乾安采油廠機(jī)采系統(tǒng)的優(yōu)化與應(yīng)用

趙海權(quán) 孫偉 于丹丹（吉林油田乾安采油廠）

乾安采油廠是低滲透、低豐度、低產(chǎn)量的“三低”油田，油井產(chǎn)能低，存在油井能耗偏高、系統(tǒng)效率低問題，影響油井低成本開發(fā)。如何在保障油井產(chǎn)能的前提下，合理匹配油井參數(shù)、降低油井能耗、提高油井系統(tǒng)效率，是油田低成本開發(fā)需要解決的問題。通過對各種方法的篩選，乾安采油廠選擇了能耗最低機(jī)采系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法對油井參數(shù)進(jìn)行合理匹配，達(dá)到了提高系統(tǒng)效率的目的。

1 技術(shù)原理

在抽油機(jī)舉升過程中，油井所消耗的能量（即電動機(jī)輸入功率）主要包括用于提升所載液體的有效能量和舉升過程中所消耗的地面損失功率、黏滯損失功率、滑動損失功率，以及溶解氣膨脹功率，其中溶解氣膨脹功率對抽油機(jī)舉升過程做正功[1-2]，即

在能耗最低機(jī)采系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中推導(dǎo)出了有桿泵抽油系統(tǒng)損失功率的理論計算公式[3]：

式中：

P損——損失功率，kW；

Pd——電動機(jī)空載功率，kW；

k1——傳輸功率傳導(dǎo)系數(shù)；

k2——光桿功率傳導(dǎo)系數(shù)；

s——沖程，m；

n——沖速，min-1；

μi——第i段液體黏度，mPa·s；

Li——第i段油管長度，m；

m——管徑與桿徑比，無因次；

fk——桿與管的摩擦系數(shù)；

q桿——桿重度，N/m；

L水平——井斜的水平軌跡長度，m；

g——重力加速度，m/s2。

由式（1）可以看出，損失功率與沖程、沖速、載荷、電動機(jī)空載功率、黏度，以及管徑與桿徑比有關(guān)，其中與沖程、沖速關(guān)系最為密切。

在能耗最低系統(tǒng)效率優(yōu)化設(shè)計中考慮了油層中深、產(chǎn)液量、含水率、動液面、油層溫度、飽和壓力、油氣比、溶解系數(shù)、析蠟溫度、原油密度、50℃脫氣原油黏度、地層原油黏度、地表恒溫溫度、井斜參數(shù)等14項(xiàng)影響因素，與以往設(shè)計只考慮產(chǎn)液量、含水率、動液面、油氣比、原油黏度，以及油層中深等6項(xiàng)影響因素相比，優(yōu)化結(jié)果更加合理和切合實(shí)際。

2 優(yōu)化設(shè)計過程

為設(shè)計錄入上述14項(xiàng)已知參數(shù)，作為優(yōu)化的求解條件。

設(shè)計步驟如下：

1）選取抽油機(jī)機(jī)型（若為老井，保持原抽油機(jī)機(jī)型不變）。

2）設(shè)定參數(shù)的選擇范圍，這些參數(shù)包括管徑、泵徑、泵深、桿柱鋼級、桿柱組合、沖程，以及沖速等。將管徑分別按內(nèi)徑大小依次排序；將桿柱鋼級類別分別按強(qiáng)度大小依次排序；將泵徑按尺寸大小依次排序；將泵深從動液面開始，按某一步長（如10m）依次加深排序，直到流壓等于飽和壓力為止（如遇流壓低于飽和壓力，則泵掛深度直至油層頂部為止）。

3）在抽油機(jī)額定載荷、額定扭矩允許的范圍內(nèi)，找出能夠抽汲目標(biāo)產(chǎn)量的所有機(jī)采系統(tǒng)，每一個機(jī)采系統(tǒng)的主要參數(shù)均包括管徑、泵徑、泵深、桿柱鋼級、桿柱組合、沖程，以及沖速。為抽汲同一目標(biāo)產(chǎn)量，將各種管徑、泵徑、泵深、桿柱鋼級、科學(xué)的桿柱組合、沖程，以及能夠產(chǎn)生目標(biāo)產(chǎn)量的相應(yīng)沖速一一組合，每一種組合對應(yīng)著一種能耗，即對應(yīng)著一種系統(tǒng)效率。

4）以輸入功率最低者為機(jī)采優(yōu)化參數(shù)（管徑、管長、桿柱鋼級、泵徑、泵深、桿柱組合、沖程，以及沖速）。

5）根據(jù)確定的沖速和系統(tǒng)輸入功率確定抽油機(jī)所配的電動機(jī)機(jī)型。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 前期應(yīng)用情況

根據(jù)優(yōu)化過程，對乾北13-7油井進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計（表1～表5）。

表1 乾北13-7油井優(yōu)化前基礎(chǔ)參數(shù)

表2 乾北13-7油井優(yōu)化前生產(chǎn)參數(shù)

表3 乾北13-7油井高壓物性參數(shù)

乾北13-7油井優(yōu)化前油井桿柱為兩級桿柱組合，泵掛1401m，沖速5.03min-1，泵效24.5%，系統(tǒng)效率19.9%。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，選取能耗最低時參數(shù)組合，即泵徑、沖程不變，泵掛加深到1460m，沖速降低到3min-1。

表4 乾北13-7油井優(yōu)化后基礎(chǔ)參數(shù)

表5 乾北13-7油井優(yōu)化后生產(chǎn)參數(shù)

優(yōu)化前后，乾北13-7井充滿變好（圖1、圖2）。

圖1 乾北13-7油井優(yōu)化前示功圖

圖2 乾北13-7油井優(yōu)化后示功圖

從優(yōu)化后實(shí)施結(jié)果看，乾北13-7油井優(yōu)化后產(chǎn)量略有上升，油井泵效提高了16.9個百分點(diǎn)，系統(tǒng)效率提高了13.7個百分點(diǎn)，提高幅度達(dá)到68.9%，日耗電降低58.6kWh，節(jié)電幅度達(dá)到46.1%，優(yōu)化設(shè)計實(shí)施后提效降耗效果明顯。

3.2 推廣應(yīng)用情況

2011年乾安采油廠應(yīng)用能耗最低機(jī)采系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計并實(shí)施80口油井（表6），平均單井泵效提高19.2個百分點(diǎn)，平均單井系統(tǒng)效率提高9.5個百分點(diǎn)，系統(tǒng)效率提高了74.8%；平均單井日耗電降低56kWh，節(jié)電率33.1%，形成單井年節(jié)電能力2.016×104kWh，節(jié)約費(fèi)用1.008萬元，單井優(yōu)化設(shè)計費(fèi)0.6萬元，投入產(chǎn)出比1∶1.68，投資回收期0.6年（該節(jié)約費(fèi)用未計算油井維護(hù)性作業(yè)減少費(fèi)用，優(yōu)化井至今未因磨損、桿疲勞斷脫發(fā)生作業(yè)費(fèi)用）。

表6 2011年機(jī)采優(yōu)化設(shè)計實(shí)施前后效果對比

4 結(jié)論

通過應(yīng)用能耗最低系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計對“三低”油田油井進(jìn)行參數(shù)設(shè)計并現(xiàn)場實(shí)施，達(dá)到了“三低”油田油井提效降耗的目的。優(yōu)化設(shè)計實(shí)施后平均系統(tǒng)效率可提高74.8%，日耗電降低33%，大幅度提高了油井的系統(tǒng)效率，為“三低”油田的提效提供了一種新的方法。

[1]萬仁溥,羅英俊.采油技術(shù)手冊（第四分冊）機(jī)械采油技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社,1993：256-296.

[2]有桿泵API標(biāo)準(zhǔn)及其它資料匯編（上冊）［C］.華北石油管理局,1985：195-237.

[3]鄭海金.一種有桿泵機(jī)械采油工藝參數(shù)確定方法：中國,ZL99109780.7［P］.2002-05-29.