻稀稠油井生產(chǎn)特點，對摻稀稠油井抽油泵出口與入口壓力算法進行了改進：①計算泵出口壓力時考慮了泵出口至井口的流動摩阻，見式(4)；②計算泵入口壓力時考慮了摻入稀油密度與油管內(nèi)流體密度的差異，用摻入稀油密度替代油管內(nèi)流體密度，見式(5)；對于普通稠油井，泵入口壓力計算方法見式(6)。改進后的有效功率計算方法既適合稀油井又適用于普通稠油井與摻稀稠油井。

2.2 有效揚程的改進算法

將式(3)、(4)、(5)代入式(1)，得到有效揚程為：

(9)

其中，普通稠油井用ρo代替ρx。

式(9)充分考慮了油管內(nèi)流體的流動摩阻與環(huán)空摻入流體密度對有效揚程的影響，可用于稠油井和摻稀稠油井，因此，是抽油井有效揚程的“普適性”計算方法。

假如忽略油管內(nèi)流動摩阻和油管內(nèi)混合液密度與稀油密度的差異，式(9)與標準式(2)一致，即稀油井的標準算法只是改進算法的特殊形式。

2.3 摻稀泵對系統(tǒng)效率的影響

2.3.1 摻稀泵系統(tǒng)效率

摻稀稠油井抽油系統(tǒng)實際包含了摻稀與抽油2個部分，SY/T 5264—2012中只考慮了抽油泵部分，沒有考慮摻稀泵對系統(tǒng)效率的影響。

摻稀泵輸入功率為：

(10)

式中：Pcx1為摻稀泵輸入功率，kW；Icx為摻稀泵電機電流，A；Ucx為摻稀泵電機電壓，V；cosΦcx為摻稀泵電機功率因數(shù)。

摻稀泵有效功率為將稀油摻入井筒需克服摻稀管線摩阻、高程等做的功，即：

Pcx2=(pcxout-pcxin)Qcx/3.6

(11)

式中：Pcx2為摻稀泵有效功率，kW；Qcx為摻稀泵排量，m3/h；pcxout、pcxin分別為摻稀泵出口壓力、入口壓力，MPa。

摻稀泵系統(tǒng)效率為：

(12)

式中：ηcx為摻稀泵系統(tǒng)效率，%。

在稠油摻稀生產(chǎn)現(xiàn)場，一個摻稀系統(tǒng)(站)可能同時對多口井摻稀，為便于對摻稀與抽油組合系統(tǒng)的考核評價，可將摻稀系統(tǒng)的輸入功率、有效功率按摻稀量進行分配。如某摻稀站輸入功率為N1、有效功率為N2、總排量為Qcx,A井摻稀量為QA，則A井摻稀系統(tǒng)的輸入功率為pcxA1=N1QA/Qcx，有效功率為pcxA2=N2QA/Qcx。

2.3.2 摻稀-抽油組合系統(tǒng)的系統(tǒng)效率

對于摻稀-抽油組合系統(tǒng)而言，全系統(tǒng)的輸入功率為摻稀電機與抽油機電機輸入功率之和；全系統(tǒng)有效功率為摻稀泵做功與抽油泵做功之和，則摻稀-抽油組合系統(tǒng)的系統(tǒng)效率為：

(13)

式中：η總為摻稀-抽油組合系統(tǒng)的系統(tǒng)效率，%；P總?cè)搿總有分別為摻稀-抽油組合系統(tǒng)的輸入功率和有效功率，kW。

3 現(xiàn)場實例應(yīng)用分析

以塔河油田部分摻稀稠油井為例，根據(jù)抽油井基本測試參數(shù)和摻稀泵實測參數(shù)，得出摻稀稠油井不同算法的系統(tǒng)效率(表1)。

表1 摻稀稠油井不同算法系統(tǒng)效率對比

由表1中摻稀稠油井系統(tǒng)效率2種算法的對比可得到以下認識。

(1) 改進算法是在現(xiàn)行標準基礎(chǔ)上結(jié)合摻稀稠油井生產(chǎn)特性推導(dǎo)得到的，如果不考慮摻稀稠油井油管內(nèi)摩阻、環(huán)空稀油密度和摻稀泵的影響，改進算法同標準算法完全一致，也可用于稀油井系統(tǒng)效率的計算。

(2) 根據(jù)SY/T 5264—2012計算得到5口摻稀稠油井的平均有效揚程為1 364 m，平均有效功率為4.73 kW，考慮摻稀稠油井油管內(nèi)摩阻和環(huán)空稀油密度的影響，用改進算法得到的平均有效揚程為1 600 m，平均有效功率為5.71 kW。各摻稀稠油井油管內(nèi)摩阻、摻入稀油密度不同，有效揚程增加幅度也隨之變化，進一步導(dǎo)致有效功率增加幅度不同。

(3) 根據(jù)SY/T 5264—2012計算得到的抽油部分平均系統(tǒng)效率為25.70%，改進算法得到的平均系統(tǒng)效率為33.20%，提高了7.50個百分點，這是由于改進算法“找回”了抽油泵克服泵出口以上油管內(nèi)摩阻及密度差所做的有效功率，更能客觀反映摻稀稠油井的實際狀況。

(4) 摻稀-抽油組合系統(tǒng)包含抽油和摻稀2個部分，計算系統(tǒng)效率時，需考慮摻稀泵的影響，改進算法得到的摻稀-抽油全系統(tǒng)平均系統(tǒng)效率為35.46%，各摻稀稠油井系統(tǒng)效率的增加幅度與摻稀泵系統(tǒng)效率有關(guān)。

(5) 油管內(nèi)流體黏度低、油管摩阻小，2種算法的系統(tǒng)效率差異小，如TH12159井；油管內(nèi)流體黏度越大、油管摩阻越大，2種算法的差異越大，如TH12191井。因此，現(xiàn)行算法適用于稀油井，改進算法可用于稠油井、摻稀稠油井與稀油井系統(tǒng)效率的計算。

4 對稠油井系統(tǒng)效率測算標準的修正建議

除按照SY/T 5264—2012需對抽油系統(tǒng)的電參數(shù)(抽油機電機的輸入功率或電流、電壓和功率因數(shù)等)、井口參數(shù)(油管壓力、套管壓力、產(chǎn)液量、含水率等)、動液面、光桿參數(shù)(示功圖)測試與計算外，稠油井和摻稀稠油井系統(tǒng)效率計算時還需考慮以下因素。

(1) 增加井口取樣，并對取樣流體按SY/T 0520—2008進行流體黏度測試[13](不少于3個黏溫點)。

(2) 增加井口溫度測試，以結(jié)合地層溫度進行井筒溫度計算。

(3) 增加油管直徑、抽油桿直徑和長度統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

(4) 增加油管內(nèi)流體黏度與油管內(nèi)流動阻力的計算。

(5) 增加摻稀泵電機電參數(shù)、摻稀泵入口壓力和出口壓力、摻稀量的測量。

(6) 增加稀油密度測量，考慮摻入稀油密度對有效揚程的影響。

(7) 有效功率或有效揚程的計算中增加油管內(nèi)流動摩阻、摻入稀油密度的影響項。

(8) 當摻稀稠油井需考慮摻稀泵影響時，增加摻稀-抽油全系統(tǒng)效率的計算。

5 結(jié)論與建議

(1) 現(xiàn)有抽油井系統(tǒng)效率測試與計算標準中未考慮克服油管內(nèi)摩阻、克服環(huán)空流體密度與油管內(nèi)流體密度差所做的有效功率，不適用于稠油井與摻稀稠油井。

(2) 稀油井、高含水井泵出口以上油管內(nèi)摩阻很小，抽油井系統(tǒng)效率計算中可以不考慮該摩阻。

(3) 文中提出的系統(tǒng)效率改進算法同時適用于稀油井、稠油井、摻稀稠油井，便于不同類型井系統(tǒng)效率的橫向?qū)Ρ取?/p>

(4) 建議修訂SY/T 5264—2012時，抽油井系統(tǒng)效率計算方法參考文中提出的改進算法。

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