通過能耗控制實現油井優化生產

符喜德 王丹鳳 管 桐 張 研 徐方向

1.長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100；2.中國石化中原油田采油三廠，河南 濮陽 457000

0 前言

隨著采油技術水平的提高，采油設備的種類越來越多，但游梁式抽油機有桿泵采油依然是最主要的采油方式。 據統計，我國約90%的油井為機械采油井，而超過80%的油井在用游梁式抽油機生產，產量占75%以上［1］。我國大多數油田已相繼步入開發中后期， 地層壓力下降，含水上升，單井產量降低。 油田一方面是高含水生產老區塊， 一方面則大量鉆新井開采低滲和超低滲地層。如果一味地追求產能最大化，提高生產壓差，就會擴大被水淹地層的水流通道，增加開采剩余油的難度。 對于低滲、超低滲地層而言，如果生產壓差過大，就可能使地層微裂縫閉合，滲透率降低，對地層造成損害。

油田工作主要集中在提液和防偏磨、防砂等方面［2-3］；而對如何提高能量利用效率和減少生產成本研究很少，目前尚無定論［4-9］。

1 方法介紹

具體到某口井，若能確定一組抽汲參數，則可以用這些參數進行抽油桿組合設計，再求出噸油能耗（假定抽油機在上下沖程作功相等）。 然后從各個組合優選出能耗最小的參數作為最終優化結果。

1.1 確定基本參數

1.1.1 沉沒度與泵掛深度

在抽油機井生產管理與工況分析中，抽油泵的沉沒度及所對應的沉沒壓力是評價柱塞泵工況的重要指標。合理的沉沒度能使流體克服泵吸入口的流動阻力，減少氣體、液體充不滿等對泵效的影響，使泵達到最佳工作狀態。 但其影響因素多，各因素之間又相互影響，至今還沒有一個簡單、適用范圍廣的計算方法。 目前各大油田中應用最廣泛的是曲線擬合法［10-13］，本文選用泵效與沉沒度進行擬合。

對于某口井，可以根據IPR 曲線得到某一產量對應的井底流壓pwf，然后利用多相管流計算得到動液面深度Lf。 動液面深度Lf加上沉沒度hs，即為泵掛深度L=Lf+hs。

1.1.2 沖程與沖次

假若泵徑已知，則日產量與沖程、沖次的關系可由式（1）確定。

式中：Q 為泵理論排量，m3/d；D 為泵柱塞直徑，m； fp為柱塞的載面積，m2；s 為沖程，m；n 為沖次；η 為泵效，%。

眾所周知，高沖次會加劇井的偏磨和腐蝕。 所以一般情況下，選用最大沖程。再利用式（1）就能得到對應的沖次。

1.2 計算并確定最終參數

在確定好抽汲參數后， 用修正古德曼圖來進行抽油桿強度校核和桿組合設計，然后進行功率計算［14］。

式中：Amu、Amd為電機在上下沖程中的作功，N·m；Au、Ad為懸點載荷在上下沖程中的作功，N·m；Aw為平衡塊的作功，N·m。

由于慣性力在上下沖程中所作總功等于零， 在計算Au、Ad時不用考慮慣性力作功。 而井口回壓與振動載荷和泵吸入作用產生的載荷通?？梢院雎?，所以近似的有：

式中：Fu與Fd為上下沖程的最大摩擦載荷，N； fri第i 級抽油桿的截面積，m2；Li為第i 級抽油桿的長度，m；fp為柱塞的截面積，m2； qri為第i 級抽油桿的米重，kg/m；ρliq含水原油密度，kg/m3；ρw、ρo為原油和水的密度，kg/m3；fw為原油含水率，%。

計算出Am/Q 的比值， 可以得到每個產量Q 對應的Am/Q 值，然后與IPR 曲線作在同張圖上，得到最優產量值，見圖1。

圖1 噸油能耗示意圖

2 實例計算

WC219 井是中原油田采油三廠的1 口生產井，含水已高達98.9%，基礎數據和IPR 曲線見表1 和圖2。

對該井泵效和泵掛深度進行擬合得到曲線，見圖3。

表1 WC219井基礎數據

圖2 WC219 井IPR 曲線

在對抽油桿柱進行設計和強度校核的基礎上，用計算機編程算出各產量對應的抽油機一個沖程中的耗能與產量的比值，結果見表2 和圖4。

圖3 WC219 泵效和沉沒度關系曲線

由表2 和圖4 可看出最優產液量為43.4 m3/d， 對應的參數：泵徑57 mm，泵掛2 160 m，沖程4.8 m（為中原油田采油三廠所用抽油機最大沖程），沖次6.16 次，桿組合為Φ19×569 m+Φ22×920 m+Φ25×671 m。

表2 不同泵徑生產時的噸油能耗

圖4 不同泵徑生產時的噸油能耗曲線

3 結論

a） 對生產相對穩定的井來說，如果泵徑已定，其生產每噸油所消耗的能量隨產量先降后升。

b）對生產相對穩定的井來說，不同泵徑下求得的合理的產量相同，即用該方法確定的泵徑僅與井流入動態有關。

c）隨著泵徑的增大，生產每噸油所消耗的能量值逐漸減小，但減小的幅度也越來越小。

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