基于油藏條件的機(jī)采系統(tǒng)合理能耗測(cè)算方法

肖 武，張海燕

（中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營(yíng)257015）

作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要支撐的石油企業(yè)是一個(gè)能量密集的高耗能企業(yè)。機(jī)采系統(tǒng)作為油田生產(chǎn)的重點(diǎn)系統(tǒng)，其能耗也是油田企業(yè)最主要的能耗，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行能耗重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和管理具有重要意義。隨著油田開發(fā)逐步進(jìn)入特高含水階段，開發(fā)難度不斷增加，耗能設(shè)備應(yīng)用規(guī)模不斷加大，機(jī)采系統(tǒng)耗電量逐年增加，其能耗在油田生產(chǎn)成本中所占的比重越來(lái)越大[1-2]。隨著生產(chǎn)技術(shù)水平的日益提高和發(fā)展，石油企業(yè)亟需借助現(xiàn)代化手段加強(qiáng)和優(yōu)化企業(yè)能源管理，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。目前，許多國(guó)際石油公司正推廣應(yīng)用能耗優(yōu)化管控系統(tǒng)，有效提高了能源利用效率和能源管理水平。為了加強(qiáng)機(jī)采系統(tǒng)能耗的優(yōu)化管控，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，需要對(duì)機(jī)采系統(tǒng)的合理能耗進(jìn)行分析測(cè)算。目前常用的方法是根據(jù)油田或采油廠噸液能耗和液量規(guī)模進(jìn)行測(cè)算，或者逐井進(jìn)行測(cè)試。前一種方法所需參數(shù)少、操作簡(jiǎn)單，但是該方法不能對(duì)機(jī)采系統(tǒng)有用功進(jìn)行測(cè)算，且精確度較低；后一種方法計(jì)算有用功并測(cè)算能耗，不僅參數(shù)獲取困難，而且工作量龐大。因此，本文提出了基于油藏條件的簡(jiǎn)便有效、精度較高的有用功計(jì)算及合理系統(tǒng)效率測(cè)算方法，在此基礎(chǔ)上明確油藏條件對(duì)機(jī)采系統(tǒng)能耗的影響以及不同油藏條件下所需的合理能耗水平，滿足機(jī)采系統(tǒng)能耗指標(biāo)分配或管理考核評(píng)比的各種需求。

1 油田機(jī)采系統(tǒng)能耗現(xiàn)狀

不同類型油藏由于地質(zhì)條件、油藏特征和開發(fā)生產(chǎn)制度等不同，能耗水平和系統(tǒng)效率也不盡相同。對(duì)某油田6 500余口機(jī)采井的系統(tǒng)效率進(jìn)行分析可知（表1），目前機(jī)采井平均系統(tǒng)效率29.2%。其中，整裝油藏機(jī)采系統(tǒng)能耗水平相對(duì)較高，平均系統(tǒng)效率34.6%，斷塊油藏機(jī)采系統(tǒng)能耗水平中等，平均系統(tǒng)效率29.4%，低滲透油藏機(jī)采系統(tǒng)能耗水平相對(duì)較低，平均系統(tǒng)效率25.1%。

表1 某油田不同類型油藏機(jī)采井系統(tǒng)效率分布

2 基于油藏條件的機(jī)采系統(tǒng)合理能耗計(jì)算模型

首先，將某種油藏類型的機(jī)采系統(tǒng)參數(shù)通過統(tǒng)計(jì)分析建立1口標(biāo)準(zhǔn)油井，如平均油藏壓力、平均油藏深度、平均油藏滲透率、平均油層厚度、平均含水、平均產(chǎn)液量、平均原油黏度、平均油氣水密度、平均生產(chǎn)氣油比等。其次，利用抽油機(jī)井單井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行不同機(jī)桿泵組合及工作制度下（下泵深度、抽油機(jī)、抽油泵、抽油桿組合、沖程、沖次）的舉升設(shè)計(jì)，得到不同方案下該標(biāo)準(zhǔn)油井的有用功和系統(tǒng)效率。最后，選取不同液量水平下所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)效率最高作為基準(zhǔn)（從油藏角度出發(fā)認(rèn)為在該液量水平下油井處于最優(yōu)生產(chǎn)狀態(tài)，這也是油田生產(chǎn)管理追求的目標(biāo)），以此結(jié)果進(jìn)行該類油藏能耗評(píng)價(jià)與管理。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)油井流入動(dòng)態(tài)計(jì)算模型

基于某一類油藏參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)油井位于油藏中心，其采液指數(shù)可以采用式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：I為采液指數(shù)，是一個(gè)反映油層性質(zhì)、厚度、流體參數(shù)、完井條件及泄油面積等與產(chǎn)量之間的關(guān)系的綜合指標(biāo)，m3/（d·MPa）；

k為油層有效滲透率，μm2；

h為油層有效厚度，m；

μ為地層流體的黏度，mPa·s；

B為地層流體體積系數(shù)，無(wú)因次；

re為油井供油邊緣半徑，m；

rW為井眼半徑，m；

s為表皮系數(shù)，無(wú)因次。

根據(jù)某類油藏參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果求出該標(biāo)準(zhǔn)油井的采液指數(shù)后，利用Petrobras方法計(jì)算該井的流入動(dòng)態(tài)。

2.2 井筒舉升設(shè)計(jì)模型

1）井筒多相流計(jì)算模型

井筒多相流理論是貫穿石油生產(chǎn)全過程的基本理論，也是抽油井生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中涉及的主要理論之一。抽油機(jī)井下泵深度的確定、液柱載荷的計(jì)算等均是以井筒多相流理論為基礎(chǔ)。本文采用適用于直井和水平井的Beggs-Brill模型計(jì)算井筒壓力分布，采用Ramey模型計(jì)算井筒溫度分布。

2）抽油桿柱力學(xué)計(jì)算模型和校核方法

抽油桿柱力學(xué)模型是用來(lái)對(duì)抽油桿柱在抽油過程中受力狀況進(jìn)行分析計(jì)算的方法。在抽油過程中，抽油桿承受到交變載荷的作用，要使得抽油桿柱能夠安全有效的工作，其受力狀況分析至關(guān)重要，它也是抽油機(jī)井工況分析和生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。抽油桿柱工作過程中承受交變載荷作用，上沖程時(shí)出現(xiàn)最大載荷，下沖程時(shí)出現(xiàn)最小載荷。

式中：Fmax為抽油桿柱上沖程所受的最大載荷，N；

Fmin為抽油桿柱下沖程所受的最小載荷，N；

Fr為抽油桿柱在空氣中的重力，N；

Fl為作用在柱塞上的液柱載荷，N；

Fv為流體通過凡爾孔的阻力，N；

Fri為抽油桿柱慣性載荷；N；

Fli為液柱慣性載荷；N；

Fp為泵筒與柱塞的摩擦載荷，N；

Frl為抽油桿與液體之間的摩擦載荷，N；

Ftl為油管與液體之間的摩擦載荷，N；

Frxj為第j級(jí)抽油桿下端面處所受的流體上托力，N；

m為抽油桿級(jí)數(shù)。

目前，現(xiàn)場(chǎng)多采用美國(guó)石油學(xué)會(huì)推薦的方法進(jìn)行抽油桿強(qiáng)度校核和桿柱設(shè)計(jì)。要保證抽油桿柱不發(fā)生疲勞破壞，抽油桿的最大應(yīng)力不應(yīng)超過許用最大應(yīng)力。抽油桿的許用應(yīng)力不僅與桿的材料及抽汲流體的腐蝕性有關(guān)，而且與所受的最小應(yīng)力有關(guān)。所以，在抽油桿柱設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析中常采用應(yīng)力范圍比，即：

σmax-σmin為許用應(yīng)力范圍，MPa；

σall-σmin為抽油桿的應(yīng)力范圍，MPa。

3）泵效計(jì)算模型

泵效是油井實(shí)際產(chǎn)量與理論排量的比值。

式中：η為實(shí)際泵效，%；

Q為實(shí)際產(chǎn)量，t/d；

Ql為理論產(chǎn)量，t/d；

ρO為油的密度，kg/m3；

ρW為水的密度，kg/m3；

fW為含水率，%。

4）地面工況指標(biāo)計(jì)算模型

水力功率是指在一定時(shí)間內(nèi)將一定量的液體提升一定距離所需要的功率，它是實(shí)際做功的有效功率。水力功率（有用功）計(jì)算公式：

式中：HPH為機(jī)采系統(tǒng)水力功率（有效功率），kW；

Q為日產(chǎn)液量，m3/d；

H為有效揚(yáng)程（有效舉升高度），m；

ρ為油井混合液密度，kg/m3；

g為重力加速度，m/s。

光桿功率就是通過光桿來(lái)提升液體和克服井下?lián)p耗所需要的功率。光桿功率計(jì)算公式：

式中：HPPR為光桿功率，kW；

Fmax為抽油機(jī)懸點(diǎn)最大載荷，N；

Fmin為抽油機(jī)懸點(diǎn)最小載荷，N；

s為沖次，次/分鐘；

N為沖程，m。

井下舉升效率計(jì)算公式：

式中：ηd為井下效率，%。

根據(jù)董世民等的研究結(jié)果，引入名義功率利用率：

式中：β為名義功率利用率，%；

Pmotor為電機(jī)額定功率，kW。

地面效率與名義功率利用率之間的關(guān)系為：

式中：ηS為地面效率，%。

則抽油機(jī)井系統(tǒng)效率為：

式中：η為抽油機(jī)井系統(tǒng)效率，%。

利用上述數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)不同參數(shù)組合方案進(jìn)行模擬，計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的地面工況指標(biāo)，以此為基礎(chǔ)來(lái)決策某一液量水平下的合理能耗。

3 機(jī)采系統(tǒng)合理系統(tǒng)效率計(jì)算

3.1 影響機(jī)采系統(tǒng)效率的油藏參數(shù)分析

針對(duì)某一類型油藏，收集整理表征該類油藏特點(diǎn)的儲(chǔ)層物性、流體物性、地層能量、開發(fā)階段等指標(biāo)參數(shù)（如含油面積、斷層密度、油藏埋深、滲透率、有效厚度、地層壓力、原油黏度、含水率、采出程度等）以及生產(chǎn)參數(shù)，建立標(biāo)準(zhǔn)油井模型并利用抽油機(jī)井優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，得到不同下泵深度、沖程、沖次、泵徑以及桿柱組合情況下的舉升方案設(shè)計(jì)結(jié)果。采用灰色關(guān)聯(lián)相關(guān)性分析方法，對(duì)不同組合下的舉升方案進(jìn)行能耗關(guān)聯(lián)性分析，從眾多油藏特征參數(shù)中篩選出影響機(jī)采系統(tǒng)效率的主控因素。結(jié)果表明，影響機(jī)采系統(tǒng)能耗的油藏主控因素從高到低分別為地層系數(shù)（滲透率乘以有效厚度）、黏度、含水率和油藏埋深、地層壓力（圖1）。

3.2 基于油藏條件的機(jī)采系統(tǒng)效率計(jì)算

在已知測(cè)算對(duì)象主控因素實(shí)際參數(shù)取值的情況下，測(cè)算不同液量水平條件下采用不同桿泵組合及工作制度所對(duì)應(yīng)的機(jī)采系統(tǒng)效率。如某油田斷塊油藏，已知其滲透率為2 000×10-3μm2，有效厚度為25 m，地層原油黏度為25 mPa·s，含水率為93%，油藏埋深為2 200 m。計(jì)算得到不同液量水平、不同桿柱組合和工作制度下的機(jī)采系統(tǒng)效率（圖2）。從圖2看出，相同產(chǎn)液量水平下，由于桿柱組合和工作制度的不同，其系統(tǒng)效率呈現(xiàn)出較大差異。

3.3 基于油藏條件的合理機(jī)采系統(tǒng)效率確定

根據(jù)圖2的計(jì)算結(jié)果，從能耗管控角度出發(fā)，可以認(rèn)為某一產(chǎn)液量水平下的最高系統(tǒng)效率是此類油藏在該產(chǎn)液量水平下應(yīng)該達(dá)到的最優(yōu)能耗指標(biāo)。以此為依據(jù)，確定出各個(gè)液量水平對(duì)應(yīng)的最高系統(tǒng)效率作為能耗管控的指標(biāo)。根據(jù)上述得到的不同液量水平、不同桿泵組合下機(jī)采系統(tǒng)效率，確定出不同液量水平下的最高機(jī)采系統(tǒng)效率（圖3）。

考慮井斜、偏磨、井口盤根松緊、皮帶松緊、抽油機(jī)平衡度、井口回壓等因素影響[3-8]，同時(shí)結(jié)合某油田抽油機(jī)井能耗現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，引入修正系數(shù)0.88。將上述不同產(chǎn)液量水平下的最高系統(tǒng)效率乘以修正系數(shù)得到不同液量水平下合理系統(tǒng)效率（圖4）。利用該系統(tǒng)效率圖可以方便快捷地進(jìn)行不同類型油藏條件下能耗水平的評(píng)價(jià)和合理能耗的分配。

4 結(jié)論

從油藏條件出發(fā)，利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法確定出影響機(jī)采系統(tǒng)能耗的油藏主控因素分別為地層系數(shù)、黏度、含水率和油藏埋深、地層壓力。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同油藏類型，建立以標(biāo)準(zhǔn)油井為基礎(chǔ)的有用功和系統(tǒng)效率計(jì)算模型，形成一種不同產(chǎn)液量下合理機(jī)采系統(tǒng)效率的測(cè)算方法，為油田機(jī)采系統(tǒng)能耗管控提供了一種新的手段。本文建立的基于油藏條件的機(jī)采系統(tǒng)合理能耗測(cè)算方法，較好的將油田開發(fā)生產(chǎn)實(shí)踐與能耗優(yōu)化管控結(jié)合起來(lái)，既能夠客觀反映與油藏開發(fā)特征相匹配的合理能耗水平，又極大地簡(jiǎn)化了工作程序，提高了工作效率，為礦場(chǎng)能耗運(yùn)行管理提供了有利支撐。