抽油機井不停機智能間抽技術及其應用

陳 銳，韓岐清，鄭小雄，李文娟，胡 南

（中國石油大港油田公司，天津 300280）

隨著油田進入開發(fā)中后期，受地層能量降低等因素影響，部分油井易出現(xiàn)供液不足現(xiàn)象，導致油井生產(chǎn)效率低、無效運行能耗高。傳統(tǒng)解決方法[1]是采用小泵徑、短沖程低沖次的連續(xù)運行工作制度或通過人工制定間抽啟停時間的間歇式采油方式，實現(xiàn)了低產(chǎn)液油井生產(chǎn)效率的提高，但仍無法從根本上實現(xiàn)供排協(xié)調(diào)，解決低產(chǎn)液井生產(chǎn)效率低、管理難度大及在自啟過程中存在的安全風險。

任鵬等[2]研究形成的智能間歇采油技術一定程度上解決了低產(chǎn)液井能耗高、效率低的問題，其關鍵技術主要是間抽時間的優(yōu)化控制，應用過程中仍存在受油稠、出砂等因素影響長時間停機后可能導致的抽油機正常啟動困難以及冬季井口凍堵等問題。本文基于技術經(jīng)濟可行的原則，通過間抽油井優(yōu)選抽油制度優(yōu)化、曲柄最佳擺幅及智能控制系統(tǒng)優(yōu)化研究，形成了抽油機井不停機智能間抽技術，滿足了低產(chǎn)液井智能、高效、安全生產(chǎn)需要[3-5]。

1 技術原理及工藝流程

不停機智能間抽技術通過間歇采油智能控制系統(tǒng)形成曲柄“整周運行（正常生產(chǎn)）+低速擺動運行（智能間抽）”組合的工作方式，將需長時間停機的常規(guī)間抽工藝升級為曲柄低速擺動運行、井下抽油泵停抽、地面抽油機不停機的智能間抽工藝。

為最大程度提高技術適應性與安全可靠性，基于盈虧平衡原理，首先確定了不同舉升方式的臨界日產(chǎn)油量圖版，并界定了技術適應條件；根據(jù)目標油井泵功圖實時計算分析泵充滿程度和動液面，對比設定的閾值，以確定擺動運行和整周運行的時間；以抽油桿最大彈性變形為基礎，基于目標油井的抽油機規(guī)格型號及桿柱組合情況計算懸點最大位移，利用抽油機四連桿機構(gòu)中懸點位移與曲柄轉(zhuǎn)角的關系確定出曲柄的最佳擺幅（見圖1）。同時優(yōu)化配套智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了來電自啟、電網(wǎng)瞬時停電不停井、間開自啟語音報警。

2 系統(tǒng)關鍵技術

2.1 間抽井優(yōu)選

根據(jù)目標油井日產(chǎn)液、原油銷售價格、舉升成本費用等參數(shù)，基于盈虧平衡原理，研究建立了間抽采油的臨界日產(chǎn)油量計算模型，當利潤為零時的日產(chǎn)油量即為臨界日產(chǎn)油，若目標油井日產(chǎn)油大于臨界日產(chǎn)油，則建議采用間抽采油技術。

式中：V-利潤，萬元；C-舉升成本費用，萬元；P-原油銷售價格，萬元/噸；Q-油井日產(chǎn)液量，m3；fw-含水率，%；C1、C2-無因次系數(shù)。

同時從技術可行性角度出發(fā)，研究界定了適用間抽技術的油井適應條件（見表1），從而達到技術可行、效益優(yōu)先的選井目的。

2.2 泵功圖實時分析

基于泵功圖的動液面可用如下經(jīng)驗公式計算[6]：

式中：Lf-油井動液面深度，m；ΔW-泵功圖上下載荷差，kN；ρl-地層產(chǎn)出液密度，kg/m3；fp-柱塞截面積，m2；Pt-井口油壓，MPa；Pc-井口套壓，MPa。

圖1 不停機智能間抽技術工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of intelligent pumping technology without stopping

表1 技術適應條件表Tab.1 Technical adaptation conditions

傳統(tǒng)的抽油泵泵效計算方式是根據(jù)泵的理論產(chǎn)液量和實際產(chǎn)液量來確定，即實際產(chǎn)液量與理論產(chǎn)液量的比值。但其精確度取決于實際產(chǎn)液量的測量精度，而油井實際產(chǎn)液量的測量誤差往往較大。劉柏希等[7]以油井實測地面示功圖為研究對象分析得出：抽油泵的效率是泵功圖上從游動凡爾完全打開到下死點這段沖程與從游動凡爾完全關閉到上死點這段沖程的比值，即EA/BC 或ea/bc（見圖2）。根據(jù)地面示功圖上對應游動凡爾關閉點和開啟點，計算分析得到抽油泵泵效。

圖2 地面示功圖和泵功圖Fig.2 Surface dynamometer card and pump card

2.3 曲柄最佳擺動角度的確定

根據(jù)油井泵掛深度和不同抽油桿柱、泵徑組合條件下的彈性系數(shù)、抽油桿質(zhì)量[8]，以抽油桿最大彈性變形為基礎，計算出桿柱在井筒中靜止狀態(tài)時的最大彈性形變，即抽油泵不運動時的驢頭懸點最大位移；再根據(jù)懸點位移與曲柄擺幅角度的經(jīng)驗關系式，確定出曲柄的最佳擺幅角度。從而實現(xiàn)曲柄擺動運行時井下抽油泵停抽、抽油機不停機，有效緩解了抽油機長時間停機后，易引起的抽油桿柱上行阻力增大過載和冬季井口凍堵等問題。

式中：SA-最大懸點位移，m；φ-曲柄擺幅角度，°；r-曲柄半徑，m；l-連桿長度，m；a-游梁前臂長度，m；b-游梁后臂長度，m；ER-抽油桿彈性模量，kN/m2；ET-油管彈性模量，kN/m2；AR-抽油桿截面積，m2；AT-油管截面積，m2；L-抽油桿長度，m；W-抽油桿在靜止狀態(tài)時的液柱載荷，N。

2.4 智能控制系統(tǒng)優(yōu)化配套

為提高現(xiàn)場生產(chǎn)應用的安全性，完善了停電后來電自啟功能，控制柜無需人工復位；增加了間抽運動轉(zhuǎn)整周運行的語音報警功能，有效避免了抽油機啟動過程中可能造成的人員傷害；同時完善了旁路工頻正常運行時電壓、電流等各項保護。優(yōu)化改進后智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)了來電自啟，具備了電網(wǎng)瞬時停電不停井和間開自啟語音報警功能。

3 現(xiàn)場應用實例

抽油機井不停機智能間抽技術在大港油田王官屯官33-78 等低產(chǎn)液油井進行了現(xiàn)場應用，系統(tǒng)效率平均為23.76 %，較實施前的13.64 %提高了10.12 %；日耗電平均為130.05 kW·h，較實施前的221.47 kW·h降低了91.42 kW·h，平均節(jié)電率為41.1 %，目前應用油井均生產(chǎn)運行穩(wěn)定，生產(chǎn)過程中未出現(xiàn)抽油桿疲勞損壞及電機過載現(xiàn)象。

以官33-78 井為例，該抽油機井常規(guī)間抽采油時，平均日產(chǎn)液5 m3，日產(chǎn)油2.95 t，系統(tǒng)效率10.6 %，日耗電230.4 kW·h。油井基本數(shù)據(jù)（見表2）。

為提高油井生產(chǎn)效率，試驗應用了不停機智能間抽技術，間抽工作制度優(yōu)化設計為關10 min、開5 min，曲柄最佳擺幅為22.4°。目前油井平均日產(chǎn)液5.3 m3，日產(chǎn)油3.04 t，系統(tǒng)效率16.7 %，日耗電132.5 kW·h，提效降耗效果明顯。

表2 油井基礎數(shù)據(jù)表Tab.2 Basic data of oil well

4 結(jié)論及認識

（1）抽油機井不停機智能間抽技術利用曲柄整周運行與低速擺動運行的組合工作方式，實現(xiàn)了低產(chǎn)液井供排協(xié)調(diào)，有效提高了油井生產(chǎn)效率；

（2）不停機智能間抽技術解決了常規(guī)間抽采油技術存在的運行維護管理難度大、自啟安全風險高等問題，提高了低產(chǎn)液井智能化管理水平，對低產(chǎn)液井安全、高效開發(fā)具有重要意義。