提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率技術(shù)研究

何宏偉

摘要：如何提高系統(tǒng)效率保證節(jié)能以及經(jīng)濟(jì)效益，已經(jīng)成為了一個(gè)重要的問題。主要從電機(jī)，抽油機(jī)類型，抽油機(jī)平衡度等地面設(shè)備方面，抽汲系數(shù) （沖程、沖次、泵徑）等井下方面及日產(chǎn)液量、原油性質(zhì)等，通過對(duì)比、綜合分析以提高抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率為目標(biāo)總結(jié)出影響抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的各種 因素。

1 抽油機(jī)井系統(tǒng)效率定義和相關(guān)計(jì)算

1.1 抽油機(jī)的系統(tǒng)效能的計(jì)算

根據(jù)《SY/T5264-2006 油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測(cè)試和計(jì)算方法》標(biāo)準(zhǔn)，抽 油機(jī)井的系統(tǒng)效率是指抽油機(jī)的有效功率與輸入功率的比值，用 系統(tǒng) 表 示。

有入抽油機(jī)的系統(tǒng)效率又可分解為地面效率及井下效率兩大部分：

抽油機(jī)井的井下效率為有效功率比上光桿功率。井下部分的能量損失 主要發(fā)生在盤根盒和抽油桿，抽油管，抽油泵中：

則抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率為：

抽油機(jī)井大體由電機(jī)，皮帶及減速箱，四連桿，光桿，盤根，抽油桿，抽油泵，井下管柱等部分組成。地面效率影響主要有電機(jī)影響;井下系統(tǒng) 效率損失包括：盤根盒功率損失、抽油桿功率損失、抽油泵功率損失和抽 油管柱功率損失。盤根盒工作損耗屬于人工管理范疇，可以通過加強(qiáng)管理 提高，且能量損耗比重較小，因此井下工作效率的分析重點(diǎn)為抽油泵和抽 油桿兩部分。

1.2 抽油機(jī)井系統(tǒng)效能測(cè)試

（1）地面測(cè)試參量：電機(jī)輸入功率、電機(jī)型號(hào)、上下沖程最大電流、 示功圖、油壓、套壓、產(chǎn)液量、含水率;

（2） 井下測(cè)試參量：油井動(dòng)液面和靜液面、下泵深度、沉沒度、抽油 泵泵徑、沖程、沖次。

測(cè)試方法：

（1）電機(jī)輸入功率測(cè)試：

（2）油井日產(chǎn)液量測(cè)試

直接引用報(bào)表。弊端：表報(bào)產(chǎn)量中有些油井是分配產(chǎn)量，與油井的實(shí) 際產(chǎn)液量有一定的誤差。

（3）油井含水率測(cè)量

井口取樣，用蒸餾法或離心法測(cè)量。

（4）油井井口油壓和套壓測(cè)量

根據(jù)油井井口油管和套管上裝有的壓力表讀取

（5）動(dòng)液面深度測(cè)試

用井口回聲儀測(cè)量，多測(cè)幾次取平均值。

（6）油井示功圖測(cè)試

在抽油機(jī)懸繩器處裝示功儀，測(cè)量抽油機(jī)的示功圖，多測(cè)幾次取平均 值。

1.3 小結(jié)

（1）系統(tǒng)效率即為有效功率與輸入功率的比值，進(jìn)一步分解為地面效 率與井下效率的乘積，可進(jìn)一步分解為電機(jī)，抽油機(jī)，抽油桿，抽油泵等 方面，受沉沒度，日產(chǎn)液量，抽汲系數(shù)等多方面影響;

（2）根據(jù)公式和數(shù)據(jù)計(jì)算的涇河油田的機(jī)采井的系統(tǒng)效率，其系統(tǒng)效 率的平均值為 24.210%，井下效率的平均值為 41.542%，地面效率的平均值 為 59.939%，由此可見，系統(tǒng)效率還可以進(jìn)一步提升。

第 2 章 抽油機(jī)系統(tǒng)效率影響因素

地面效率影響主要分析電機(jī)、抽油機(jī)的影響;在井下工作功耗中包括：盤根盒功率損失、抽油桿功率損失、抽油泵功率損失和抽油管柱功率損失。其中盤根盒工作損耗仍然屬于管理范疇，可以通過加強(qiáng)管理提高，并且其?能量損耗比重較小，因此井下工作效率的分析重點(diǎn)為抽油泵、抽油桿等。

2.1 電機(jī)

電機(jī)應(yīng)在滿足抽油機(jī)啟動(dòng)功率要求的前提下進(jìn)行匹配。研究電機(jī)功率 利用率，可以看出電機(jī)的使用是否合理，從而可以避免能耗的浪費(fèi)而影響 抽油機(jī)的系統(tǒng)效率。作出涇河油田電機(jī)功率利用率與系統(tǒng)效率、地面效率 的分布關(guān)系。

從電機(jī)功率利用率與地面效率的關(guān)系可得出地面效率隨著電機(jī)功率利 用率的升高而升高。對(duì)涇河油田 35 口機(jī)采井的電機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.2 抽油機(jī)

（1）抽油機(jī)型號(hào)

對(duì)涇河油田所采用的抽油機(jī)型號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表 2-2），由表 2-2 可以看 出各個(gè)型號(hào)的抽油機(jī)平均平均載荷利用率、地面效率都到達(dá)了 50%以上，涇河油田抽油機(jī)整體應(yīng)用情況較好，其提高系統(tǒng)效率的重點(diǎn)在于提高井下效率。

（2）抽油機(jī)平衡度

抽油機(jī)平衡度一般由 B 表示：

影響抽油機(jī)平衡度的因素是多方面的，如油管磨損和受腐燭后產(chǎn)生輕 微漏失，抽油泉磨損或密封性變差，抽油參數(shù)的調(diào)整不當(dāng)或抽油位置改變 等都會(huì)導(dǎo)致抽油機(jī)不平衡，從而影響抽油系統(tǒng)效率。

目前現(xiàn)場(chǎng)判斷抽油機(jī)平衡的方法主要有兩種：電流法和功率法，現(xiàn)場(chǎng) 一般認(rèn)為平衡度在 80%～110%之間就是平衡的。圖 2 是系統(tǒng)效率和功率平 衡指數(shù)的關(guān)系圖，由圖可知按平衡度 80%～110%的要求，涇河油田平衡度 達(dá)標(biāo)的井?dāng)?shù)不多，需要對(duì)抽油機(jī)不平衡的井進(jìn)行調(diào)平衡以提系統(tǒng)效率。

對(duì)此，可以采用不同的平衡方式，目前采用的主要是有氣動(dòng)平衡和機(jī) 械平衡。

2.3 日產(chǎn)液量

當(dāng)油井的日產(chǎn)液量過低時(shí)，油井會(huì)出現(xiàn)供液不足、動(dòng)液面下降、沉沒 度減少等現(xiàn)象，可以采用優(yōu)化抽汲參數(shù)或?qū)嵭虚g開的措施加以改善。日產(chǎn) 液量的大小直接影響系統(tǒng)的有效功率，從而影響到抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率。日產(chǎn)液量的增大，會(huì)增大有效功率，進(jìn)而系統(tǒng)效率會(huì)增大，但同時(shí)產(chǎn)液量 增大后，將液體從井筒舉升至地面的能耗將會(huì)有所增大。

如圖 3 可看出隨著日產(chǎn)液量的增大，地面效率顯著提升，井下效率先 升后降。而系統(tǒng)效率在兩者的共同影響下逐漸增大。

2.4 沉沒度

根據(jù)涇河油田數(shù)據(jù)，沉沒度和系統(tǒng)效率的關(guān)系大體遵從著正交分布的 特點(diǎn)。

2.5 抽汲參數(shù)

抽汲系數(shù)的選擇有以下幾個(gè)原則：

（1）要與所用抽油機(jī)參數(shù)和功率相匹配;

（2）要考慮整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)效率是否合理，本段希望提升系統(tǒng)效率;

（3）要考慮油井類型和地質(zhì)狀況;

抽汲參數(shù)會(huì)同時(shí)影響地面效率和井下效率，合適的抽汲參數(shù)的選擇非常重要。理論上對(duì)于像稠油井，一般選用大泵徑、大沖程和低沖次的工作 方式。

2.6 原油性質(zhì)

涇河油田產(chǎn)出原油密度 0.872 ～ 0.924g/cm3 ，平均為 0.90g/cm3 ;凝固 點(diǎn) 6.9 ～28.2 ℃，平均 22 ℃;含蠟量 11.79% ～46.85%，平均 30.34%;30℃時(shí)原油基本全為稠油，部分井粘度達(dá)到了特稠油的范疇。

2.7 小結(jié)

根據(jù)分析得知，需要選擇正確的電機(jī)，抽油機(jī)，抽油泵，選取合理的 沉沒度，選擇合適的抽汲系數(shù)，才能從地上和地下兩方面提高系統(tǒng)效率。

第 3 章 提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率優(yōu)化方案（以涇河油田為例）

3.1 抽油機(jī)調(diào)平衡

抽油機(jī)平衡度標(biāo)準(zhǔn)在 80%～110%，圖 4 是涇河采油廠抽油機(jī)測(cè)平衡的 具體情況。對(duì)這些平衡度不達(dá)標(biāo)的井應(yīng)重新調(diào)節(jié)其平衡，并加強(qiáng)抽油機(jī)的 日常維護(hù)保養(yǎng)，有助于提高抽油機(jī)井的地面效率。

當(dāng)平衡時(shí)，下沖程所需要對(duì)重物做的功 Au和上沖程中需要重物釋放的 能量 Ad關(guān)系應(yīng)該為：

由公式 3-1 可知道抽油機(jī)平衡條件是在一個(gè)抽汲循環(huán)中，重物在下沖 程中儲(chǔ)存的能量或者上沖程中幫助電動(dòng)機(jī)所作的功，應(yīng)等于上沖程和下沖 程懸點(diǎn)作功之和的一半。

上沖程中懸點(diǎn)所做的功：

下沖程中懸點(diǎn)所做的功：

由于慣性載荷在上下沖程中所作的總功為零，所以沒有考慮慣性力。

將 Au和 A?d代入 3-1 中：

這就是平衡重所需要做的功。

3.2 優(yōu)化抽汲參數(shù)

抽汲參數(shù)的確定，有助于提升系統(tǒng)效率，在生產(chǎn)實(shí)踐中一般遵循長(zhǎng)沖 程、低沖次的生產(chǎn)原則，并選用合理泵徑。

3.2.1 井底流壓和下泵深度的確定

若想優(yōu)化抽汲系數(shù)，首先要確定油井產(chǎn)量或已知產(chǎn)量下的井底流壓，這點(diǎn)應(yīng)該根據(jù)試井資料，結(jié)合 IPR 曲線來確定;其次結(jié)合地層壓力和多相 管流計(jì)算方法求出動(dòng)液面深度，即可得到下泵深度LP 值。

而綜合 IPR 曲線分兩種情況，一種是在一定總產(chǎn)量下確定井底流壓，另一種是已知井底流壓計(jì)算總產(chǎn)量。

1、確定沉沒壓力和沉沒度

沉沒壓力是指泵受到的環(huán)空液柱所產(chǎn)生的壓力。沉沒度是指動(dòng)液面與 泵處之間的深度。為了使泵效提高，必須保證沉沒度。但是隨著沉沒度的增大，促使下泵深度增加。而下泵深度的提高，也會(huì)導(dǎo)致沖程損失的增加。

（1）泵充滿系數(shù)與沉沒壓力關(guān)系

泵壓在飽和壓力以下時(shí)，泵內(nèi)有自由氣體存在。在忽略余隙的情況下，泵的充滿程度可以用下式表示：

式中 β—泵充滿系數(shù);

Vo Vw Vg?泵內(nèi)油，水，自由氣體積;

又由于：

f w ——含水率

結(jié)合 3-5 和 3-6 得出沉沒壓力和泵充滿系數(shù)的關(guān)系

由上式可知，增大沉沒壓力可提高泵充滿系數(shù)。

2、確定下泵深度

在忽略流動(dòng)摩阻情況下，根據(jù)油管套管環(huán)空流體的分布狀態(tài)，可按下 式確定下泵深度。

Lp—泵掛深度，m

Hm—油層中部深度，m

Pc—套壓，MPa

ρl—混合液密度，kg/m3

如果求得的 Lp 超過了井底或其他限制因素，則說明充滿程度過高，不 適合本井，應(yīng)降低充滿程度。

3.2.2 沖程、沖次和泵徑的確定

在已知油田區(qū)塊泵效p 的條件下，實(shí)際產(chǎn)量與泵徑DP?、沖程 S、沖 次 N 有如下關(guān)系：

其中：K—泵常數(shù);S—沖程（米）;N—沖次（次/分）;p —泵效。

由 3-9 可知道，在產(chǎn)量和泵效確定的條件下，沖程、沖次的乘積與泵 常數(shù)的乘積是固定的。這樣的話，在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮多種泵。先確定泵的 型號(hào)，這樣泵的沖程、沖次的乘積為定值。據(jù)此，根據(jù)油藏情況再進(jìn)行進(jìn) 一步的篩選。

3.3 提高泵的充滿系數(shù)

由前面分析可得，泵效與系統(tǒng)效率的關(guān)系明顯，系統(tǒng)效率隨著泵效的增 大而增大。故可以通過提高泵的充滿程度來提高泵效，從而提高系統(tǒng)效率。

通常采用充滿系數(shù)β來表示氣體的影響程度：

式中?Vp --上沖程活塞讓出的容積;

Vl，--每沖程吸入泵內(nèi)的液體體積。

用 R 表示氣液比，即 R=Vg/Vl

用 K=VS/Vp表示余隙比，則：

據(jù)此，可以減小 K 和 R 的值以增大充滿系數(shù)，提高泵效。

與此同時(shí)，根據(jù)涇河油田情況，井內(nèi)結(jié)蠟較為嚴(yán)重，這也會(huì)導(dǎo)致泵的 充滿程度低的情況。對(duì)于稠油，可采取降粘措施。

在前面也提到了了日產(chǎn)液量對(duì)系統(tǒng)效率的影響，日產(chǎn)液量越高系統(tǒng)效 率越高，但對(duì)于油層供應(yīng)能力差，供液不足的井，可采取增加泵深，調(diào)小 工作參數(shù)以匹配油層供液能力。而當(dāng)所用抽油機(jī)已調(diào)到最小沖程、最小沖 次，仍然供應(yīng)不求的井可采取間歇抽油，保證產(chǎn)量不受影響。

3.4 小結(jié)

（1） 根據(jù)前面的章節(jié)對(duì)系統(tǒng)效率的分析及評(píng)價(jià)，針對(duì)不同的情況，提 出了相應(yīng)改善抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的優(yōu)化技術(shù)。

（2）涇河油田地面效率整體水平較高，因此提高系統(tǒng)效率的重點(diǎn)在于 提高井下效率。大體通過提高泵的充滿系數(shù)、和抽汲參數(shù)兩方面。

第 4 章 結(jié)論與建議

（1） 涇河油田的地面效率的平均值為 59.939%，井下效率的平均值為 41.542%，系統(tǒng)效率也可以表示為地面效率與井下效率的乘積。涇河油田整 體地面效率較高，導(dǎo)致涇河油田系統(tǒng)效率低的主要原因是井下效率低下，因此提高涇河油田系統(tǒng)效率的主要途徑是提高井下效率。

（2） 系統(tǒng)效率測(cè)試結(jié)果分析表明，沉沒度合理、泵效高、日產(chǎn)液量高 的井系統(tǒng)效率則高;抽油機(jī)型號(hào)選擇合適、電機(jī)功率利用率高及抽油機(jī)平 衡良好的井系統(tǒng)效率高。

（3）地面效率低的主要原因主要有抽油機(jī)不平衡，電機(jī)或抽油機(jī)型號(hào) 選擇過大;井下效率低主要原因有兩個(gè)方面：井下摩阻大;泵的充滿程度 低。

（4）提高地面效率主要通過調(diào)節(jié)抽油機(jī)平衡，加強(qiáng)日常維護(hù)。

（5）井下效率的提高是涇河油田提高系統(tǒng)效率的重點(diǎn)，井下效率主要 通過抽汲參數(shù)的優(yōu)化、提高泵的充滿系數(shù)等來改善。

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