抽油機井能耗分區(qū)控制圖的研制與應(yīng)用

丁健 王懷遠 易正昌 徐赫 徐天竺（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

隨著杏北油田的持續(xù)開發(fā)，地層供液能力逐漸變差，油井產(chǎn)液量不斷下降，機采井舉升能耗高、系統(tǒng)效率低等問題愈發(fā)凸顯，嚴重制約了油田的高效開發(fā)。機采系統(tǒng)能耗約占油田總能耗的35%[1]，是油田能耗的重要組成部分，而抽油機井占機采井總數(shù)的84%左右，其能耗水平直接決定機采系統(tǒng)能耗高低[2]，因此開展低效高耗抽油機井治理工作十分重要。但以往的節(jié)能管理工作不能直觀地體現(xiàn)抽油機井整體的節(jié)能潛力分布，對于單井舉升單耗達到多少才算有節(jié)能潛力也無明確界限，僅憑個人經(jīng)驗篩選確定節(jié)能挖潛目標，降低了抽油機井節(jié)能管理工作的效率，影響了節(jié)能降耗治理措施的效果。針對上述問題，開展了抽油機井能耗分區(qū)控制圖的研究工作，完善相關(guān)配套技術(shù)，對今后低系統(tǒng)效率井的治理工作具有重要意義。

1 能耗分區(qū)控制圖的研制

1.1 抽油機井泵效仿真模型

抽油機井泵效的一般表達式為：

式中：α為泵效；ηS為柱塞有效沖程系數(shù)；ηF為泵充滿系數(shù)；ηL為漏失系數(shù)；ηV為混合液的體積系數(shù)。

假設(shè)天然氣的膨脹和壓縮按多變過程或等溫過程進行，不考慮天然氣溶解和析出的影響，并且泵的排出壓力和沉沒壓力保持不變，則式（1）中的柱塞有效沖程系數(shù)、泵充滿系數(shù)、漏失系數(shù)和混合液體積系數(shù)可分別按下式（2）計算[3-5]：

式中：Spump為抽油泵柱塞的行程長度，m；S為懸點沖程，m；R為泵吸入口氣液比，L/m3；K 為余隙系數(shù)；ps為泵的沉沒壓力，Pa；pd為泵的排出壓力，Pa；n為氣體多變過程指數(shù)；nW為含水率，%；Bops為泵吸入口條件下原油的體積系數(shù)；Bwps為泵吸入口條件下水的體積系數(shù)；Ap為柱塞橫截面積，m2；ΔQ為柱塞與泵筒間隙的漏失量，m3。

1.2 電動機輸入功率仿真模型

基于抽油機曲柄軸凈扭矩通用計算模型，考慮皮帶和減速箱的傳動效率，則電動機瞬時輸出功率和平均輸出功率可按式（3）計算：

式中：PMO為電動機瞬時輸出功率，kW；為電動機平均輸出功率，kW；MN為曲柄軸凈扭矩，N·m；ω為曲柄軸角速度，rad/s；ηMB為皮帶與減速箱的傳動效率；k2為系數(shù)，當MN＞0 時，k2=-1、當MN≤0時，k2=1；T 為懸點運動周期，s。

考慮電動機的效率受負載率的影響，電動機瞬時輸入功率和平均輸入功率可按式（4）計算：

式中：PMI為電動機瞬時輸入功率，kW；為電動機平均輸入功率，kW；β 為電動機瞬時功率利用率(β=PMO/PN)；PN為電動機額定功率，kW；P0為電動機空耗功率，kW；ηN為電動機額定效率。

1.3 抽油機井系統(tǒng)效率仿真模型

抽油機井有效功率與電動機輸入功率之比即為抽油機井系統(tǒng)效率：

式中：η為抽油機井系統(tǒng)效率；Pe為抽油機井有效功率，kW。

抽油機井有效功率按石油行業(yè)標準推薦的計算公式計算[6-7]：

式中：Q為油井日產(chǎn)液量，m3/d；H 為有效揚程，m；ρm為油井混合液密度，t/m3；g 為重力加速度，9.8 m/s2。

式（6）中的有效揚程和混合液密度計算公式見式（7）：

式中：Hd為油井動液面深度，m；po為油井井口油壓，MPa；pc為油井井口套壓，MPa；nW為含水率，%；ρw為水的密度，t/ m3；ρo為原油的密度，t/m3。

式（6）中油井產(chǎn)液量計算公式如下：

式中：D為泵徑，m；S為懸點沖程，m；n為沖速，min-1；α為泵效。

1.4 能耗分區(qū)控制圖的繪制

基于研究的目的，優(yōu)選流壓和系統(tǒng)效率分別作為能耗分區(qū)控制圖的橫縱坐標。影響抽油機井系統(tǒng)效率的因素主要包括：抽油機、電動機等設(shè)備類型；油井產(chǎn)能、含水率等油藏參數(shù)；沖程、沖速、泵徑等抽汲參數(shù)；皮帶松緊、減速箱潤滑以及平衡度等管理參數(shù)。假設(shè)油田的設(shè)備參數(shù)、油藏參數(shù)和管理參數(shù)一定時，系統(tǒng)效率主要取決于抽汲參數(shù)的完善程度。通過優(yōu)化抽汲參數(shù)確定各個流壓值下的系統(tǒng)效率極值，進而繪制出系統(tǒng)效率最高值和最低值與流壓的關(guān)系曲線，即能耗分區(qū)控制圖最高系統(tǒng)效率邊界曲線和最低系統(tǒng)效率邊界曲線。將最高系統(tǒng)效率邊界曲線與最低系統(tǒng)效率邊界曲線所包圍的區(qū)域劃分成高效區(qū)、合理區(qū)、低效區(qū)和待落實區(qū)四個不同的區(qū)域，即可得到抽油機井能耗分區(qū)控制圖模板，如圖1所示。

2 配套節(jié)能降耗技術(shù)

圖1 抽油機井能耗分區(qū)控制模板

2.1 立體優(yōu)化技術(shù)

抽油機井是一個由許多單元組成的系統(tǒng)，可將其分為地面和井下兩個部分。地面部分主要由拖動裝置、皮帶輪、減速箱和四連桿機構(gòu)等組成，井下部分由盤根盒、抽油桿、抽油泵、油管等組成。每一個單元都有其運行效率，抽油機井系統(tǒng)的總效率等于各單元效率的乘積。根據(jù)抽油機井有效功率、光桿功率及測試得到的電網(wǎng)向抽油機系統(tǒng)的輸入功率，即可分析出油井能耗在地面和地下的分布情況，研究結(jié)果表明地面能耗約占總能耗的30%～40%，地下能耗約占總能耗的60%～70%。為此，利用作業(yè)時機應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計軟件對具有優(yōu)化潛力的井實施立體優(yōu)化，充分挖掘抽油機井地下節(jié)能降耗潛力。

2.2 不停機間抽技術(shù)

針對杏北油田低產(chǎn)低效井多、舉升能耗高的問題，推廣應(yīng)用不停機間抽技術(shù)。不停機間歇采油技術(shù)是指曲柄以連續(xù)整周運行與低能耗擺動運行組合的方式工作，將長周期的集中式間歇采油轉(zhuǎn)變成多次短周期分散式間歇采油，將常規(guī)間抽停機運行改為曲柄低能耗小角度擺動運行，實現(xiàn)井下泵停抽、地面設(shè)備不停機的間抽工藝[8]。整周運行時采用工頻驅(qū)動，擺動運行時采用變頻驅(qū)動。整周運行與擺動運行之間的切換是在抽油機負載最低點附近處，利用曲柄勢能和動能的轉(zhuǎn)換，以柔性加載斷續(xù)供電的方式實現(xiàn)。不停機間抽控制裝置主要由電參監(jiān)測傳感器、電動機轉(zhuǎn)速傳感器、曲柄位置傳感器、智能控制器以及驅(qū)動器組成[9]，不停機間抽裝置安裝位置見圖2。

圖2 不停機間抽裝置安裝位置

2.3 能耗監(jiān)測技術(shù)

從整體上看，機采系統(tǒng)耗電采用電量匹分方式，即在總消耗電量中扣除注入系統(tǒng)和集輸系統(tǒng)等耗電后，歸為機采系統(tǒng)耗電，無法消除其它隱含耗電量。從單井上看，根據(jù)系統(tǒng)效率測試的消耗功率，代表單井全年能耗水平，因每年測一次且測試時間隨機，無法掌握單井全年真實耗電。為此通過技術(shù)攻關(guān)和統(tǒng)一管理，應(yīng)用電量計量裝置[10]，并對新投產(chǎn)能和采購的電控箱配備電量計量功能，逐步實現(xiàn)單井能耗的準確計量。

3 應(yīng)用效果

利用能耗分區(qū)控制圖對抽油機井的能耗水平進行綜合評價，確定低效區(qū)、待落實區(qū)為重點治理對象；重點治理對象確定后，利用節(jié)點分析控制圖分析原因，依據(jù)治理對策表制定具體節(jié)能優(yōu)化措施，同時配套立體優(yōu)化、不停機間抽、能耗監(jiān)測等技術(shù)，實現(xiàn)低效井的有效治理。截至2020 年底，累計完成低系統(tǒng)效率井治理2 653 井次，措施后測試2 341 井次，平均系統(tǒng)效率由13.52% 上升到17.19%，上升3.67個百分點，低效區(qū)、待落實區(qū)分別下降20.60%、1.83%；合理區(qū)、高效區(qū)分別提高20.74%、1.68%，預(yù)計年節(jié)電176.25×104kWh，創(chuàng)造經(jīng)濟效益112.27 萬元，取得了良好的應(yīng)用效果，低系統(tǒng)效率井措施前后對比見表1。

表1 低系統(tǒng)效率井措施前后對比

4 結(jié)論

1）基于抽油機井動態(tài)參數(shù)仿真模型，優(yōu)選評價指標，通過優(yōu)化抽汲參數(shù)確定能耗分區(qū)控制圖分界曲線，研究節(jié)能潛力區(qū)域劃分方式，建立了抽油機井能耗分區(qū)控制圖。

2）抽油機井能耗分區(qū)控制圖直觀給出了抽油機井整體能耗水平，明確了抽油機井節(jié)能降耗重點治理對象，提升了抽油機井節(jié)能管理水平。