低滲透油藏有桿泵采油系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及研究①

摘要：低滲透油藏有桿泵采油系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計以產(chǎn)能預(yù)測與有桿抽油系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計理論為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗對優(yōu)化設(shè)計部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和調(diào)節(jié)，從而建立完善的有桿泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計模型。它具有預(yù)測油井產(chǎn)能、優(yōu)化有桿泵采油設(shè)備生產(chǎn)參數(shù)、優(yōu)化設(shè)計經(jīng)濟(jì)性評價和作業(yè)方案輸出等功能。從現(xiàn)場應(yīng)用效果來看，在單井產(chǎn)液量基本不變的前提下，優(yōu)化后平均單井日節(jié)電14.48度，節(jié)電率達(dá)到了50.96%，平均單井機采系統(tǒng)效率提高了3%，節(jié)能效果顯著。

關(guān)鍵字：低滲透油藏 有桿泵 優(yōu)化設(shè)計 系統(tǒng)效率

中圖分類號：TE933 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X(2011)07(b)-0000-00

鄂爾多斯盆地油田儲層普遍呈現(xiàn)低滲、低壓、低豐度特征，自然產(chǎn)能超低，有效開發(fā)難度大，屬低滲、特低滲油藏。隨著油田開發(fā)不斷深入井下情況日趨復(fù)雜，井筒環(huán)境愈趨惡劣，同時許多難動用儲量相繼投入開發(fā)，使現(xiàn)有抽油設(shè)備遇到了諸如干抽、系統(tǒng)效率低、作業(yè)費用高、不能根據(jù)油井供液能力自動調(diào)整抽汲參數(shù)以及設(shè)備投資、運行費用高等問題。因此，低滲透油藏有桿泵采油系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計對調(diào)整設(shè)備參數(shù)、降低作業(yè)運行費用、提高系統(tǒng)效率具有重要意義。

1 有桿泵采油優(yōu)化設(shè)計流程

1）確定產(chǎn)量或者給定井底流壓及IPR曲線確定產(chǎn)量；2）確定下泵深度；3）根據(jù)產(chǎn)量確定抽油泵的泵徑；4）初步確定抽油機型號；5）查找抽油機數(shù)據(jù)庫，找出該型號抽油機最大沖程，計算柱塞沖程；6）計算泵沖次；7）按等強度原則初步設(shè)計抽油桿組合；8）設(shè)計油管（考慮抗內(nèi)壓、抗外壓和抗拉強度）；9）計算光桿實際載荷最大值、最小值；10）重新計算載荷，選擇最接近的抽油機型號；11）選擇實際抽油機的實際光桿沖程，并計算柱塞沖程；12）根據(jù)合理泵效選擇沖次；13）重新設(shè)計抽油桿；14）優(yōu)化扶正器分布；15）計算光桿最大載荷、最小載荷；16）計算減速器實際扭矩；17）根據(jù)（15-16）結(jié)果，重新選擇抽油機型號；18）查詢抽油機數(shù)據(jù)庫，找到新選擇抽油機的沖程等參數(shù)；19）計算泵的實際沖程，根據(jù)合理泵效，選擇沖次，以上（18-19）可出現(xiàn)多組工作制度不同的方案；20）選擇電動機；21）根據(jù)不同方案機采系統(tǒng)效率計算結(jié)果，選擇需要的優(yōu)化設(shè)計。

2 油井產(chǎn)能預(yù)測

在油氣田開采過程中，產(chǎn)能通常由平面徑向穩(wěn)定流滲流模型表述，見式(2-1)。滲流力學(xué)基本理論是進(jìn)行儲層產(chǎn)能定量預(yù)測的基礎(chǔ)，根據(jù)滲流力學(xué)基本理論，完善井均勻不可壓縮流體的平面徑向穩(wěn)定滲流公式為：

（2-1）

式中：為流量，m3/s；為油層厚度，m；為有效供油半徑處得油層壓力，Pa；為井眼壓力，Pa；有效供油半徑，m；?為流體的粘度，Pa?s；k為流體的有效滲透率，?m2；s為表皮系數(shù)，無因次。

由于模型是在遵循達(dá)西滲流定律條件下建立的，且涉及到油層污染、表皮系數(shù)、供油半徑等測井不能提供的參數(shù)，不能直接應(yīng)用于低滲透儲層。我們從測井技術(shù)出發(fā)預(yù)測產(chǎn)能，從測井技術(shù)能夠提供的地質(zhì)參數(shù)入手，根據(jù)各參數(shù)與產(chǎn)能關(guān)系[1]，將產(chǎn)能做如下表述：

（2-2）

式中：為含水飽和度；為束縛水飽和度；為滲透率；為層厚；為有效孔隙度。

3 有桿泵采油優(yōu)化設(shè)計[2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]

3.1 有桿泵懸點載荷的計算

對各廠實測的264口井的示功圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)實測Pmax與理論靜載荷、慣性載荷之間存在差值，這就說明各廠在計算抽油機懸點載荷時摩擦阻力是不能被忽視的，因此確定了延長西部油田投產(chǎn)延長組的油井平均摩擦阻力為2118kg，西部油田投產(chǎn)延安組的油井平均摩擦阻力為1561kg，東部油田的油井平均摩擦阻力為558kg。故抽油機井的懸點載荷公式應(yīng)變?yōu)椋?/p>

（3-1）

（3-2）

式中：；。

式中：Wl---油管內(nèi)液體重量（kg）；Wr---抽油桿在液體里的重量(kg)；

D---抽油泵直徑(mm)；d---抽油桿直徑(mm)；pf----磨擦阻力；

ρr---抽油桿材質(zhì)密度(kg/mm3)；ρl---井內(nèi)液體的密度(kg/mm3)。

3.2 抽油桿設(shè)計

按照等強度原則設(shè)計抽油桿。

（3-3）

（3-4）

（3-5）

（3-6）

以上四式中，i=1，2，3分別為抽油桿級數(shù)，qri為單位抽油桿重量。

（3-7）

（3-8）

（3-9）

其中：為第i級桿柱的許用折算應(yīng)力。

由此求得第i級抽油桿的長度為：

（3-10）

在設(shè)計抽油桿柱時，先初選第一級抽油桿柱直徑，若計算結(jié)果不合適再做調(diào)整。計算時如果下部桿柱長度L1無解，則說明第一級抽油桿規(guī)格過小，不能滿足強度要求，需要更換大一規(guī)格桿徑重新計算。若解出L1大于下泵深度，則說明第一級桿柱方案能滿足要求，則取L1為下泵深度。

3.3 扶正器優(yōu)化設(shè)計

3.3.1 定向井桿柱力學(xué)模型

3.3.1.1 抽油桿底部受力

1）上行程

（3-11）

式中：F0——抽油桿最低端所受力，N；——井斜角，°；

——抽油泵柱塞重量，N；——液柱作用于柱塞上的力，N；

——上沖程液柱因慣性作用在柱塞上的力，N；

——柱塞與泵筒之間的半干摩擦力，N；——柱塞的慣性力，N。

2）下行程

（3-12）

式中：——液體通過游動閥時產(chǎn)生的摩擦阻力，N。

3.3.1.2 一跨抽油桿所受的力

1）上行程

（3-13）

式中：——跨抽油桿在液體中的重力，N；

——扶正器與油管之間的摩阻力，N；

——跨抽油桿所受到的慣性力，N。

2）下行程

（3-14）

式中：——液體通過扶正器的阻力，N；

——抽油桿柱（不包括扶正器部分）所受到的液體阻力，N；

3.3.2 直井中抽油桿中性點的計算

（3-15）

式中：qr——單位長度抽油桿的重量，N。

對于多級抽油桿，應(yīng)該將抽油桿直徑、橫截面積等量折算成加權(quán)平均值。

3.3.3 扶正器優(yōu)化布置

1)定向扶正器優(yōu)化布置

從抽油桿最下端開始，計算步長為△，如果變形量超過允許變形量，則增加扶正器，計算下一個步長；如果沒有超過允許變形量，則不增加扶正器，并擴大步長2*△，繼續(xù)計算，一直計算到井口時結(jié)束。2個扶正器之間抽油桿變形的最大值為：

（3-16）

式中：u——桿柱穩(wěn)定系數(shù)，；——抽油桿的彈性模量，MPa；

——抽油桿的慣性矩，m3。

2) 直井扶正器優(yōu)化布置

從抽油桿最下端開始，一直計算到中性點結(jié)束。扶正器間距布置公式為：

（3-17）

式中m為自然數(shù)，m取值越小，扶正器效果越好，比如本軟件中取m=1。

4 軟件的編制

在理論研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用VB編制了有桿泵采油系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計軟件。用戶只要輸入某一口油井的相應(yīng)參數(shù)，軟件就能自動對該井進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測、有桿泵采油系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、效率分析、經(jīng)濟(jì)綜合評判，最終輸出該井的最佳采油方案（包括抽油機的選型、抽油桿的選型、抽油泵的選型、扶正器布置等），用戶便可以得到一個具體的作業(yè)方案。[9][10]

5 現(xiàn)場應(yīng)用

選取延長油田甘谷驛采油廠唐114井區(qū)3口典型油井，分別為1361-2井、1361-4井和1361-9井。根據(jù)油井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用軟件設(shè)計投產(chǎn)下泵設(shè)計書，并對優(yōu)化前后的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析。由測試結(jié)果可知，在單井產(chǎn)液量基本不變的前提下，優(yōu)化后平均單井日節(jié)電14.48度，節(jié)電率達(dá)到了50.96%，平均單井機采系統(tǒng)效率提高了3%，節(jié)能效果顯著。

參考文獻(xiàn)

[1] 張姮妤.低孔滲油田致密砂泥巖儲層產(chǎn)能預(yù)測[D].哈爾濱：黑龍江大學(xué)，2008.

[2] 劉永輝，李穎川，周興付.有桿抽油系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[J].石油鉆采工藝，2007.

[3] 萬仁溥，羅英俊.機械采油技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社，1993.