提高抽油機井系統(tǒng)效率潛力分析和評價方法研究

李濤（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

作為機采井措施調(diào)整和參數(shù)優(yōu)化的決策依據(jù)，系統(tǒng)效率日益受到重視，利用系統(tǒng)效率指標(biāo)可將油井產(chǎn)能、舉升工藝和節(jié)能降耗有機地統(tǒng)一起來。目前各油田都開展了提高機采井系統(tǒng)效率的工作。

提高抽油機井系統(tǒng)效率主要有以下途徑：應(yīng)用節(jié)能型技術(shù)設(shè)備，主要有節(jié)能型抽油機、節(jié)能電動機、節(jié)能控制器等，以及在井下管桿設(shè)計中使用新工藝；加強抽油機井科學(xué)管理，包括機桿泵的優(yōu)化設(shè)計，調(diào)抽油機平衡，抽油機井的保養(yǎng)維護等。

大慶油田在提高抽油機井系統(tǒng)效率方面優(yōu)化了近2000口井，提高的幅度為5%～20%，差距很大。在投入相當(dāng)?shù)那闆r下，不同產(chǎn)能狀況、不同措施途徑所取得的效果不同。針對影響系統(tǒng)效率的單井敏感性因素和區(qū)塊產(chǎn)能條件、技術(shù)設(shè)備條件進行分析評價，并以此給出評價系統(tǒng)效率的依據(jù)。

1 單井系統(tǒng)效率敏感性分析

要找到可提高系統(tǒng)效率潛力所在，必須針對單井抽油系統(tǒng)各節(jié)點對系統(tǒng)效率影響的敏感性加以分析。在有桿泵抽油系統(tǒng)中，機采井系統(tǒng)效率可分為地面和地下兩大部分。其中地面設(shè)備對系統(tǒng)效率影響主要取決于光桿載荷、光桿功率、四連桿機構(gòu)效率、減速箱和電動機效率等，其效率損失也主要集中在井口盤根、四連桿機構(gòu)、皮帶減速器以及電動機上。

通過常規(guī)的優(yōu)化措施在井口盤根、四連桿機構(gòu)、皮帶減速器方面提高的效率較低，工作重點主要集中在降低電動機輸入功率方面[1]。

多因素敏感性分析假定條件是同時變動因素互相獨立，考慮以上各影響因素相互關(guān)聯(lián)，做抽油系統(tǒng)單因素敏感性分析，即單井優(yōu)化前后產(chǎn)能不變（其他效率影響不變），按目前使用節(jié)能電動機平均有功節(jié)電效果10%計算，可提高系統(tǒng)效率3.73個百分點。

預(yù)測通過抽汲參數(shù)優(yōu)化設(shè)計可降低的電動機輸入功率可按下式[2]計算：

式中：P1——抽油機輸入功率，kW；

P光桿——光桿功率，kW；

A——示功圖面積，cm2；

Sd——示功圖減程比，m/mm；

fd——示功圖力比，N/mm；

n——沖速，min-1。

按喇嘛甸油田目前抽油機井產(chǎn)能水平，以平均可下調(diào)沖速2 min-1計算，有功功率可降低2.98 kW，可增加系統(tǒng)效率14個百分點。

井下效率損失主要集中在抽油泵和抽油桿柱上。提高井下效率常用措施需通過增大泵效實現(xiàn)，以原生產(chǎn)狀況正常井為例，僅通過參數(shù)調(diào)整可提高泵效5%～10%，按此計算可提高系統(tǒng)效率5個百分點。

綜上所述，提高系統(tǒng)效率以抽汲參數(shù)優(yōu)化效果最佳，節(jié)能設(shè)備使用效果次之。為保證單井產(chǎn)能水平不變，抽汲參數(shù)優(yōu)化須結(jié)合增大沖程、更換大泵等措施。

2 區(qū)塊產(chǎn)能與系統(tǒng)效率提高潛力的關(guān)系

由系統(tǒng)效率η定義可知

其中

式中：P2——抽油機有效功率，kW；

q——油井產(chǎn)液量，m3/d；

H——有效揚程，m；

ρ——油井液體密度，t/m3；

g——重力加速度，g=9.8 m/s2。

抽油系統(tǒng)有效功率不但與泵排液能力有關(guān)，而且與油井產(chǎn)能有密切關(guān)系。要分析系統(tǒng)效率提高潛力、確定通過節(jié)能工作可提高系統(tǒng)效率上限，必須建立油井區(qū)塊產(chǎn)能條件、生產(chǎn)設(shè)備差異性與系統(tǒng)效率間的關(guān)系。

2.1 區(qū)塊產(chǎn)能與系統(tǒng)效率的關(guān)系

油田抽油機井各機型系統(tǒng)效率情況如表1所示。統(tǒng)計結(jié)果表明，配備不同型號設(shè)備的抽油機井系統(tǒng)效率水平差異較大。原因是油井設(shè)備選擇是按產(chǎn)能大小設(shè)計，油井原始產(chǎn)能狀況很大程度上決定了該井可達到的最高系統(tǒng)效率水平[3]。

表1 油田各機型系統(tǒng)效率統(tǒng)計

為建立系統(tǒng)效率指標(biāo)和機采井區(qū)塊產(chǎn)能狀況的關(guān)系，選擇采油指數(shù)作為建立系統(tǒng)效率與區(qū)塊產(chǎn)能關(guān)系的中間媒介，以此建立系統(tǒng)效率與油井區(qū)塊特性、技術(shù)裝備條件間的關(guān)系。采油指數(shù)是反映油層性質(zhì)、流體物性、完井條件及泄油面積等與產(chǎn)量之間關(guān)系的綜合指標(biāo)。其數(shù)值等于單位壓差下的油井產(chǎn)量，可用來評價和分析油井的生產(chǎn)能力[4]。

采油指數(shù)關(guān)系式為

式中：J0——采油指數(shù)，t/（d·MPa）；

Pr——油層靜壓，MPa；

Pwf——油層流壓，MPa。

為反映系統(tǒng)效率隨采油指數(shù)的整體變化趨勢，以η為原函數(shù)，J0為近似函數(shù)，通過求解做最小二乘擬合，應(yīng)用數(shù)據(jù)擬合繪制不同井網(wǎng)的機采井系統(tǒng)效率與采油指數(shù)函數(shù)曲線（圖1）。

圖1 機采井系統(tǒng)效率與采油指數(shù)函數(shù)曲線關(guān)系

由圖1可知，為保持相同系統(tǒng)效率水平，三次加密井要求的油藏產(chǎn)能狀況更好。區(qū)塊產(chǎn)能性越差，其所能達到系統(tǒng)效率指標(biāo)越低。油井的系統(tǒng)效率理論上可達到100%，但越逼近其所要求的原始油藏或區(qū)塊產(chǎn)能性越高，實際不能達到。不同開采區(qū)塊、層位的系統(tǒng)效率逼近趨勢說明，受油藏產(chǎn)能狀況條件影響，相應(yīng)可達到的系統(tǒng)效率水平不同。

表2 油田抽油機井系統(tǒng)效率水平

2.2 油田系統(tǒng)效率水平評價及潛力分析

表2列出了各不同區(qū)塊油田抽油機井平均系統(tǒng)效率水平。由表2可知，盡管還受其他因素影響，但不同區(qū)塊油藏產(chǎn)能水平差異決定了區(qū)塊系統(tǒng)效率整體水平的高低。同時受油藏區(qū)塊產(chǎn)能差異、技術(shù)設(shè)備條件影響，即使采取措施進行優(yōu)化，可以提高系統(tǒng)效率幅度也有界限。

以10#油田為例，該廠平均日產(chǎn)液3 t，消耗功率為3.616 kW，平均系統(tǒng)效率6.76%。

按上述油井有效功率與產(chǎn)量等參數(shù)關(guān)系，實際上產(chǎn)液與功耗為互變函數(shù)，任一項改變都會影響另一項變化，直至達到新的關(guān)系平衡。為求得最大系統(tǒng)效率增值，假設(shè)有功能耗等其他生產(chǎn)參數(shù)不變，按現(xiàn)沉沒度55.7 m，單井日產(chǎn)液最多可增加2 t，由此可增加系統(tǒng)效率4.51個百分點。

考慮到抽油機井用電動機空耗，按此計算，通過采取措施，單井消耗功率最大可降低1.05 kW，系統(tǒng)效率可增加2.79個百分點。實際上以能耗最低方法進行系統(tǒng)效率優(yōu)化，10#油田平均可提高系統(tǒng)效率5個百分點。

3 提高系統(tǒng)效率方法及應(yīng)用效果

對于產(chǎn)能差的抽油機井，以應(yīng)用節(jié)能型技術(shù)設(shè)備為主，從降低能耗方面實現(xiàn)提高系統(tǒng)效率的目的。

對于區(qū)塊產(chǎn)能狀況良好的抽油機井，應(yīng)最大化挖掘產(chǎn)能潛力，同時結(jié)合抽汲參數(shù)設(shè)計優(yōu)化，在經(jīng)濟化投入的前提下可適當(dāng)應(yīng)用節(jié)能型設(shè)備[5]。

在實施提高系統(tǒng)效率優(yōu)化試驗中（表3），充分考慮了不同井區(qū)塊產(chǎn)能差異、技術(shù)設(shè)備條件，按能耗最低原則，均最大程度上進行了井下和地面的優(yōu)化調(diào)整。對于區(qū)塊產(chǎn)能狀況好的井，通過換大泵結(jié)合調(diào)整抽汲參數(shù)提高系統(tǒng)效率；對于產(chǎn)能狀況差的井在措施中優(yōu)先使用節(jié)能技術(shù)設(shè)備。由表3可知，在優(yōu)化工作中根據(jù)單井實際狀況選取不同側(cè)重點的優(yōu)化措施可獲得很好的效果。

表3 單井提高系統(tǒng)效率措施應(yīng)用效果

4 抽油機井系統(tǒng)效率評價依據(jù)

對抽油機井系統(tǒng)效率進行綜合評價，有利于更全面系統(tǒng)地進行優(yōu)化措施手段的優(yōu)選，對機采井生產(chǎn)及管理指標(biāo)進行考核管理。

系統(tǒng)效率評價應(yīng)考慮以下三點：

◇應(yīng)同時包括單井節(jié)點效率損失評價以及分區(qū)塊、分層位、分井網(wǎng)評價在內(nèi)的整體評價；

◇應(yīng)依據(jù)區(qū)塊產(chǎn)能差異性特點進行分級評價；

◇應(yīng)充分考慮現(xiàn)有抽汲設(shè)備生產(chǎn)能力對系統(tǒng)效率的影響。

5 結(jié)論

1）提高油井系統(tǒng)效率以抽汲參數(shù)優(yōu)化效果最佳，節(jié)能設(shè)備使用效果次之。最大化挖掘系統(tǒng)效率潛力需多種措施方法綜合運用。

2）應(yīng)用采油指數(shù)建立系統(tǒng)效率與區(qū)塊產(chǎn)能的關(guān)系，計算油井不同區(qū)塊產(chǎn)能條件、技術(shù)裝備條件下抽油系統(tǒng)效率上限有利于經(jīng)濟、合理地開展優(yōu)化工作。

3）在進行提高系統(tǒng)效率的措施工作中應(yīng)充分考慮節(jié)能設(shè)備、參數(shù)調(diào)整取得效果和局限，針對性地采取措施。

[1]劉濤.抽油機井系統(tǒng)效率影響因素及節(jié)能潛力分析[J].城市建設(shè)理論研究，2014（17）：19-20.

[2]張琪.采油工程原理與設(shè)計[M].山東東營：石油大學(xué)出版社，2006：135.

[3]韓二濤，黃偉，甘慶明，等.低滲透油田抽油機井系統(tǒng)效率及評價指標(biāo)[J].石油礦場機械，2012，41（8）：69-72.

[4]李穎川.采油工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009：217.

[5]鄭海金，鄧吉彬.抽油機井系統(tǒng)效率潛力評價與分布規(guī)律研究[J].節(jié)能技術(shù)，2008，26（2）：22-25.