抽油機不停機間歇采油技術研究與應用

鞏宏亮 戚興 常瑞清 王洋 富源 侯宇 李金源 劉成林 陳云龍

（1.大慶油田采油工程研究院；2.哈爾濱索菲電氣技術有限公司）

抽油機不停機間歇采油技術研究與應用

鞏宏亮1戚興1常瑞清1王洋1富源1侯宇1李金源2劉成林2陳云龍2

（1.大慶油田采油工程研究院；2.哈爾濱索菲電氣技術有限公司）

常規間歇采油存在工人勞動強度高、管理難度大、工作制度難以執行到位等問題。為此，提出了抽油機不停機間歇采油技術，采用長周期集中式間歇采油轉變成多次短周期分散式間歇采油的策略，開展連續整周運行與低能耗擺動運行相結合的方式，將常規間抽停機運行改為曲柄低能耗小角度擺動運行；以井下柱塞保持不動為前提，桿柱最大彈性變形為基礎，設計出曲柄最大擺動范圍，確保地面設備不停機安全擺動，井下泵停抽的不停機短周期間抽工藝?，F場應用表明，與常規間抽相比，系統效率提高4.4個百分點，百米噸液單耗降低28.7%，日節電22.14 kWh，對低產井高效開發具有重要意義。

抽油機；不停機間歇采油；間抽制度；曲柄搖擺

引言

隨著大慶油田開發進入中后期，普遍存在間歇出油、嚴重供液不足的低效井現象，所謂的低效井具有低產液、低泵效、低流壓的井。這部分井通常采用連續運行生產方式，這些低產井在相當長的一段時間處于無效空抽運行狀態，從而造成抽油機系統效率低、能耗大、設備磨損嚴重等問題[1]。據統計，大慶外圍油田抽油機井已經超過2.1萬口，占全油田機采總井數的31.8%，日產液5 t以下的低產井已超過1.8萬口，這些低產井的產液量僅占全油田總量5.6%，耗電量則高達23.7%，噸液單耗是老區的5.2倍，平均系統效率僅為13.2%。其中，即使采用最小參數運行仍然不能實現供排平衡，平均系統效率不足10%。

為保證低效井有足夠的供液能力，通常采用間歇采油技術[2-6]。間歇采油技術的應用極大提高低效井的系統效率，并在節能降耗方面效果顯著[7-9]。為了方便管理，實際生產過程中，采用間歇采油技術的大多數井都有統一固定的間抽制度，抽8 h停16 h間歇制度在油田占間抽井總數的95%[10]；然而一般停機8 h以上，油井動液面波動幅度大，不能保證合理流壓條件下生產，影響產量。間歇采油技術還存在增加工人勞動強度、無法精確控制間抽時間、管理難度大、工作制度難以執行到位等問題[11-13]；此外，井位偏遠且交通不便、陰雨和風雪惡劣天氣、冬季停機容易凍井口等問題的出現都無法實施間歇采油制度。為此，2013年提出抽油機不停機間歇采油技術思路，并開展可行性研究；2014年定型技術方案，開展控制理論及控制方法的設計，形成曲柄擺動定位技術；2015年開展低能耗、無沖擊驅動技術研究，研制不停機間抽裝置，并進行2口井先導試驗，驗證了技術可行性和節能效果。2016年，優化驅動方法，完善控制裝置，進一步增強裝置的適應性和可靠性，并開展10口井擴大試驗；從而確定了抽油機不停機間歇采油技術，確保地面設備不停機安全擺動運行，井下抽油泵間歇采油，實現油井供排協調，達到高效舉升的目的。

1 抽油機不停機間歇采油技術

不停機間歇采油技術是指曲柄以連續整周運行與低能耗擺動運行組合方式工作，將長周期的集中式間歇采油轉變成多次短周期分散式間歇采油，將常規間抽停機運行改為曲柄低能耗小角度擺動運行，井下泵停抽的不停機短周期間抽工藝。

1.1 曲柄擺動運行方案設計

通過運動學及系統載荷計算分析，研究光桿小幅運行井下負載變化規律及桿柱形變，以桿柱最大彈性變形為基礎，計算出曲柄最大擺動范圍。根據不同曲柄位置，充分考慮平衡扭矩分布，設計懸點最佳光桿運行距離（曲柄擺角）和擺動速度，形成無沖擊低能耗擺動運行方案。

1）抽油桿最大靜載變形確定[14]：

式中：λ——抽油桿變形量，m；λr——抽油桿柱靜變形量，m；λt——油管柱靜變形量，m；E——抽油桿、油管鋼材彈性模量，2.12×108kN/m2；Ar——抽油桿柱截面積，m2；At——油管柱截面積，m2；L——抽油桿柱長度，m；W′f——在柱塞上產生的液柱載荷，N。

2）曲柄最大擺動角度范圍確定。曲柄最大擺動角度范圍是在井下柱塞保持不動前提下，以桿柱最大彈性變形為基礎，確保擺動時桿柱運動控制在彈性變形范圍內。通過計算抽油機驢頭在懸點處的最大位移值，從而確定出曲柄最大擺動角度范圍。圖1為常規游梁式抽油機簡圖。計算曲柄轉角θ的公式如下：

圖1 常規游梁式抽油機簡圖

式中：θ——曲柄擺動轉角，rad；θ1——下死點與平衡點間曲柄轉角，rad；θ2——上下死點時曲柄間轉角，rad；φ——曲柄在平衡點時角度的余角，rad；+號用于順時針旋轉；-號用于逆時針旋轉。

1.2 不停機間歇采油控制裝置

不停機間歇采油控制裝置主要由電參監測單元、電動機轉速傳感器、曲柄位置傳感器、智能控制器和驅動器組成。

電動機傳感器、曲柄傳感器和電參監測單元將電動機轉速、曲柄位置和電參數傳給智能控制器，智能控制器控制整周運行與擺動運行，智能控制器下達指令；驅動器根據設定的時間對電動機柔性啟動進行連續整周運行，在擺動運行時按照控制指令進行驅動速度實時調整。

整周運行與擺動運行之間的切換是依靠抽油機在負載最低點附近處利用曲柄勢能與動能的轉換，以柔性加載斷續供電的方式，順勢而為地實現曲柄低能耗擺動，保證驅動速度的同時控制最大驅動功率，實現功率平穩運行。

電動機轉速傳感器安裝在電動機尾軸上，能夠同步實時監測電動機速度，實現電動機轉速的高精度監測。曲柄位置傳感器安裝在對應光桿下死點的曲柄位置處，檢測每個沖程內的下死點對應曲柄位置。電參監測單元、智能控制器和驅動器安裝在智能控制柜內。

1.3 工作制度確定

不停機間歇采油工作制度的確定主要依據IRP生產曲線，以油井產能最大為目標，確定其合理的產量，通過產量確定井底動液面深度；根據合理動液面波動幅度，確定最佳的連續抽汲時間和擺動時間；通過持續觀察動液面變化，最終確定最優的不停機間歇采油工作制度。具體流程見圖2。

圖2 抽油機不停機間歇采油工作制度流程

不停機間歇采油的工作制度是將長周期集中式間歇采油轉變成多次短周期分散式間歇采油，將每個間抽周段內的動液面波動幅度控制在一定范圍內，避免了因停機時間過長導致動液面波動幅度過大對產能造成影響。由于單井地質情況和供液能力的存在差異，不停機間歇采油能夠個性化制定單井工作制度，實現油井供排協調，達到高效舉升的目的。

2 現場應用

表1 不停機間歇采油與連續采油對比

表2 不停機間抽與常規間抽對比

為了檢驗抽油機不停機間歇采油技術實際應用情況，現場開展了10口井的試驗與評價。表1和表2分別為不停機間歇采油與連續采油和常規間抽對比。

由表1和表2可知，應用抽油機不停機間歇采油技術后，在保持動液面合理穩定的前提下，相比連續運行的井，日節電52.8 kWh，系統效率提高7.8個百分點，百米噸液單耗降低49.4%。相比常規間抽井，日節電22.14 kWh，系統效率提高4.4個百分點，百米噸液單耗降低28.7%。現場應用表明，不停機間歇采油大幅提高了抽油機系統效率，節能效果顯著。

3 結論

1）抽油機不停機間歇采油技術通過連續整周運行與低能耗擺動運行相結合方式，將長周期的集中式間歇采油轉變成多次短周期分散式間歇采油，將每個短周期的動液面波動幅度控制在合理范圍內，保證了泵的充滿度，確保油井產能得到充分發揮。

2）根據單井地質情況和供液能力的差異，個性化制定單井工作制度，實現油井供排協調，達到高效舉升的目的。

3）現場試驗表明，不停機間歇采油與常規間抽相比，節電率大幅提高，系統效率增大，節能效果顯著。同時解決了常規間抽制度執行難度大、冬季易凍井口、停機時間長、易卡井等問題，而且可以減少單井用工人數，大幅降低工人勞動強度。該技術能夠充分發揮間歇采油的優勢，對低產井高效開發具有重要意義。

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大慶煉化球罐

2017-06-20

（編輯 李發榮）

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.10.002

鞏宏亮，工程師，2006年畢業于黑龍江科技大學（自動化專業），從事油氣田舉升研究，E-mail：gonghongliang@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區采油工程研究院舉升工藝室，163000。