低滲透油田抽油機井系統(tǒng)效率及評價指標

韓二濤，黃 偉，甘慶明，呂億明，王 百

（長慶油田分公司油氣工藝研究院；低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710018） ①

低滲透油田抽油機井系統(tǒng)效率及評價指標

韓二濤，黃 偉，甘慶明，呂億明，王 百

（長慶油田分公司油氣工藝研究院；低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710018） ①

對比分析不同時期系統(tǒng)效率指標，發(fā)現(xiàn)僅以絕對系統(tǒng)效率值作為考核指標，由于沒有同一比較基準，不能準確反映機采系統(tǒng)投入與產(chǎn)出的關(guān)系。通過理論分析、實測計算表明，低滲透油田抽油機井系統(tǒng)效率存在最大值。采用系統(tǒng)效率實現(xiàn)率指標，能夠在同一基準上評價1口井、1個區(qū)塊或1個油田的系統(tǒng)效率管理工作，并能量化抽油機井系統(tǒng)效率的提升潛力，完善機采系統(tǒng)節(jié)能降耗考核指標。

低滲透油田；抽油機井；系統(tǒng)效率；最大值

抽油機有桿泵采油系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、裝置耐用、可靠性強、技術(shù)成熟的優(yōu)點，全世界約有80%、我國約有92%的油井均采用這種方式生產(chǎn)［1］。長慶油田目前有油井約3萬口，全部采用機械采油方式。據(jù)2009年長慶油田生產(chǎn)用電統(tǒng)計，原油生產(chǎn)（采油、注水、集輸）用電總量占油田總用電量的78%，抽油機井系統(tǒng)效率較低導致能耗費用在采油成本中占有較大比例。如果全國各油田能將抽油機井系統(tǒng)效率提高10%，則年節(jié)電近12億kW·h［2］，這不僅可以降低油田的開發(fā)成本，而且還可以緩解當前全國電力緊張局面。

1 問題的提出

近年來，提高抽油機井系統(tǒng)效率已成為各油田節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益的一個重要工作。長慶油田每年均建立節(jié)能示范區(qū)，以促進全油田的系統(tǒng)效率提高、降低能耗。為了更好地促進系統(tǒng)效率的提升，有些油田把系統(tǒng)效率作為考核指標進行管理。但是，根據(jù)對大慶油田抽油機井系統(tǒng)效率指標的統(tǒng)計，大慶油田1986年抽油機井平均系統(tǒng)效率為18%［3］，1988年為22.1%［4］，1989年為26%，1996年為32.7%，2001年為17.6%［5］，2003年為20.3%［6］。由此可以看出，若僅以系統(tǒng)效率值作為考核指標，從系統(tǒng)效率值上不能反映所做工作的效果。雖然每年各油田投入了大量的人力、物力，經(jīng)過了種種努力進行系統(tǒng)效率優(yōu)化，但從每年的系統(tǒng)效率值上看這些努力和投入好象是白白浪費了。由此表明，僅用系統(tǒng)效率值來評判1口井、或1個區(qū)塊、或1個油田的系統(tǒng)效率管理工作，由于判斷的基準不一致，導致統(tǒng)計的系統(tǒng)效率值不能充分說明問題，也不能體現(xiàn)1個區(qū)塊、或1個油田的管理水平；并且也不能明確選取井類，采取有針對性的、提高系統(tǒng)效率的措施，以取得較好的效果。

2 系統(tǒng)效率評價指標的選取

2.1 系統(tǒng)效率定義

目前，對于抽油機井系統(tǒng)效率的定義多采用抽油機在提液過程中其有效功與系統(tǒng)輸入能量的比值［7］，即抽油機工作時將液體舉升到地面耗能與電動機耗能的比值，即

ePin為電動機輸入功率，kW；△P為抽油機井無效功率，kW；Q為抽油機井產(chǎn)液量，m3／d；H為泵舉升液體的有效揚程，m，，Hd為油井動液面高度，m；po、pt為分別為油井井口油壓、套壓，MPa；ρ為液體的密度，103kg／m3。

由系統(tǒng)效率定義可知，在完成一定的生產(chǎn)目標的前提下，提高系統(tǒng)效率就是要減小系統(tǒng)無效做功、降低系統(tǒng)輸入功率或者提高系統(tǒng)的有效功率。對于某一口抽油機井，由于摩擦的存在，在機械機構(gòu)中必然存在能量損失，因此系統(tǒng)輸入功率不可能無限制地降低，因而系統(tǒng)效率也不可能無限制地提高，其必然有一個最大值ηmax。同時，對于一定的地層條件，根據(jù)油井流入與流出動態(tài)研究，產(chǎn)量與舉升高度之間存在一定的關(guān)系，因此油井的產(chǎn)量不可能無限制地提高，必然存在一個產(chǎn)量與舉升高度的最佳組合。當產(chǎn)量、有效舉升高度及液體的密度一定時，該井的有用功則是確定的，故系統(tǒng)效率同樣也不可能無限制地提高，其必然有一個最大值ηmax。

另外，一些學者也分析或推導了系統(tǒng)效率存在最大值。竇宏恩［5］認為抽油機井系統(tǒng)效率理論最大值為38.4%。張志遠［8］等人認為在設(shè)備良好運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，抽油機井系統(tǒng)效率理論最大值為41%～49%。汪平［9］、史曉貞［10］等考慮抽油井生產(chǎn)環(huán)境和井下工具、地面設(shè)備的使用時間，認為在管理措施全部到位的情況下，胡慶油田系統(tǒng)效率的最大值為35.9%。董世民［11］等人認為抽油機井系統(tǒng)效率最大值受油藏特性、原油特性、設(shè)備特性影響，與油井最大產(chǎn)量關(guān)系密切，現(xiàn)場測試出的50%以上的系統(tǒng)效率是可信的。

2.2 系統(tǒng)效率評價指標

由前述分析可知，系統(tǒng)效率最大值是存在的。則可以通過把抽油機井當前系統(tǒng)效率值與其最大值進行對比，形成一個統(tǒng)一的基準，縱向?qū)Ρ纫粋€油田的系統(tǒng)效率，或者橫向?qū)Ρ榷鄠€油田的系統(tǒng)效率，就能進行有效的分析，得到一致的結(jié)論，從而真實地反映不同油井的能耗狀況和管理水平。

本文利用系統(tǒng)效率最大值，通過抽油機井目前設(shè)備條件下的系統(tǒng)效率與其所能達到的最大系統(tǒng)效率ηmax比值來評價和對比系統(tǒng)效率工作，并把這個比值命名為系統(tǒng)效率實現(xiàn)率R，即

系統(tǒng)效率實現(xiàn)率可以用來評價抽油機井系統(tǒng)效率提升的潛力、節(jié)能的幅度，并可體現(xiàn)出各井在系統(tǒng)效率方面所做的工作的大小，系統(tǒng)效率管理水平的高低。

3 系統(tǒng)效率評價指標的計算

3.1 有效功率

長慶油田屬“三低”油藏［12］，巖石顆粒細小，儲層孔喉細微，物性差，儲層微裂縫發(fā)育，根據(jù)取心井巖芯觀察資料，有1／3的井見到天然微裂縫。原始地層壓力低，壓力系數(shù)0.65～0.75，地飽壓差2.94～6.38MPa，三疊系滲透率僅0.1～3.0×10－3μm2。

從低滲透油田油井IPR曲線［13－14］（如圖1）及生產(chǎn)實踐表明：低滲透油藏的滲流特征與中、高滲透油藏的滲流特征顯著不同。油田生產(chǎn)實踐表明：低滲透油田在井底流壓低于飽和壓力時，油井產(chǎn)液量并非總是隨著生產(chǎn)壓差增大而上升，當井底流壓降低到某一界限后，再降低井底流壓（增大生產(chǎn)壓差），其產(chǎn)液量不再繼續(xù)上升，而是轉(zhuǎn)為下降，說明低滲透油田的油井產(chǎn)量不可能無限增大，存在一個最大的合理產(chǎn)量點Qmax，由抽油機井有效功率計算可以得到一個有效功率極大值Pemax。

圖1 低滲透油田油井IPR曲線

3.2 輸入功率

鄭海金［15－17］等人把抽油機井系統(tǒng)的各種損失功率劃分為地面損失功率Pu、黏滯損失功率Pr、滑動損失功率Pk。則抽油機井輸入功率為

式中，μi為第i段液體黏度，mPa·s；li為第i段油管長度，m；m為管徑桿徑比；fk為桿與管的摩擦因數(shù)；qr為桿重度，N／m；L井斜的水平軌跡長度，m。

3.3 系統(tǒng)效率最大值

把式（3）代入式（1），則計算抽油機井系統(tǒng)效率公式為

由式（4）可以看出，當油井達到最大產(chǎn)量點時，系統(tǒng)效率與沖程S、沖次n、泵效ηP有關(guān)。因此可以進行參數(shù)優(yōu)化，當S×n達到較小值時，泵效處于較高的水平，這時系統(tǒng)效率將達到其最大值ηmax。

3.4 系統(tǒng)效率實現(xiàn)率

通過現(xiàn)場實際測試抽油機井當前系統(tǒng)效率值η，和通過式（4）計算該井的系統(tǒng)效率最大值ηmax，把這2個數(shù)據(jù)代入式（2）則可以得出該井的系統(tǒng)效率實現(xiàn)率。

4 計算實例

綜合以上分析，通過抽油機井流入動態(tài)研究分析，確定其合理的最大產(chǎn)量Qmax，根據(jù)最大產(chǎn)量Qmax進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。在保持抽油泵有一個較高的泵效前提下，使抽油機井運行在有效功率較高、損失能耗較小的工況下，則可計算出該設(shè)備所能提供工作制度下的系統(tǒng)效率最大值，以及該井的系統(tǒng)效率實現(xiàn)率。某油田單井系統(tǒng)效率實現(xiàn)率計算結(jié)果如表1。

表1 單井系統(tǒng)效率實現(xiàn)率計算值

續(xù)表1

由表1可以看出：該區(qū)塊3m3／d以下井實現(xiàn)率較低，距其理論系統(tǒng)效率最大值差距最大，則其系統(tǒng)效率提升的潛力較大，可以通過流入動態(tài)研究，對其工作參數(shù)進行優(yōu)化，使其達到一個較為合理的狀態(tài)。通過采取優(yōu)化調(diào)整措施，系統(tǒng)效率均有不同程度的提高，措施調(diào)整后實現(xiàn)率較高，進一步進行優(yōu)化調(diào)整提高系統(tǒng)效率的空間在理論上可行，在實際中則由于現(xiàn)場條件所限，已很難進一步提高。

5 結(jié)論

1） 抽油機井的系統(tǒng)效率存在理論最大值和實際最大值。

2） 對于長慶油田低滲、低壓、低豐度油藏，根據(jù)油井流入動態(tài)曲線確定最大產(chǎn)量點，通過參數(shù)優(yōu)化，可以使其系統(tǒng)效率接近該井理論所能達到最大值。

3） 系統(tǒng)效率實現(xiàn)率可以反映抽油機井系統(tǒng)效率的管理水平。對于準確評價抽油機井系統(tǒng)效率，發(fā)揮系統(tǒng)最大的潛能，為指導提高系統(tǒng)效率工作提供了有效途徑。

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System Efficiency and Evaluation Index of Pumping Wells in Low－permeability Oilfield

HAN Er－tao，HUANG Wei，GAN Qing－ming，LV Yi－ming，WANG Bai
（Oil ＆Gas Technology Research Institute；Low－permeability Oil and Gas Exploration and Development of National Engineering Laboratory，Changqing Oilfield Company，Xi’an710018，China）

Through comparative analysis of system efficiency in different periods，the relationship of input and output of pumping well is not accurately reflected by absolute system efficiency in the absence of the same standard of comparison.By means of theoretical analysis，actual measurement and calculation，there is a maximum system efficiency of pumping well in low－permeability oilfield.So achievable ratio of system efficiency is a better contrast basis to evaluate management level of a well，or a block or an oilfield，to quantify enhanced potential of the system efficiency of pumping wells，and perfect assessment index of energy saving and consumption reducing of artificial lifted well system.

low－permeability oilfield；pumping well；system efficiency；maximum evaluation

1001－3482（2012）08－0069－04

TE938.2

B

2012－02－07

韓二濤（1978－），男，河南鄢陵人，工程師，主要從事采油工藝技術(shù)研究與推廣，E－mail：het1＿cq＠petrochina.com.cn。