一種多因素抽油機井系統(tǒng)效率評價方法

謝 巍，楊夢石，謝唯一，游博凡，李慧娟，李 云，陳 曦，尉海燕

1中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司工程技術(shù)研究院，河北 任丘

2哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱

3中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司合作開發(fā)項目部，河北 任丘

4中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司第一采油廠，河北 任丘

1.概述

有桿泵抽油是國內(nèi)外石油工業(yè)傳統(tǒng)的機械采油方式之一，也是至今一直在機械采油方式中占絕對主導(dǎo)地位的人工舉升方式。目前國外對抽油機井系統(tǒng)效率評價方法研究很少，國內(nèi)已經(jīng)有了一些研究，如文獻[1]通過分析后，直接提出抽油機系統(tǒng)效率極限值是38.4%。也有文章認為，抽油機系統(tǒng)效率的理論上限值為49%，理論下限值為41%[2]。但實際測試表明[3][4][5][6]，有大量抽油機系統(tǒng)效率已超過此值，一些抽油機系統(tǒng)已達到50%乃至60%以上。傳統(tǒng)的系統(tǒng)效率理論極限與現(xiàn)實情況相左，因此，需要找出一種能夠反映多種因素對系統(tǒng)效率影響的評價方法。

抽油機系統(tǒng)效率的主要影響因素有包含油藏物性、設(shè)備性能、舉升參數(shù)組合等[7][8][9]，現(xiàn)有的抽油機井系統(tǒng)動態(tài)仿真理論[10]存在以下幾點不足：其描述的仿真算法計算復(fù)雜，需要大量的單井數(shù)據(jù)，不能體現(xiàn)系各個因素對系統(tǒng)效率影響的大小，不方便現(xiàn)場使用。我們在抽油機系統(tǒng)效率方面進行了多年的研究工作，在抽油機井的舉升設(shè)計、工況診斷、系統(tǒng)效率分析等方面積累了豐富的經(jīng)驗，并形成了初步的有關(guān)設(shè)計、診斷測試、系統(tǒng)效率參數(shù)敏感性分析的方法。但由于每口井井況的不同，如何運用一種簡潔而方便的評價方法準確地反映抽油機井工況的好壞、系統(tǒng)效率的高低、提高潛力的多少，是本文深入探討的問題。

本方法主要為了深入研究提高抽油機井系統(tǒng)效率技術(shù)，并通過對系統(tǒng)效率潛力的分析，實現(xiàn)單井和區(qū)塊抽油機井系統(tǒng)效率的科學(xué)評價，對現(xiàn)場實施提高抽油機井系統(tǒng)效率措施目標提供科學(xué)準確、符合現(xiàn)場實際和技術(shù)經(jīng)濟性良好的評價指標，從而指導(dǎo)現(xiàn)場的方案設(shè)計和措施實施，提高各級技術(shù)管理、操作部門對抽油機井系統(tǒng)效率現(xiàn)狀及潛力的認識水平，最終實現(xiàn)全油田抽油機井采油技術(shù)高水平管理、應(yīng)用的目的。

2.系統(tǒng)效率評價方法模型

2.1.模型適用范圍

本模型假設(shè)：

①均質(zhì)油藏，含水飽和度恒定；

②非超低滲油層，非超稠油；

③忽略巖石和水的壓縮性；

④油氣兩相的壓力相同；

⑤擬穩(wěn)態(tài)流動；

⑥普通型游梁式抽油機；

⑦井下摩擦正常；

⑧泵工作正常；

本模型適應(yīng)于直井、定向井，非稠油熱采井(50℃脫氣原油粘度＜500 mPa·s)，日產(chǎn)液量＜ 200 m3/d，生產(chǎn)氣油比＜ 640 m3/t 井。

2.2.單因素分析結(jié)果

單因素分析得到的影響抽油機井系統(tǒng)效率的主要因素包括：沖程、沖次、井深、泵徑、粘度、含水、氣油比、產(chǎn)量、有效舉升高度。為細化分類，將影響因素分為三類：一是油井自然因素，包括井深、粘度、含水、氣油比、井身結(jié)構(gòu)；二是人為可調(diào)因素，包括沖程、沖次、泵徑、泵深、桿柱組合、電動機功率；三是與油井自然因素和人為可調(diào)因素都有關(guān)系的，包括產(chǎn)量、有效舉升高度。

單因素分析顯示：抽油機井的系統(tǒng)效率與原油粘度、含水、生產(chǎn)氣油比為單變關(guān)系，即隨粘度、生產(chǎn)氣油比的增大而降低，隨含水的增大而升高。因此可以對此三因素進行綜合分析，確定具體影響。

人為可調(diào)因素(沖程、沖次、泵徑、泵深、桿柱組合、電動機功率)為求取效率極值的必要條件，將考慮進對油井自然因素(粘度、含水、氣油比、井身結(jié)構(gòu))分類的過程內(nèi)。

2.3.系統(tǒng)效率與影響因素的綜合關(guān)系

根據(jù)單因素分析，進行系統(tǒng)效率與影響因素的綜合關(guān)系分析。

①計算10Q t d=，0fw= 時的效率與粘度、氣油比之間的對應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建無因次新物理量-油氣綜合量Zru(1)，利用圖形歸一化，構(gòu)建新的無因次物理量油氣綜合量，利用最小二乘原理進行回歸，構(gòu)建系統(tǒng)效率與油氣綜合量的關(guān)系(2)，最終得到效率與粘度、生產(chǎn)氣油比關(guān)系(3)(4)(5)。

式中：

Q——產(chǎn)液量，t/d；

fw——含水率；

R——生產(chǎn)氣油比，m3/m3；

Rmax——最大生產(chǎn)氣油比，m3/m3；

η——系統(tǒng)效率；

Zru——油氣綜合量；

u0——粘度，mPa·s。

Figure 1.The relationship between comprehensive oil and gas volume and system efficiency under different water cuts 圖1.不同含水時，油氣綜合量Zru 與系統(tǒng)效率的關(guān)系

③利用歸一化和最小二乘原理，得到系統(tǒng)效率與油氣水綜合量Zruf的關(guān)系曲線如圖2所示。

Figure 2.Relationship between system efficiency and comprehensive quantity of oil,gasand water 圖2.系統(tǒng)效率與油氣水綜合量Zruf 的關(guān)系

對應(yīng)關(guān)系式為：

④產(chǎn)量不同情況下，改變產(chǎn)量，得到不同產(chǎn)量下的效率η與油氣水綜合量Zruf的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

Figure 3.The Relationship between system efficiency and comprehensive quantity of oil,gas and water under different production 圖3.不同產(chǎn)量下，系統(tǒng)效率與油氣水綜合量的關(guān)系

3.系統(tǒng)效率綜合評價應(yīng)用實例

應(yīng)用本模型，對華北油田某區(qū)塊進行了油井系統(tǒng)效率控制圖繪制和單井系統(tǒng)效率評價，計算步驟和應(yīng)用情況如下：

某區(qū)塊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表1。

Table 1.Data of example oil wells表1.示例油井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)表

計算步驟：

1)對每口井的單項數(shù)據(jù)與系統(tǒng)效率關(guān)系進行分析，從而可以找出系統(tǒng)效率影響曲線；

2)綜合考慮各因素，通過計算10Q t d=，0fw= 時的效率與粘度、氣油比之間的對應(yīng)關(guān)系，建立綜合影響因素量Zruf，找出最大生產(chǎn)氣油比與粘度的對應(yīng)關(guān)系，利用最小二乘法，得到Zru與系統(tǒng)效率的關(guān)系曲線。同理改變Q的值，可得到不同產(chǎn)量下的效率與油氣水綜合量的關(guān)系。

3)利用上述步驟得到單井系統(tǒng)效率理論上限、當前系統(tǒng)效率，并與現(xiàn)場提供系統(tǒng)效率對比如表2，從而得到各井的效率潛力值和效率實現(xiàn)率如表3?；谙到y(tǒng)效率實現(xiàn)率的分析基礎(chǔ)上，可以對各單井或不同生產(chǎn)區(qū)塊進行系統(tǒng)效率的綜合評價，采取相應(yīng)措施提高抽油機井系統(tǒng)效率及系統(tǒng)效率實現(xiàn)率。

Table 2.Comparison of theoretical upper limit of system efficiency and current system efficiency and on-site system efficiency 表2.單井效率理論上限、當前效率、現(xiàn)場提供效率對比表

Table 3.System efficiency potential and realization rate 表3.單井效率潛力、效率實現(xiàn)率

4.結(jié)論

本模型提出了無因次物理量Zru的概念，通過單因素和綜合影響分析，得出抽油機井單井系統(tǒng)效率理論上限值，根據(jù)實測系統(tǒng)效率計算最高系統(tǒng)效率實現(xiàn)率，并由系統(tǒng)效率實現(xiàn)率的高低進行抽油機井潛力的評價分析，實現(xiàn)了單井和區(qū)塊抽油機井系統(tǒng)效率的科學(xué)評價，對現(xiàn)場實施提高抽油機井系統(tǒng)效率措施提供科學(xué)準確的理論依據(jù)。該方法的評價實施應(yīng)用，可以更好地對抽油井挖潛增效，有效降低油田企業(yè)的生產(chǎn)成本，實現(xiàn)當前低油價國際環(huán)境下的油田可持續(xù)發(fā)展，對油田的提質(zhì)降耗、原油增產(chǎn)具有十分重要的意義。